专利名称：一种金属叶片的激光强化工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属表面激光强化工艺，适用于旋转金属叶片的表面强化尤其适用于汽轮机进汽部分叶片的表面强化，。
背景技术：
金属叶片是某些机器设备中重要的零部件之一，叶片的寿命及磨损直接影响到设备的正常运转。尽管对疲劳损伤的机理已经有所了解，但由于影响叶片寿命的因素较多，因此，叶片寿命的问题始终没有得到解决，叶片故障占各类设备故障的30％以上。例如杭州汽轮机集团公司生产的火电30万千瓦给水泵机组，采用NK50/60冷凝型，其末级采用HK56-3叶片，担负将蒸汽的热能转变为机械能的任务。由于工作区为湿蒸汽区，含有大量水滴，在很高的轮转速度及离心力下冲蚀叶片，使叶片顶部进汽边产生点蚀而失效，叶片抗水蚀能力的高低直接影响到汽轮机的工作效率及安全运行。为提高叶片的抗水蚀能力，目前主要有以下几种工艺方法(1)火焰淬火强化在叶片出汽边火焰加热淬火，该方法工艺较简单但温度不易控制，易产生变形、裂纹、硬度不均匀等问题；(2)高频感应加热淬火该工艺采用感应加热后低温回火，产生2～6mm厚回火马氏体，可提高效率，但感应加热设备复杂，尤其是感应圈设计和制作复杂；(3)局部加覆盖层在叶片进汽边的局部位置覆盖一层新合金，采用的工艺方法有钎焊司太立合金片、热喷吐、堆焊、电镀、化学转化膜、涂料与涂装等。该类方法存在工艺复杂、残余应力大、覆盖层易脱落等问题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种针对叶片局部金属强化的激光加工方法，采用激光表面合金化表面改性技术，它利用激光快速加热、熔池快速凝固的特点，能够在材料表面形成性能优异的合金化层，从而提高零件的使用寿命。发明解决了火焰加热、金属感应加热时的形变、选区不准、裂纹，提高了金属表面硬度，细化晶粒，同时，实现了激光强化硬度、深度可控制。
本发明的主要技术方案是先清洁金属叶片表面，并在表面涂覆合金吸光涂料，合金吸光涂层干燥后，根据处理面积选择一种光斑的光束进行激光处理，同时，用气体保护激光局部作用区，控制激光作用区薄层微熔。
通过以上方法处理的叶片，可达到以下具体技术指标局部硬化层平均硬度可达到HV450～650，由外至内呈梯度下降；单边硬化层深度≥0.25mm；硬化带宽度根据不同型号的技术要求可调可控。
激光工艺参数如下表所示。实施时应根据具体情况，根据叶片大小，对以上范围的参数进行优化搭配。
根据叶片处理部位的型线进行数控编程，通过数控编程实现激光光束在叶片处理区表面的三维运动。
上述的合金吸光涂层涂料成份为合金10～20％、粘结剂80～90％，主要用途是提高对光的吸收以及表层合金化，其中合金组成为W 30～50％、Co 20～40％、Cr 5～15％、Mo 1～3％、Si 1～2％、Ni 5～10％、C 1～4％、Fe 1～4％、V 1～2％。
所述保护气体是氩气或氮气。
本发明解决了金属火焰、感应加热时的形变，硬度较感应加热淬火高10～20％，同时，光束定位精确，选区处理不影响其他部位性能，通过数控编程可以实现工件的自动加工生产。
图1为对叶片进行激光强化工艺的数控编程流程图；图2本发明实施例叶片的结构示意图；图3为图2的A-A剖面图。
具体实施例方式
下面结合图1～图3对本发明实施例作一详细说明，本发明实施例叶片由叶冠1和叶根2组成，材质为2Cr13，调质态。处理前，预先确定处理叶冠1面积和搭接量，并根据叶片处理部位的型线进行数控编程，制作叶片定位夹具，清洗处理区，涂合金吸光涂料。激光光斑为矩形激光光斑10mm×2mm，处理时惰性气体保护。
下面以SK/MK56-3气轮机叶片制作步骤为例，说明如下1、根据处理区域要求，按照叶片型线进行数控编程，程序框图如图1所示，程序代码如下叶片进汽边R处的数控程序N0005 G64N0010 M4N0015 G91 G01 M2＝4 S2＝5 X19 Y25 Z125 F300 M08N0020 M09N0025 G91 G01 X-19Y-25 Z-125 F1000N0040 M30
叶片进汽边叶背处的淬火程序N0005 G64N0010 M4N0015 G91 M2＝4 S2＝5 X16 Y-20 Z125 F300 M08N0020 M09N0025 G91 G01 X-16 Y20 Z-125 F1000N0040 M302、清洗处理部位用丙酮、松香水等去油污。
3、定位装夹按照每一种型号分别制作定位夹具。
4、激光处理激光工艺参数本工艺使用宽带积分镜，带宽为10mm×2mm，功率900W速度300mm/min，两条搭接量20％，Ar2保护。
5、清理处理表面。
6、检测1)显微硬度检测结果(沿处理带截面制作金相试样，载荷200g)进气边R处
进气边内侧平面处
2)X射线探伤检验，无内裂纹。
对工业汽轮机叶片进汽边预先局部激光合金化强化处理后，改善了局部强度硬度和抗冲蚀的性能，可提高整机寿命，延长大修期。
权利要求
1，一种金属叶片的激光强化工艺，其特征在于工艺步骤如下清洁金属需处理区表面，并在表面涂覆合金吸光涂料，合金吸光涂层干燥后，根据处理面积选择一种光斑的光束进行激光处理，同时用气体保护激光作用区。
2，根据权利要求1所述的一种金属叶片的激光强化工艺，其特征在于所述合金吸光涂料的成份为10～20％合金、粘结剂80～90％，主要用途是提高对光的吸收以及表层合金化，其中合金组成为W 30～50％、Co 20～40％、Cr 5～15％、Mo 1～3％、Si 1～2％、Ni 5～10％、C 1～4％、Fe 1～4％、V 1～2％；
3，根据权利要求1所述的一种金属叶片的激光强化工艺，其特征在于所述激光处理的工艺参数如下激光输出功率900～2000W，扫描速度300～700mm/min，光斑10×2mm，搭接量10～30％。
4.根据权利要求1所述的一种金属叶片的激光强化工艺，其特征在于所述激光处理是通过数控编程实现激光光束在叶片处理区表面的三维运动。
5，根据权利要求1所述的一种金属叶片的激光强化工艺，其特征在于所述气体是惰性气体。
6，根据权利要求1或6所述的一种金属叶片的激光强化工艺，其特征在于所述气体是氮气或氩气。
全文摘要
一种金属叶片激光强化工艺，通过在金属需处理区表面涂覆合金吸光涂料后，根据处理面积选择一定光斑的光束进行激光处理，处理区激光定位和运动通过对叶片局部处理区型线的数控编程实现光束的三维运动，同时，用惰性气体保护作用区，局部硬化层平均硬度达到HV450－650，并由外至内呈梯度下降；单边硬化层深度≥0.25mm；硬化带宽度可调，无处理裂纹、变形。发明解决了金属火焰、感应加热淬火时的形变问题，硬度较感应加热淬火高10－20％。
文档编号B23K26/18GK1603052SQ0315141
公开日2005年4月6日 申请日期2003年9月29日 优先权日2003年9月29日
发明者姚建华, 陈智君, 孙东跃 申请人:浙江工业大学