一种基于蓝光激光熔覆技术的叶轮表面性能增强方法

本发明属于激光熔覆，尤其涉及一种基于蓝光激光熔覆技术的叶轮表面性能增强方法。

背景技术：

1、叶轮是水泵、汽轮机、风机等机械设备的重要零部件之一，其作用是功能转换，将原动机的机械能转换为输送液体的压能和动能。叶轮不仅工作环境十分复杂，在运行时叶轮还会处于高速旋转的状态，其承受着高温和高负荷，大大降低了叶轮的性能和使用寿命。

2、传统的表面强化工艺如热喷涂、等离子喷涂、电刷镀均可对材料表面进行强化，但其缺点较为凸显，如涂层或镀层容易脱落；热喷涂、等离子喷涂在生产过程中会产生大量粉尘和烟雾，影响设备运行且会对环境造成污染；电刷镀在生产后会产生含毒的废水，同样也会造成污染。传统激光熔覆技术多采用红光激光，由于金属材料如铝合金、铜合金对红光吸收率较低，不仅需要高功率的激光器，还容易产生飞溅及气孔等不良现象，并且在传统激光熔覆加工过程中，由于粉末的利用率较低，会产生大量的粉尘和烟雾，如不能及时回收废粉将会对周围环境造成污染。

3、中国专利201610295264.3公开了一种石油行业用铝基工件表面的耐磨耐腐处理方法，该发明基于硬质阳极氧化技术在含铝元素工件表面自生长氧化铝陶瓷层的原理实现对石油行业铝基工件表面的耐磨耐腐蚀处理，有效解决了石油阀门类零件、叶轮等工件的磨损腐蚀问题，该发明采取电镀法，使用重铬酸钾溶液，生产后产生的废水会对环境造成污染，且电镀法制造的涂层不会和基体产生冶金结合，涂层容易脱落。中国专利202111265697.1公开了一种铸铁表面激光熔覆铜合金的方法，该发明在铸铁表面进行镍铬铁合金过渡层的激光熔覆，在铸铁表面形成镍铬铁合金过渡层，然后在镍铬铁合金过渡层上进行铜合金功能层的激光熔覆，所得工件界面处的冶金结合性大大增强，界面结合强度大于铸铁本身强度；但是采取传统激光熔覆方法，在其附图中可以看出，熔覆层内含有大量气孔，多层多道熔覆层表面有凹凸，熔覆层的成型质量未能得到很好的把控。

技术实现思路

1、本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种基于蓝光激光熔覆技术的叶轮表面性能增强方法，具体的技术方案如下：

2、一种基于蓝光激光熔覆技术的叶轮表面性能增强方法，以激光熔覆粉末为熔覆原料，采用蓝色激光熔覆的方法在叶轮表面形成熔覆层，所述叶轮为金属材料；

3、所述激光熔覆粉末由以下组分组成：

4、mn：4.0-5.5wt％，mg：1.0-2.0wt％，sc：0.5-1.5wt％，zr：1.5-2.5wt％，fe：0.05-0.25％，si：0.02-0.06wt％，余量为al及不可避免的杂质。

5、本发明提供的激光熔覆粉末可以解决叶轮强度低、使用温度低等问题，形成的熔覆层具有不开裂、耐高温、高强度、耐磨、耐腐蚀等性能，大大提高叶轮的使用寿命；在相同的耐压条件下，相较于传统的激光熔覆铝合金粉末，如alsi10mg铝合金粉末，可实现更薄的熔覆层，重量更轻，实现更好的换热效果。

6、本发明以蓝光激光为热源，使叶轮具备较高的吸收率和光热转换效率，可以提升加工速度，使熔覆材料与基体二者共同快速凝固形成熔覆层，不易脱落；可以减小热影响区域，从而保证受热组织能维持在较细的晶粒度，熔覆层的厚度和表面光洁度可以得到更好的控制；也可以减少飞溅和气孔等不良现象，更好的控制熔覆层的成型质量，强化叶轮表面性能。蓝光激光熔覆技术在生产过程中能够最大程度的熔化熔覆粉末，不会产生大量粉尘与烟雾，其生产模式有利于减少环境污染，绿色环保。

7、进一步地，所述激光熔覆粉末的粒度为20-63μm。

8、进一步地，所述基于蓝光激光熔覆技术的叶轮表面性能增强方法，包括如下步骤：

9、（1）叶轮表面处理：对叶轮表面进行打磨，排除表面氧化层及隐藏缺陷；

10、（2）熔覆原料干燥：对激光熔覆粉末进行干燥；

11、（3）激光熔覆：采用同步送粉法在叶轮表面进行激光熔覆；

12、（4）热处理：对激光熔覆后的叶轮进行热处理；

13、（5）打磨修型：将叶轮表面打磨，恢复叶轮表面型貌，熔覆层制备完成。

14、高反射率及高热导率的叶轮基体材料对激光束的反射作用强烈以及加工过程中有着极高的散热速度，使得激光加工过程极为困难；本发明在激光熔覆后采用热处理技术，使熔覆层晶粒细小，提高了铝合金叶轮的硬度和强度，从而进一步提升叶轮长期处于高温和高负荷下的性能和使用寿命。

15、进一步地，所述熔覆层的厚度为0.5-2.0mm。

16、熔覆层厚度过大会使熔覆后的叶轮与初始叶轮尺寸相差过大，对打磨修型步骤有较大的影响，且熔覆层内的缺陷，如气孔和裂纹会随着单道熔覆层的厚度增大而增多；厚度过低会导致叶轮表面熔覆层过薄，熔覆层不能充分保护叶轮，使得熔覆层无法起到提高叶轮表面硬度、耐磨性、耐腐蚀、耐高温等作用。该熔覆层的厚度既能起到保护叶轮的作用，又不会产生过多的缺陷，且不会对最终的打磨修型造成困难。

17、进一步地，所述叶轮的材质为铝合金、铜合金或钛合金等高反射率金属及高热导率材料，优选铝合金。

18、进一步地，所述步骤（2）中，干燥的温度为180-210℃，真空度为90-110pa；干燥时间为1.5-3h。

19、进一步地，所述步骤（3）中，进行激光熔覆的覆头与叶轮表面的距离为5-10mm，调节载粉气流量为2.5-3.5l/min，保护气为氩气，保护气的压力为0.06-0.10mpa。

20、进一步地，所述步骤（3）中，进行激光熔覆的工艺参数为激光功率800-1200w、扫描速度5-20mm/s、送粉率3.5-12.5g/min、光斑大小（1mm×1mm）-（2mm×2mm）、搭接率30％-50％。

21、进一步地，所述步骤（4）中，首先将激光熔覆后的叶轮在450-500℃下进行固溶处理，保温50-70分钟后在水中进行淬火；然后将固溶后的叶轮在100-120℃进行预时效，保温时间为4-6小时；再在130-170℃下进行终时效处理，保温时间为12-16小时，随后将叶轮放置在空气中温度降至室温。

22、本发明采用上述激光功率、送粉率、扫描速度等工艺参数可以更好的提高熔覆层的成型质量。

23、本发明的有益效果为：

24、本发明以蓝光激光为熔覆手段将本发明提供的熔覆粉末，添加至基体使二者共同快速凝固形成熔覆层，熔覆材料与基体产生冶金结合，涂层不易脱落，气孔率低，无裂纹，稀释率低，纯净度高，较好的成型质量；且熔覆层材料本身具有高强度、高硬度、耐腐蚀、耐高温的特性；激光熔覆后的热处理使熔覆层晶粒细小，提高了叶轮的硬度和强度，从而提升了叶轮长期处于高温和高负荷下的性能和使用寿命；解决了叶轮材料自身高反射率和高热导率带来的熔覆层易开裂、易脱落、表面缺陷多等问题。

25、蓝光激光熔覆技术相较于红光等其他激光熔覆技术，可以使用较低的功率来达到需求，更为节能；在生产过程中能够最大程度的熔化熔覆粉末，不会产生大量粉尘与烟雾，其生产模式有利于减少环境污染；在提升叶轮表面性能与寿命的同时，体现节能与环保的优势。