搅拌摩擦焊辅助激光熔覆泵叶轮叶片的修复方法技术

本发明专利技术公开了一种搅拌摩擦焊辅助激光熔覆泵叶轮叶片的修复方法，对叶片的缺损区域进行熔覆处理，选用与叶片具有相似力学性能的熔覆材料，采用激光熔覆工艺对缺损区域进行修复，然后将熔覆后的叶片加热至420℃~500℃，采用搅拌摩擦焊设备对熔覆层与叶片的结合区域进行搅拌摩擦焊接，使结合区形成致密的结合层；最后，将叶片冷却至室温，采用加工中心对叶片进行精加工，直到尺寸满足使用要求。本发明专利技术，搅拌摩擦焊对基体和熔覆层的结合区进行加工，实现组织的均匀化，减少结合区域的缺陷，进一步提高泵叶轮的修复质量。

Repair method of impeller blade of laser cladding pump assisted by FSW

【技术实现步骤摘要】
搅拌摩擦焊辅助激光熔覆泵叶轮叶片的修复方法
本专利技术属于熔覆修复
，具体涉及一种搅拌摩擦焊辅助激光熔覆泵叶轮叶片的修复方法。
技术介绍
激光熔覆技术是表面工程领域中进行表面改性的一项先进技术，是指利用高能激光束在基体材料的表面熔覆一层提高表面性能要求的熔覆层。通过激光束辐照将熔覆材料熔化形成熔池，随后通过散热快速冷却凝固，获得组织细小且与基材实现冶金结合的涂层。搅拌摩擦焊是高速旋转的搅拌头插入工件后沿焊接方向运动，在搅拌头与工件的接触部位产生摩擦热，使搅拌头周围形成塑性金属层，塑性金属层在旋转作用下填充由于搅拌头移动而在后方形成的空腔，塑性金属在搅拌头轴肩与搅拌针的搅拌及挤压作用下实现材料的连接。由于在搅拌摩擦焊过程中，焊缝金属处于塑性状态，没有发生液固相转变，气体溶解度不会发生剧烈的变化，可以有效避免气孔、裂纹等缺陷的出现，焊缝成型质量好。离心式叶轮是泵设备的核心零部件，单件价值量大。在服役过程中，常出现掉块、磨损等失效模式，常用的修复方式有激光熔覆再制造。修复粉末一般选用铁基、钴基和镍基自熔性合金粉末。由于激光熔覆过程中速热速冷，熔覆层和泵叶轮基体材料的温度梯度和热胀系数的差异，容易导致熔覆层结合区缺陷产生，如气孔、微裂纹、夹渣等，该区域的组织也不均匀，性能差异性较大。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种搅拌摩擦焊辅助激光熔覆泵叶轮叶片的修复方法，采用搅拌摩擦焊对基体和熔覆层的结合区进行加工，实现组织的均匀化，减少结合区域的缺陷，进一步提高泵叶轮的修复质量。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术技术方案如下：一种搅拌摩擦焊辅助激光熔覆泵叶轮叶片的修复方法，包括以下步骤：步骤一，对叶片待修复部位进行熔覆前预处理，其中待修复的部位为缺损区域；步骤二，选用与叶片具有相似力学性能的熔覆材料，采用激光熔覆工艺对缺损区域进行修复，其中熔覆方式为沿缺损部位轮廓的长度方向单向多层扫描；步骤三，将熔覆后的叶片加热至420℃~500℃，采用搅拌摩擦焊设备对熔覆层与叶片的结合区域进行搅拌摩擦焊接，使结合区形成致密的结合层；步骤四，将叶片冷却至室温，采用加工中心对叶片进行精加工，直到尺寸满足使用要求。可选地，所述泵叶轮为开放式叶轮。可选地，所述步骤四中，将带有叶片的叶轮放置于开放式热处理炉中，并定位夹紧，通过热处理炉将叶轮整体加热至420℃~500℃，并保温一段时间后，再进行搅拌摩擦焊。可选地，搅拌摩擦焊设备的搅拌头沿熔覆层与叶片的结合缝的方向行进，行进过程中搅拌头与叶片保持垂直。可选地，叶轮材料为20Cr13不锈钢；熔覆材料为铁基自熔合金粉末，以质量百分比计量，碳的含量为0.2-0.8%，铬的含量为15-20%，锰的含量为0.3-0.7%，硅的含量在0.4-1.0%，镍的含量小于等于5%，其余为铁，且铁基自熔合金粉末的粒度在40-100微米。可选地，激光熔覆修复工艺参数为：激光功率为600~1000W；光斑直径0.8~1.2mm；送粉方式为同轴送粉，扫描速度8~12mm/s、送粉率2.0~4r/min；采用氩气保护，其流量为20~25L/min；搭接率为50%。可选地，将叶轮叶片加热至420℃~500℃，并保温10-30分钟后，使用至少五自由度的搅拌摩擦焊机，所使用搅拌头由硬质合金制成，包括直径10~12mm的圆柱头和直径5~7mm无螺纹探针两部分，其中无螺纹探针高度0.5~1.4mm；搅拌头的转速500~1000r/min，行进速率30~60mm/min。可选地，在修复之前还对叶片损伤部位进行评估，可修复叶轮的评价标准为叶片缺损体积小于等于单片叶片的1/3；其中，如果叶片是裂纹缺陷，则将叶片从裂纹处分开，形成缺损区域，叶片缺损体积小于等于单片叶片的1/3。可选地，所述步骤一中，采用手持喷砂处理法将泵叶轮叶片待修复表面的油污、铁锈和其他异物去除，直到表面呈现均匀一致的金属本色，使用乙醇清洗后干燥等待修复。可选地，在步骤四后通过着色探伤、硬度检测、精度检测，确保形成致密结合无缺陷的熔覆层，具体包括：将泵叶轮叶片熔覆区域部位清洗干净，用着色渗透剂对已处理干净的工件表面均匀喷涂后，渗透5-15分钟，然后将着色剂清洗干净，对熔覆区域表面保持距离150mm-300mm均匀喷涂显像剂，喷洒角度为30°-40°，显像时间不小于7分钟；观察熔覆区域无明显线状、圆孔状迹痕，说明熔覆区域无缺陷；使用HV-1000B显微硬度计在加载100g、保压10s的测定条件下对熔覆区域进行硬度测试，检测数值在500HV~600HV说明硬度合格；最后使用三坐标测量仪对熔覆区域进行测量，保证熔覆区精加工后的表面粗糙度及形位误差达到图纸原始要求。本专利技术的有益效果是：本专利技术，能够实现对叶片缺损部位的修复；常规的修复方式，叶片本体与熔覆区之间无论是组织还是力学性能存在明显的界限和梯度，导致熔覆区与叶片本体的结合强度较差，熔覆区域容易出现气孔、夹渣、裂纹等质量问题，影响了设备的安全性能，降低了叶轮的服役寿命；本专利技术采用搅拌摩擦焊技术对基体和熔覆层的结合区进行加工，使得叶片本体、结合区、熔覆区在组织结构上形成阶梯渐变，进一步提高了熔覆层与基体的结合性能，提升了结合区域的组织均匀化程度，减少了结合区域的质量缺陷，进一步提高了泵叶轮的修复质量。附图说明图1为本专利技术叶轮叶片缺损示意图；图2为本专利技术叶片缺损区域的熔覆路径示意图；图3为本专利技术搅拌摩擦焊路径示意图；图4为本专利技术叶轮在开放式热处理炉中的装夹示意图；图5为本专利技术修复方法的工艺流程示意图；图6为搅拌摩擦前后组织对比示意图。具体实施方式以下由特定的具体实施例说明本专利技术的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点及功效。须知，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本专利技术可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更
技术实现思路
下，当亦视为本专利技术可实施的范畴。图1为本专利技术所述叶片的示意图，叶片部分缺损（或称缺块）；本专利技术的修复方法适用于叶片的缺损的情况；当叶片具有裂纹缺陷时，需将叶片从裂纹处分开，形成缺损区域，再进行修复。因而本实施例提供一种搅拌摩擦焊辅助激光熔覆的泵叶轮叶片的修复方法，首先对离心泵叶轮叶片损伤部位进行评估，可修复叶轮的评价标准为一般叶片缺损体积不超过单片叶片的1/3，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：对叶片待修复部位（缺损区域）进行熔覆前预处理；具体是：对离心泵叶轮叶片待修复部位进行喷砂处理，去除其表面油污铁锈等异物，例如可采用手持喷砂处理法将泵叶轮叶片待修复表面的油污、铁锈和其他异物去除，直到表面呈现均匀一致的金属本色，使用乙醇清洗后干燥等待修复。步骤二：选用与叶片具有相似力学性能的熔覆材料，采用激光熔覆工艺对缺损区域进行修本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种搅拌摩擦焊辅助激光熔覆泵叶轮叶片的修复方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，对叶片待修复部位进行熔覆前预处理，其中待修复的部位为缺损区域；/n步骤二，选用与叶片具有相似力学性能的熔覆材料，采用激光熔覆工艺对缺损区域进行修复，其中熔覆方式为沿缺损部位轮廓的长度方向单向多层扫描；/n步骤三，将熔覆后的叶片加热至420℃~500℃，采用搅拌摩擦焊设备对熔覆层与叶片的结合区域进行搅拌摩擦焊接，使结合区形成致密的结合层；/n步骤四，将叶片冷却至室温，采用加工中心对叶片进行精加工，直到尺寸满足使用要求。/n

【技术特征摘要】
1.一种搅拌摩擦焊辅助激光熔覆泵叶轮叶片的修复方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，对叶片待修复部位进行熔覆前预处理，其中待修复的部位为缺损区域；
步骤二，选用与叶片具有相似力学性能的熔覆材料，采用激光熔覆工艺对缺损区域进行修复，其中熔覆方式为沿缺损部位轮廓的长度方向单向多层扫描；
步骤三，将熔覆后的叶片加热至420℃~500℃，采用搅拌摩擦焊设备对熔覆层与叶片的结合区域进行搅拌摩擦焊接，使结合区形成致密的结合层；
步骤四，将叶片冷却至室温，采用加工中心对叶片进行精加工，直到尺寸满足使用要求。


2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊辅助激光熔覆泵叶轮叶片的修复方法，其特征在于：所述泵叶轮为开放式叶轮。


3.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊辅助激光熔覆泵叶轮叶片的修复方法，其特征在于：所述步骤四中，将带有叶片的叶轮放置于开放式热处理炉中，并定位夹紧，通过热处理炉将叶轮整体加热至420℃~500℃，并保温一段时间后，再进行搅拌摩擦焊。


4.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊辅助激光熔覆泵叶轮叶片的修复方法，其特征在于：搅拌摩擦焊设备的搅拌头沿熔覆层与叶片的结合缝的方向行进，行进过程中搅拌头与叶片保持垂直。


5.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊辅助激光熔覆泵叶轮叶片的修复方法，其特征在于：叶轮材料为20Cr13不锈钢；熔覆材料为铁基自熔合金粉末，以质量百分比计量，碳的含量为0.2-0.8%，铬的含量为15-20%，锰的含量为0.3-0.7%，硅的含量在0.4-1.0%，镍的含量小于等于5%，其余为铁，且铁基自熔合金粉末的粒度在40-100μm。


6.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊辅助激光熔覆泵叶轮叶片的修复方法，其特征在于：激光熔覆修复工艺参数为：激光功率为600~1000W；光斑直径1mm；送粉方式为同轴送粉，扫描速度8~12mm/s、送粉率2.0~4r/min；采...

【专利技术属性】
技术研发人员：许磊，周志杰，杜彦斌，李方忠，曹华军，
申请(专利权)人：重庆工商大学，重庆水泵厂有限责任公司，重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50