蓋 欣，陳浩瀚，丁 濤，陳恬曦，朱勇輝

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都）

引言

某核電機(jī)組處于強(qiáng)潮汐河口，其海水循環(huán)泵葉輪的服役環(huán)境為含有大量細(xì)沙和腐蝕性介質(zhì)的固液兩相流。受海水長(zhǎng)期沖刷作用，葉輪表面出現(xiàn)魚鱗狀、溝犁狀缺陷，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)貫穿失效[1]，影響了循環(huán)泵的服役壽命，制約了核電機(jī)組運(yùn)行的安全性與可靠性。

針對(duì)受損葉輪的傳統(tǒng)修復(fù)方式為熱噴涂法及電弧堆焊法，其中，熱噴涂法所制備的修復(fù)層中孔洞缺陷較多，且難以與基體形成冶金結(jié)合，仍會(huì)面臨修復(fù)層剝落的問題；電弧堆焊法較高的熱輸入量導(dǎo)致修復(fù)后的基體稀釋量較高且熱影響區(qū)較大導(dǎo)致性能降低、殘余應(yīng)力較高引起基體變形。激光熔覆技術(shù)因具有熱輸入量低、對(duì)基體變形量小、熱影響區(qū)小、加工余量小等優(yōu)點(diǎn)而逐漸應(yīng)用于航空、石油、化工、能源等工程領(lǐng)域[2]。

國內(nèi)外學(xué)者研究了激光功率、掃描速度、送粉速率等關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)鎳基合金的成形質(zhì)量微觀組織的影響規(guī)律[3]，如采用不匹配的工藝參數(shù)，將在熔覆層內(nèi)引入裂紋、氣孔、未熔合等缺陷，制約了熔覆層綜合性能。In625 鎳基合金因含有較高的Cr、Mo 含量，作為耐磨損、耐腐蝕涂層廣泛應(yīng)用于高溫環(huán)境及海洋環(huán)境[4]，因此，將其作為核電機(jī)組海水循環(huán)泵葉輪的修復(fù)材料有望提升受損葉輪的耐腐蝕性能，延長(zhǎng)葉輪的服役壽命。

綜上所述，本研究以某核電機(jī)組海水循環(huán)泵葉輪用1.4468 雙相不銹鋼為基體，以In625 合金為修復(fù)材料，開展激光熔覆工藝試驗(yàn)，探索成形質(zhì)量良好的激光熔覆工藝參數(shù)，總結(jié)關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)熔覆層熔高、熔深、熔寬及稀釋率的影響規(guī)律，為后續(xù)開展熔覆層性能評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 設(shè)備

采用中科煜宸激光熔覆集成系統(tǒng)開展激光熔覆試驗(yàn)，該系統(tǒng)集成了Laserline 激光器（功率≤4 000 W，聚焦光斑為3 mm）、六軸KUKA 機(jī)器人、同軸四路送粉熔覆頭、四路送粉器、保護(hù)氣系統(tǒng)、雙軸變位機(jī)、機(jī)器人控制柜、輔機(jī)（穩(wěn)壓電源、水冷機(jī)、空調(diào)等）。

1.2 材料

選擇海水循環(huán)泵葉輪材料鑄態(tài)1.4468 雙相不銹鋼作為基體材料，其化學(xué)成分見表1，基體材料尺寸為300×300×30 mm，熔覆材料為In625 合金粉末，粉末粒度為53～150 μm，成分見表2。

表1 1.4468 雙相不銹鋼基體化學(xué)成分（wt.%）

表2 In625 合金粉末化學(xué)成分（wt.%）

1.3 工藝試驗(yàn)

1.3.1 單道熔覆工藝

激光熔覆前，將In625 合金粉末置于真空干燥箱中以120 ℃恒溫干燥2 h。將基板表面進(jìn)行磨光、清洗、干燥處理。選用高純氬氣（≥99.99%）作為送粉氣和保護(hù)氣，送粉氣流量為7.5 L/min，保護(hù)氣流量為25 L/min。本研究中掃描速率為定值，選用600 mm/min，控制送粉速率和激光功率兩個(gè)關(guān)鍵變量，其中，送粉速率參數(shù)范圍為0.5～1.0 r/min，送粉速率1 r/min 的送粉量為7.11 g。激光功率參數(shù)范圍為1 200～2 000 W，工藝試驗(yàn)參數(shù)見表3。

表3 單道熔覆工藝試驗(yàn)參數(shù)

表征單道熔覆層成形質(zhì)量的參數(shù)主要有熔高h(yuǎn)1、熔深h2、熔寬W 以及稀釋率η。具體定義見圖1，稀釋率是指在激光熔覆過程中由于基材熔化而引起熔覆層合金成分的變化，其計(jì)算公式為：

圖1 激光熔覆區(qū)域

1.3.2 多道熔覆工藝

依據(jù)前期探索經(jīng)驗(yàn)，選用33.33%作為多道激光熔覆的搭接率。從單道激光熔覆試驗(yàn)中選擇5 個(gè)工藝參數(shù)，繼續(xù)研究多道搭接情況下熔覆層的成形質(zhì)量，具體工藝參數(shù)見表4。

表4 多道熔覆工藝試驗(yàn)參數(shù)

1.4 微觀組織表征

采用線切割技術(shù)加工熔覆后的試樣，鑲嵌后分別采用120#、320#、800#、2 000#砂紙依次打磨，再拋光呈鏡面后依次采用無水乙醇、清水將樣品清洗干凈。采用10%草酸溶液電解腐蝕試樣，干燥后，采用金相光學(xué)顯微鏡觀察樣品的微觀組織，并測(cè)量熔高、熔深與熔寬。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單道熔覆層宏觀形貌

單道熔覆層的宏觀形貌及截面形貌見圖2，宏觀形貌無顯著差異，結(jié)合截面形貌，單道熔覆層成形質(zhì)量良好，無明顯氣孔、微裂紋、未熔合等缺陷，熔覆層與基體邊界清晰。工藝參數(shù)為3#、5#、6#、7#、10#、11#的單道激光功率較高，熔化In625 粉末及基體形成熔池時(shí)產(chǎn)生了較高的熱輸入，基體熔化更多，導(dǎo)致熔覆層與基體的邊界呈“碗狀”結(jié)構(gòu)；工藝參數(shù)為1#、2#、4#、8#、9#的單道，由于激光功率較低，激光能量主要作用于In625 粉末，極少作用于基體，因此熔覆層與基體的邊界呈“齊平狀”結(jié)構(gòu)。

圖2 單道熔覆層表面宏觀形貌與截面形貌

2.2 單道熔覆層的熔高、熔深、熔寬及稀釋率分析

將圖2 中的單道截面在金相顯微鏡下進(jìn)行熔高、熔深及熔寬測(cè)量，并根據(jù)公式計(jì)算單道熔覆層稀釋率，結(jié)果見表5。

表5 不同工藝參數(shù)下熔高、熔深、熔寬及稀釋率

依據(jù)表5 中的數(shù)據(jù)，分別作出激光功率、送粉速率對(duì)單道熔覆層的熔高、熔深、熔寬、稀釋率的影響趨勢(shì)圖，見圖3- 圖4。圖3(a)為不同送粉速率下，激光功率對(duì)熔高的影響，總體而言，送粉速率為0.5 r/min 及0.75 r/min 時(shí)，熔高隨激光功率增大呈增高趨勢(shì)，送粉速率為1.0 r/min 時(shí)，熔高曲線出現(xiàn)波動(dòng)，說明當(dāng)送粉速率增大到一定程度后，影響熔高的主要因素不再僅是激光功率。此外，單道熔覆層的熔深、熔寬、稀釋率均隨激光功率增加而呈增大趨勢(shì)，主要原因在于固定掃描速率情況下，激光功率越大，單位面積提供的能量越多，熔池對(duì)流作用增強(qiáng)，熔池體積更大，熔寬增大。此外，粉末充分熔化的同時(shí)，激光能量也作用于基體，使得熔深增加，稀釋率增加。

圖3 激光功率對(duì)單道熔覆成形質(zhì)量的影響：（a） 熔高；（b） 熔深；（c） 熔寬；（d） 稀釋率

圖4 送粉速率對(duì)單道熔覆成形質(zhì)量的影響：（a） 熔高；（b） 熔深；（c） 熔寬；（d） 稀釋率

如圖4 所示，隨著送粉速率增加，單道熔覆層熔高逐漸增大，熔深及稀釋率逐漸降低，熔寬整體呈下降趨勢(shì)但略有波動(dòng)。分析原因主要是由于隨著送粉速率逐漸增加，單位面積內(nèi)的粉末量逐漸增多，熔池內(nèi)粉末量增多，在掃描速度一定的情況下，較快的熔池凝固速度使熔覆層未來得及在基體表面鋪展開，因此熔高增加；相比于1 800 W 激光功率，1 400 W 激光功率不足以將增多的粉末完全熔化，導(dǎo)致熔覆寬度減?。淮送?，由于粉末量增多，激光功率多作用于熔化粉末，作用于基體能量減少，因此熔深與稀釋率減小。

值得注意的是稀釋率會(huì)直接影響熔覆層的成形質(zhì)量，如果稀釋率η 太小，則熔覆層與基體之間的冶金結(jié)合強(qiáng)度較低，導(dǎo)致熔覆層容易脫落；但如果稀釋率η 太大，將導(dǎo)致熔覆層成分被基體大量稀釋，影響熔覆層的性能。因此，選擇合適的稀釋率η 尤為重要[5]。本研究選擇稀釋率在30%～60%的工藝參數(shù)，繼續(xù)開展多道熔覆工藝試驗(yàn)。

2.3 多道激光熔覆層宏觀形貌及厚度、熔深分析

以表4 中激光熔覆工藝參數(shù)開展多道熔覆工藝試驗(yàn)，固定掃描速率600 mm/min 與搭接率33%，以激光功率和送粉速率為變量。多道熔覆層宏觀形貌見圖5，表面成形質(zhì)量無明顯差異。切取截面后采用金相顯微鏡觀察截面形貌，并測(cè)量熔覆層厚度及熔深。如圖5所示，各工藝參數(shù)下，熔覆層內(nèi)均無缺陷，基體與熔覆層界面清晰。14#、15#與16#工藝參數(shù)下，熔覆層與基體界面呈波紋狀，熔深更大，熔覆層內(nèi)熔入的基體更多；12#與13#工藝參數(shù)下，熔覆層與基體界面近似水平，熔覆層平直度更優(yōu)異，考慮相同送粉速率（0.5 r/min）下的熔覆層厚度，13#工藝參數(shù)熔覆層厚度更大，熔覆效率更高，作為本研究的優(yōu)選工藝參數(shù)。

圖5 多道熔覆層形貌及熔覆層厚度、熔深

2.4 多道熔覆層微觀組織分析

將13#工藝參數(shù)下的熔覆層開展微觀組織分析，見圖6，熔覆層的微觀組織主要為枝晶。在熔覆層底部，由于基體材料的激冷作用，熔池?zé)崃垦卮怪庇诨w表面方向向下散失，最大溫度梯度方向與熱量散失方向相反，因此熔覆層內(nèi)枝晶的生長(zhǎng)方向近似垂直于基體表面；在熔覆層中部，枝晶尺寸明顯增大；在熔覆層頂部，熔池表面散熱為多方向，粉末冷卻速度快，在成分過冷作用下，促進(jìn)等軸晶和細(xì)小樹枝晶形成。

圖6 熔覆層截面金相組織：（a） 整體；（b） 底部；（c） 中部；（d） 頂部

3 結(jié)論

本研究以鑄態(tài)1.4468 雙相不銹鋼為基體，對(duì)不同工藝參數(shù)下的激光熔覆In625 鎳基合金熔覆層的成形質(zhì)量及微觀組織進(jìn)行了表征，得到結(jié)論如下：

（1） 保持送粉速率不變，隨著激光功率增加，單道熔覆層熔寬、熔深及稀釋率均增加；保持激光功率增加，隨送粉速率增加，單道熔覆層熔高增加，熔深、熔寬及稀釋率下降。

（2） 在搭接率為33%下，綜合考慮表面成形質(zhì)量與熔覆層厚度，多道激光熔覆層優(yōu)選參數(shù)為：激光功率1 400 W，掃描速率600 mm/min，送粉速率0.5 r/min。

（3） In625 合金熔覆層微觀組織主要由枝晶構(gòu)成，且由于受熱及冷卻過程不同，熔覆層底部、中部、頂部微觀組織存在差異。