FV520b钢熔覆再制造层冲蚀磨损规律及机理研究

【摘要】：离心式压缩机在国民生产、生活,国防军事领域方面扮演重要的角色。随着我国绿色循环经济发展的推进,国家越来越重视研究蕴藏着高附加值的损伤叶片的再制造,损伤叶轮的再制造是解决我国能源匮乏、实现节能减排的重要途径。由于再制造叶片服役环境与原设备相同,冲蚀损伤是导致气固两相介质叶轮及再制造叶轮失效的重要原因。开展叶片再制造及其熔覆层的冲蚀损伤评价及机理研究,对于维护再制造离心式压缩机组及现场员工安全,保工程价值及工厂利益都具有深远意义。为此,本文依托国家重点基础研究发展计划(973计划)项目,利用化学成分与母材一致的金属芯焊丝及粉末分别利用钨极氩弧焊(Tungsten Inert Gas welding)熔覆技术(下面简称TIG熔覆)及激光技术法制备熔覆层。研究熔覆再制造层的组织及物理机械性能,并分析组织及性能差异的内在原因。针对高速超细粒子冲蚀熔覆层研究缺乏的问题,研究多种因素影响下的冲蚀磨损规律及冲蚀机理。针对冲蚀率数学模型可移植性差问题,基于粒子弹塑性碰撞模型建立可预测最大冲蚀角及各因素影响的数学模型。针对不同熔覆层冲蚀表面特性变化规律及其对其他损伤的影响的研究缺乏,研究熔覆层在不同冲蚀环境下的冲蚀深度、表面质量、表面/亚表面硬度、冲蚀表面残余应力等变化规律及其形成机制。利用激光熔覆及TIG熔覆技术在FV520B钢制备与材料成分相同的熔覆层,并对TIG熔覆层分别进行470℃及615℃回火,所得高质量的熔覆层与母材实现高强度冶金结合;激光熔覆层硬度、耐摩擦磨损性能均有提升,经回火处理所得的TIG再制造熔覆层微观组织、硬度、摩擦性能同基材近似,且分布均匀。不同再制造技术的熔覆试件拉伸断裂位置不同,均为薄弱环节。除FV520B-S激光熔覆,其他熔覆层、热影响区、母材间性能过渡平滑。研究冲蚀时间、冲蚀角度、冲蚀速度、超细粒径等因素对熔覆层冲蚀过程的影响趋势,揭示再制造熔覆层的冲蚀机理。熔覆层冲蚀率均随着冲蚀角度的增大,呈先增加后减少的趋势,且随着熔覆层硬度的提高,最高冲蚀点向高角度方向移动。30°左右低角冲蚀时,硬度较高的激光熔覆层的抗冲蚀能力较低。低角度粒子冲蚀磨损的机制是微切削,耐冲蚀性随熔覆层的硬度的增加而提高,高角度粒子冲蚀,塑性材料经反复塑性变形后硬化剥落或折断去除,抗冲蚀性能随硬度的增加而降低。为了用数学模型描述塑性材料的冲蚀行为及变化规律,利用弹塑性理论建立粒子冲击靶材的碰撞接触模型,获得基于冲蚀机理的冲蚀率计算公式。创建模型可预测多种熔覆层最大冲蚀角,与实际试验结果相一致。同时,该模型可以拓展到没有形成抗冲蚀的硬质相及碳化物尺寸塑性材料的冲蚀预测。通过研究熔覆层冲蚀表面特性发现:由于较高的冲蚀粗糙度会促进表面疲劳等损伤,当角度低于30°,激光熔覆层的抗冲蚀能力及冲蚀的表面质量都较好,因此再制造区域为30°冲蚀角以下的冲蚀损伤,当采用激光熔覆进行再制造。再制造区域的冲蚀角度超过30°时,若再制造因疲劳掉块损伤的叶片,当以冲蚀后更好的表面质量为主,进行激光熔覆再制造;若修复冲蚀减薄叶片,当以抗冲蚀性能为主,进行TIG熔覆后热处理再制造。而冲蚀硬化可抑制表面腐蚀和表面疲劳损伤,粒子冲击均会在浅表层产生一个硬化层,在冲蚀率较高的区域,由于表面易被去除导致表面及亚表面塑性变形积累不完全,从而呈现较低的冲蚀硬化。残余应力会影响材料的疲劳强度、抗脆断等能力,在低于60°冲蚀角时,冲蚀表面整体呈现残余拉应力,接近正向冲蚀,呈现为残余压应力,熔覆层越硬,无论是产生的残余拉、压应力都较高。