K4208合金在低壓渦輪轉子葉片葉冠耐磨合金焊接的應用的製作方法
2023-04-29 10:05:01
本發明涉及焊接方面技術領域，具體地說是涉及K4208合金在低壓渦輪轉子葉片葉冠耐磨合金焊接方面的應用。
背景技術：
RD-93發動機是俄羅斯較為先進第3代航空發動機，在引進修理技術時受到限制，特別是先進的焊接、表面工程和熱處理等關鍵的特種工藝更為嚴格控制，這些工藝的引進受到俄羅斯國防技術出口限制，低壓渦輪葉片葉冠耐磨合金焊接工藝為限制技術出口之一。而RD-93發動機原裝的低壓渦輪葉片上的耐磨塊測試硬度在HV600以上,，耐磨塊經化學成分分析，其成分與K4208合金相同。K4208耐磨合金應用研究鮮有報導，國產發動機渦輪葉片葉冠耐磨層多採用堆焊工藝，其耐磨材料為CoCrMo/CoCrW材料。我國某型新研製渦扇發動機機低壓渦輪葉片葉冠耐磨層採用堆焊接K4208合金，其平均硬度為HV550左右。K4208合金鑄造高溫合金，其基體的硬度為約為HV480，有優異高溫抗氧化性能和高溫硬度穩定性能，主要特點有熔點高，硬度、高溫拉伸強度和持久性能好，耐磨性好膨脹係數小，可焊性性好。
因此，國內現有焊接工藝不能滿足RD-93發動機低壓渦輪葉片的修理，必須進行焊接工藝的開發。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供K4208合金在低壓渦輪轉子葉片葉冠耐磨合金焊接方面的應用。
為了解決上述技術問題，本發明的技術方案為：1、K4208合金在低壓渦輪轉子葉片葉冠耐磨合金焊接方面的應用；2、K4208合金在RD-93發動機低壓渦輪葉片葉冠焊接方面的應用。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：1、採用脈衝寬電流焊接K4208耐磨塊具有均勻的枝晶組織，融合區小於0.5mm，硬度在HV600以上，採用該工藝焊接耐磨層有利於去除和重新修理；2、採用脈衝寬流量焊接K4208耐磨層性能與俄制的ВЖЛ2-ВИ耐磨合金相近，可用採用脈衝寬流量焊接K4208合金替代ВЖЛ2-ВИ耐磨合金用於修理低壓渦輪葉片葉冠的修理。
附圖說明
圖1耐磨低壓渦輪葉片葉冠耐磨塊焊接示意圖；
圖2半自動化低壓渦輪轉子葉片葉冠耐磨塊焊接輔助系統的結構示意圖；
圖3原始粗晶局部組織形貌；
圖4 K4208焊接後的典型組織；
圖5焊點交接位置未融合形貌(電流80A)；
圖6交接位置基體晶界局部加粗典型形貌(電流150A)；
圖7交接位置局部輕微開裂典型形貌(電流160A)。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步說明。在此需要說明的是，對於這些實施方式的說明用於幫助理解本發明，但並不構成對本發明的限定。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
本實施例中的K4208合金為現有技術，來自北京鋼鐵研究院總院。
1、試驗
1.1試驗設備
顯微維氏硬度計：恆一EM-1000VP，硬度檢測：試驗載荷為300g，壓頭加載時間10S；顯微鏡：德國蔡司電子顯微鏡；
1.2、耐磨塊的製備
按照RD-93發動機低壓渦輪葉片焊接的耐磨合金要求，將K4208合金採用普通的線切割將成符合焊接用的尺寸5.2x4.5x1.5mm，在HCl+FeCL3+HNO3溶液進行5-10min酸洗去除線切割電腐蝕層，製備成滿足發動機修理焊接要求，最好，該混合溶溶液中HCl、FeCL3和HNO3的體積比為：1:1:1，當然也可以按照實際要求進行配製。
1.3、焊接工藝
採用脈衝寬電流焊接，用半自動化低壓渦輪轉子葉片葉冠耐磨塊焊接輔助系統進行焊接，如圖1所示，該半自動化低壓渦輪轉子葉片葉冠耐磨塊焊接輔助系統，包括工作檯1、微電腦控制器2、支架3、伺服電機5、絲槓組合件6、夾具組合件10，其中微電腦控制器2，伺服電機5、絲槓組合件6、夾具組合件10均未現有技術，夾具組合件10固定在工作檯1上，用於固定低壓渦輪葉片，工作檯1上設有支架導軌13；支架3底部固定在支架導軌13上，這樣支架3便能在支架導軌13上前後滑動；支架3的左右支柱上分別設有豎導軌4；支架3頂部設有伺服電機5；伺服電機5通過絲槓組合件6與後支承板7連接；後支承板7通過螺釘與前壓板9固定連接；後支承板7與橫導軌8固定連接；橫導軌8固定在橫梁11上；橫梁11兩端連接滑塊12；滑塊12固定在豎導軌4，並能沿豎導軌4上下滑動；微電腦控制器2與伺服電機5電性連接，為了便於操作微電腦控制器2固定在工作檯1上；該微電腦控制器2與焊接設備(圖中未畫出來)電性連接。
具體操作如下：
(一)、設備調整：
1、焊槍的固定和調整：焊槍通過前壓板9進行固定在橫梁11上，調整垂直於工作檯1工作面；
2、低壓渦輪葉片的固定和調整：低壓渦輪葉片通過夾具組合件10進行固定，通過夾具上固定螺釘對葉片位置進行調整和固定，保證葉片葉冠面與工作檯1平行；
3、焊槍和葉片焊接表面的調整焊接工藝參數的調整：完成1和2工作後，調整支架3和後支承板7，保證焊接的鎢電極垂直指向低壓渦輪葉片葉冠焊接面的中心，並對支架3後支承板7進行固定，然後調節焊接工藝參數，焊接參數見表1，
表1焊接工藝參數
2、結果與分析
2.1焊接距離
一般要求焊接距離在不影響焊接的情況下，距離應儘量減小，焊接距離過大會造成起弧難和斷弧。低壓渦輪葉片焊接方式見圖1，由圖可見焊接過程中，耐磨塊是平放在葉冠臺階，電極固定不動，焊接時，耐磨塊由於體積小，處於加熱中心，首先被加熱熔化，葉片體積大，由於金屬熱傳導作用，基體表面與耐磨塊到達熔點溫度時間上有差異，首先被加熱熔化的耐磨塊加熱成液體時，在表面張力的作用下會形成球形，耐磨塊材料尺寸為4.5x5.2x1.5mm，當熔化形成球形時，不考慮固液密度的變化，根據球的體積公式V＝4πr3/3計算，此時球的直徑為4.2mm，與電極的距離僅為0.3mm，所以很容易和焊接的電極粘接短路，焊接中斷。當焊接距離小於3mm時，焊接時容易造成耐磨合金粘接電極短路，焊接中斷，耐磨塊焊接報廢。所以實際的焊接時焊接距離應在3mm以上。所以焊接距離規定為3+0.5mm。
2.2焊接電流
2.2.1焊接電流對硬度的影響
使用粗晶材料進行焊接電流對硬度的影響，焊接後進行硬度檢測，硬度見表2，焊接後，耐摩擦的硬度平均在HV650左右，硬度隨電流的增大而硬度降低。隨機選取了一個焊點(電流為140A)由表及裡等步距(300um)地進行了顯微硬度檢查，檢查結果見表3，整個焊接耐磨塗層的硬度較為均勻，而且對焊接對基體的組織基本不影響。硬度測試結果為500的位置(距離焊點表面1800um處)，正好處在焊點與基體材料的交界面上。
表2焊接電流對硬度的影響
表3由表及裡等步距硬度檢查結果(HV0.3)
2.2.2電流對組織的影響
將硬度檢查中所用的金相試樣直接腐蝕，原始K4208合金組織焊料邊緣位置和中部位置的白色碳化物形貌以棒狀、鏈狀及島狀為主，交接位置的碳化物以塊狀為主，有明顯鑄造疏鬆組織，見圖3；對兩個位置的碳化物進行能譜成分分析，發現邊緣和中部位置的碳化物Ti、Fe、Ni高於交接位置的碳化物，而W、Mo含量低於交接位置的碳化物。焊接後K4208耐摩擦基本無內部缺陷，消除了原始組織的疏鬆，碳化物更為細小且分散均勻，組織細小均勻的枝晶組織，焊接後典型K4208合金組織見圖4。對不同電流焊點的中部和邊緣進行能譜成分分析，各區域的成分相近，與基體組織成分相似。
電流低壓100A時，焊接面的對含表面的汙染較為敏感，容易產生耐磨層與基體未融合現象，見圖5；各參數焊點均有不同程度的晶界粗化及開裂現象，對電流參數在120A以下的焊點，裂紋在焊點上的延伸較小。電流超過140A時，基體熔蝕深度較大，晶界粗化及開裂現象較為明顯，見圖6、圖7。焊接電流不同，對焊點的基體溶蝕深度也略有不同，趨勢上小電流、短通電時間的參數基體溶蝕深度淺，但熔滴流動性相對較差(焊點呈球形)；在相同焊接時間為10s下，焊接電流對融合深度見表4。
綜合考慮焊接K4208合金抗耐磨性能和對基體的影響，焊接電流在100-140A為宜。
表4焊接電流對融合深度的影響
2.3焊接時間
焊接時間少於5s時間，K4208合金耐磨塊焊接時容易出現融合不完整，焊接時間在7-13S為宜。在相同的工藝參數下，電流小於100A時，多次焊接對K4208耐磨合金的硬度影響較小，焊接時間的加長，融合深度增加，增加對基體晶界粗化的影響。在電流高於140A時，焊接時間延長，焊接K4208耐磨合金的硬度出現降低的趨勢，焊接時間增加到30s時，焊接後的硬度平均下降為HV50，同時對基體晶界粗化的影響增大，易出現晶間裂紋。因此，焊接時間在7～13s為宜。
2.4焊接工藝
通過對脈衝寬流量焊接試驗，綜合焊接K4208耐磨塊硬度、組織形態和對焊接基材的影響，其焊接工藝參數為見表5。在推薦的工藝參數下，對比焊接K4208耐磨合金和俄制的ВЖЛ2-ВИ耐磨合金，其組織形態、硬度相近，對基體的影響相似。因此可以認為制定的工藝參數可以用於K4208耐磨合金替代俄制耐磨合金ВЖЛ2-ВИ進行修理成為可能。
表5焊接工藝參數
3、結論
(1)採用脈衝寬流量焊接K4208耐磨塊均勻的枝晶組織，融合區區小於0.5mm硬度在HV600以上，採用為工藝焊接耐磨層有利於去除和重新修理。
(2)採用脈衝寬流量焊接K4208耐磨層性能與俄制的ВЖЛ2-ВИ耐磨合金相近，可用採用脈衝寬流量焊接K4208合金替代ВЖЛ2-ВИ耐磨合金用於修理低壓渦輪葉片葉冠的修理。
以上結合附圖對本發明的實施方式作了詳細說明，但本發明不限於所描述的實施方式。對於本領域的技術人員而言，在不脫離本發明原理和精神的情況下，對這些實施方式進行多種變化、修改、替換和變型，仍落入本發明的保護範圍內。