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        激光熔覆技術(shù)在半浸槳裝置中的應(yīng)用

        2023-10-10 08:34:36王森金桑為上劉振宇
        機(jī)電信息 2023年19期
        關(guān)鍵詞:基材粉末涂層

        王森金 劉 兵 桑為上 劉振宇

        (1.中國船舶科學(xué)研究中心,江蘇 無錫 214082;2.上海申蘇船舶修造有限公司,上海 200949)

        0 引言

        半浸式螺旋槳(簡稱半浸槳,又稱表面槳),是一種在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一半槳葉浸入水中而能正常工作的螺旋槳。半浸槳推進(jìn)裝置是一種使用半浸式螺旋槳進(jìn)行工作的高速船用驅(qū)動裝置,在高航速和淺吃水航行的船舶中得到廣泛應(yīng)用。

        1 激光熔覆技術(shù)相關(guān)內(nèi)容概述

        激光熔覆技術(shù)是基于激光這一能量體發(fā)展而來的技術(shù),其發(fā)展過程伴隨著激光器具的發(fā)展,經(jīng)歷了固體YAG有色寶石激光器—CO2氣體激光器—半導(dǎo)體激光器幾個(gè)發(fā)展階段。其工作原理如下:將激光束作為主要熱源,集中加熱后可以將合金粉末或絲材與基體表面進(jìn)行同時(shí)熔化,等待其快速凝固后,會在原來位置形成與基體充分結(jié)合的表面熔覆層,從而達(dá)到改善基體的耐磨性、耐腐蝕性、抗氧化性等性能的作用[1]。

        2 半浸槳裝置中槳軸磨損問題分析

        半浸槳推進(jìn)裝置槳軸材料選用022Cr23Ni5Mo3N(2205)雙相不銹鋼,具有較高的抗腐蝕性,強(qiáng)度高,有足夠的塑韌性,是高速艇槳軸首選材料之一,但其表面硬度不高,洛氏硬度HRC22~30。

        保養(yǎng)時(shí)拆解后發(fā)現(xiàn)槳軸支架端的油封處出現(xiàn)磨損,檢測后有0.1~0.23 mm不等的凹槽,如圖1所示。

        圖1 槳軸磨損圖

        3 激光熔覆技術(shù)在半浸槳裝置中的應(yīng)用方法

        針對以上槳軸表面油封處硬度偏低易磨損的問題,擬采用特殊的工藝增強(qiáng)槳軸油封處的表面硬度,提高耐磨性,延長使用壽命。經(jīng)調(diào)研,常用的軸系修復(fù)工藝有噴涂和激光熔覆(表1),但并沒有對2205材料進(jìn)行修復(fù)使用的工程案例。

        表1 軸系修復(fù)工藝及材料特性

        噴涂是通過噴槍或蝶式霧化器,借助于壓力或離心力,將鍍層材料分散成均勻而微細(xì)的霧滴,施涂于被涂物表面的涂裝方法[2]。

        激光熔覆是通過激光與配置的合金粉末同步作用于金屬表面(基材)的方法,熔覆層組織致密,無氣孔、裂紋等缺陷,與基體形成冶金結(jié)合層,具有焊接部位熱影響區(qū)小、不變形等特點(diǎn),從而能達(dá)到修復(fù)強(qiáng)化工件(基材)表面、延長工件壽命的效果[3]。

        為選出合適的材料和工藝,通過加工試樣檢測不同方案的熔覆能力、耐海水腐蝕性和耐磨性,最終確定改進(jìn)實(shí)施方案。

        3.1 熔覆層檢測

        將表1中的三種粉末合金材料采用相應(yīng)的工藝在基材2205雙相不銹鋼表面處理后檢測它的表面硬度、熔覆層厚度和結(jié)合力。圖2中1#件采用高溫噴涂工藝,材料為碳化鉻(Cr3C2)涂層;2#、3#件采用激光熔覆工藝,材料分別為鈷基司太立粉末合金(Stellite6)和鎳基碳化鎢粉末合金(NiWc)。

        圖2 檢測試樣

        1#試樣檢測軸檢驗(yàn)結(jié)果(碳化鉻Cr3C2、噴涂工藝):

        表面硬度:643HV0.5、659HV0.5、685HV0.5、672HV0.5。

        涂層厚度:平均0.238 mm。

        表層梯度硬度如圖3所示,曲線變化比較大,檢測樣軸縱向截面,表面涂層及基體未見明顯缺陷。

        圖3 1#試樣檢測軸梯度硬度

        試樣1檢測軸表面涂層,微觀可見有麻點(diǎn)及細(xì)小裂紋缺陷,如圖4所示。

        圖4 1#試樣檢測軸表面涂層微觀圖

        2#試樣檢測軸檢驗(yàn)結(jié)果(鈷基司太立粉末合金Stellite6、激光熔覆工藝):

        表面硬度:596HV0.5、613HV0.5、614HV0.5、597HV0.5。

        涂層厚度:平均0.523 mm。

        表層梯度硬度如圖5所示,曲線變化較小,檢測樣軸縱向截面,表面涂層及基體未見明顯缺陷。

        圖5 2#試樣檢測軸梯度硬度

        激光對母材熱影響區(qū)深度平均值:5.89 μm,如圖6所示。

        圖6 2#試樣檢測軸熱影響區(qū)形貌圖

        3#試樣檢測軸檢驗(yàn)結(jié)果(鎳基碳化鎢粉末合金NiWc、激光熔覆工藝):

        表面硬度:460HV0.5、464HV0.5、473HV0.5、474HV0.5。

        涂層厚度:平均0.628 mm。

        表層梯度硬度如圖7所示,硬度曲線變化平穩(wěn),檢測樣軸縱向截面,表面涂層及基體未見明顯缺陷。

        圖7 3#試樣檢測軸梯度硬度

        激光對母材熱影響區(qū)深度平均值:10.7 μm,如圖8所示。

        圖8 3#試樣檢測軸熱影響區(qū)形貌圖

        3.2 熔覆層耐海水腐蝕性試驗(yàn)

        本次試驗(yàn)共加工了三組試樣,將配置的不同粉末合金材料通過激光熔覆在基材2205雙相不銹鋼表面,將基材表面與銅合金捆綁后同時(shí)放入海水中進(jìn)行電化腐蝕試驗(yàn),檢測海水對基材耐腐蝕性。2021年5月15日開始在廣東汕尾海域進(jìn)行試驗(yàn),如圖9、圖10所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知,各方案材料耐海水腐蝕性能良好,其中碳化鉻、鎳基碳化鎢粉末合金表現(xiàn)較好。

        圖9 海水浸泡90天左右試樣

        圖10 經(jīng)過沖洗后的試樣

        3.3 熔覆層耐磨性試驗(yàn)

        通過耐磨性試驗(yàn)考核不同材料的使用壽命。

        采用兩種粉末合金材料(碳化鉻、鎳基碳化鎢粉末合金)在試驗(yàn)轉(zhuǎn)軸兩端表面油封處分別進(jìn)行噴涂和激光熔覆工藝處理,將處理好的試驗(yàn)轉(zhuǎn)軸安裝在試驗(yàn)裝置上。

        將試驗(yàn)裝置安裝在試驗(yàn)臺架上,通過電機(jī)帶動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),電機(jī)工作轉(zhuǎn)速:1000~1800 r/min。在試驗(yàn)臺架中配置了人工海水,按天然海水的鹽度3.4%~3.5%比例進(jìn)行配置。

        拆解連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)1200 h后的轉(zhuǎn)軸,檢測轉(zhuǎn)軸油封處磨損深度在0.01~0.04 mm,即采用修復(fù)工藝后可大幅延長轉(zhuǎn)軸使用壽命。

        4 試驗(yàn)結(jié)論

        通過熔覆能力、耐海水性能、耐磨性等檢測試驗(yàn)可知,將上述三種不同粉末合金材料應(yīng)用于基材2205雙相不銹鋼的表面修復(fù),鎳基碳化鎢粉末合金(NiWc)材料綜合效果較好。通過××艇1000 h實(shí)船應(yīng)用和考察跟蹤,拆解后檢測槳軸油封處只有輕微磨損,深度低于0.03 mm,所以采用鎳基碳化鎢粉末合金(NiWc)材料的激光熔覆技術(shù)適用于槳軸局部區(qū)域的修復(fù)。

        5 結(jié)束語

        綜上所述,激光熔覆技術(shù)具有良好的應(yīng)用價(jià)值,通過整理該技術(shù)在半浸槳裝置磨損修復(fù)過程中的應(yīng)用要點(diǎn),不僅可以加快該技術(shù)的應(yīng)用速度,而且能夠提高技術(shù)的應(yīng)用效果,提高處理后半浸槳裝置的綜合效益。

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