在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，關(guān)鍵零件的性能對設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)起重要的作用，磨損和腐蝕是機(jī)械關(guān)鍵零部件兩大主要的失效形，由此造成的損失非常巨大。據(jù)美國國家材料政策委員會的一份研究報(bào)告中說明:美國每年花費(fèi)近千億美元的巨額資金，來彌補(bǔ)摩擦磨損引起的零件損失。其中材料部分的損失為兩百億美元。在歐洲的英國，每年因?yàn)槟Σ聊p造成的損失在五億英鎊以上;八十年代我國調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)我國因腐蝕造成的損失在四百億元人民幣以上;九十年代我國全面的調(diào)查了經(jīng)濟(jì)工業(yè)生產(chǎn)中摩擦磨損造成的損失分析指出:此項(xiàng)損失占國民生產(chǎn)總值的1.8%。眾所周知，摩擦磨損和腐蝕均是發(fā)生零件表面材料流失過程，而且材料其他一些失效機(jī)制也是從表面開始，采用表面防護(hù)措施延緩和控制表面的破壞，成為解決上述問題的有效方法。在解決這些問題的同時(shí)，也促進(jìn)了表面工程科學(xué)和表面技術(shù)的形成與發(fā)展。
SUS403不銹鋼在高溫下為奧氏體組織，而淬火后為馬氏體組織，主要用于制造工具、發(fā)電機(jī)葉片、軸承等在比較苛刻的環(huán)境中服役的部件。由于尺寸薄且受到高溫蒸汽的沖刷，在高溫下長時(shí)間工作的蒸汽發(fā)電機(jī)葉片的前緣部位容易失效（磨損和氣蝕）。為了改善葉片失效部位的性能，通常采用銀基釬焊或TIG焊接方法將司太立6#合金板條焊接于葉片的前緣。另外，已有研究采用等離子堆焊方法嘗試向葉片的前緣堆焊司太立6#合金粉末。但是，由于釬焊接合強(qiáng)度較低，而TIG電弧和等離子電弧存在熱源分散，堆焊后葉片的焊接變形較大，導(dǎo)致焊縫成形難于控制且生產(chǎn)效率較低，因而很難滿足葉片的使用性能要求。
而激光堆焊過程的優(yōu)點(diǎn)是可以形成一個(gè)具有復(fù)合功能結(jié)構(gòu)、低稀釋率、焊接變形小的堆焊層，且通過快速加熱和冷卻的堆焊過程容易獲得優(yōu)質(zhì)而耐磨的堆焊層。另外，通過優(yōu)化激光加工參數(shù)（如離焦量、焊接速度及送粉量等）可以靈活地控制堆焊層的稀釋率，以滿足使用性能的要求。因此，近幾年，在制造領(lǐng)域，激光表面堆焊技術(shù)已經(jīng)得到了迅速發(fā)展。日本汽車工業(yè)已將激光堆焊技術(shù)應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出氣門和氣門座圈的制作，而日本核電行業(yè)已將激光堆焊技術(shù)應(yīng)用于成套設(shè)備的閥門零部件的生產(chǎn)。由于激光光束能量密度高且熱量容易控制，所以對零部件的精密堆焊及薄板件的堆焊尤為適用。
1試驗(yàn)方法
1.1試驗(yàn)材質(zhì)
蒸汽發(fā)電機(jī)葉片。試驗(yàn)葉片材質(zhì)為SUS403不銹鋼，其化學(xué)成分為w(C)=0.15%;w(Si)=0.5%;w(Mn)=1.0%;w(=)0.030%;w(P)=0.040%;w(Ni)=0.60%;w(Cr)=13%;余量為Fe。堆焊采用合金粉末（尺寸為58μm～212μm）作為鈷基合金司太立6#（Stellite-6），其化學(xué)成分為w(C)=1.1%；w(Cr)=28.3%；w(Si)=1.3%；w(W)=4.3%；w(Ni)=1.6%；w(Fe)=2.0%；余量為Co。
1.2試驗(yàn)設(shè)備
激光堆焊頭部位。熱源采用額定功率為4kW的半導(dǎo)體激光器（德國LASERLINE制造LDF-4000型）。送粉器采用TWIN10-SPG（SulzerMetcoLtd制造）。利用Ar作為送粉氣體，將Stellite-6粉末輸送到堆焊區(qū)。送粉速度的調(diào)節(jié)是通過送粉器圓盤旋轉(zhuǎn)速度的變化來實(shí)現(xiàn)的，圓盤旋轉(zhuǎn)越快則送粉量越多[9]，本文采用了側(cè)向送粉方式，其中送分頭噴嘴直徑為2.0mm。通過專用夾具，將葉片夾持在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上。堆焊時(shí)，通過堆焊頭和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的合成運(yùn)動(dòng)完成葉片的堆焊制造。
1.3工藝參數(shù)
激光堆焊時(shí)，需要對葉片進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱和保溫。激光輸出功率為2.4kW，堆焊速度為1m/min，離焦量為+10mm，送粉量為16.6g/min，保護(hù)氣體（Ar）流量為30L/min，送粉氣體流量為4L/min，堆焊層搭接率為50%。另外，堆焊后需要立即對葉片進(jìn)行適當(dāng)熱處理。在葉片上共計(jì)堆焊兩層，層堆焊層的尺寸約為122mm×13mm×1mm，而第二層尺寸約為112mm×12mm×1mm。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果
通過對蒸汽發(fā)電機(jī)葉片激光堆焊層各項(xiàng)性能指標(biāo)的分析，可得出如下結(jié)論：
1）激光堆焊層和第二層交界處依次可觀察到胞狀晶生長、樹枝狀晶生長和等軸晶生長；由于受到二次加熱的影響，熱影響區(qū)（HAZ）內(nèi)依次可以觀察到熔合區(qū)、粗晶區(qū)、混合晶粒區(qū)和細(xì)晶區(qū)。
2）堆焊層的顯微組織為亞共晶組織，其初晶相由富Co的γ奧氏體組成；而共晶組織由富Co的γ奧氏體和復(fù)雜的碳化物（Cr23C6、Co3W3C、CoCx和WC等）組成。
3）激光堆焊后，蒸汽發(fā)電機(jī)葉片的平均硬度提高了兩倍，一方面是由于堆焊層中存在碳化物硬質(zhì)相，另一方面歸因于激光堆焊加熱和冷卻速度快，使得堆焊層組織細(xì)小，產(chǎn)生了細(xì)晶強(qiáng)化作用。
4）堆焊層中含有大量復(fù)雜的碳化硬質(zhì)相，不僅提高了葉片的硬度，同時(shí)使得堆焊后葉片的耐磨性能相對于母材的耐磨性能提高了7倍。
（南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司供稿）