激光熔覆在零部件修復中的應用

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)和工業(yè)不斷發(fā)展，對零部件工作的環(huán)境也越來越趨于復雜化，表面性能的要求越來越高，因此零件報廢率大大增多。通常因為表面失效而報廢的零件有：轉(zhuǎn)子葉片、輥軸類零件、齒輪類零件、接頭類零件等。

在零部件整體性能滿足工況的條件下僅是表面損傷的零部件都是可以修復，不僅能夠挽回巨大的經(jīng)濟和時間損失，還可以提高資源的利用率。

目前零部件修復的方法有激光熔覆、真空釬焊、真空涂層法、鎢極惰性氣體保護焊(TIG)和等離子體熔覆修復等方法 。激光熔覆是根據(jù)工件的工況要求，熔覆各種設(shè)計成分的金屬或者非金屬，制備耐熱、耐蝕、耐磨、抗氧化、抗疲勞或具有光、電、磁特性的表面覆層。激光熔覆是一種快速冷卻的過程，熔覆過程中對修復工件的熱輸入量少，熱影響區(qū)小，熔覆層組織細小，易于實現(xiàn)自動化等，因此使用激光熔覆的方法來修復轉(zhuǎn)子等零部件比其它的方法具有更大的優(yōu)勢。激光熔覆技術(shù)解決了傳統(tǒng)電焊、氬弧焊等熱加工過程中不可避免的熱變形、熱疲勞損傷等一系列技術(shù)難題，同時也解決了傳統(tǒng)電鍍、噴涂等冷加工過程中覆層與基體結(jié)合強度差的矛盾，這就為表面修復提供了一個很好的途徑。

1、轉(zhuǎn)子葉片的修復

轉(zhuǎn)子葉片又稱動葉，是隨同轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的葉片，通過葉片的高速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)氣流與轉(zhuǎn)子間的能量轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)子葉片承受很大的質(zhì)量慣性力、較大的氣動力和振動載荷，還要承受環(huán)境介質(zhì)的腐蝕與氧化,以及高速運行微小粒子的沖蝕,但加工比較困難，渦輪轉(zhuǎn)子葉片還要在高溫狀態(tài)下工作。轉(zhuǎn)子葉片是直接影響發(fā)動機性能、可靠性和壽命的關(guān)鍵零件，并且其工作條件十分惡劣容易損壞，所以對材料性能的要求也大大的提高，同時提高了材料的經(jīng)濟成本，也為其做修復帶來廣闊的市場。激光熔覆工藝在轉(zhuǎn)子葉片上的應用已經(jīng)的到了很好的研究，這也為其在修復方面的應用提供了有利的前提。

(1) 航空發(fā)動機葉片的修復

目前航空發(fā)動機葉片大都采用鑄造鎳基高溫合金和定向凝固鎳基高溫合金來制造。鑄造鎳基高溫葉片和定向凝固葉片在生產(chǎn)過程中可能存在局部缺陷，如現(xiàn)縮松、縮孔等鑄造缺陷。

激光熔覆具有局部加熱和低熱輸入量等優(yōu)點,同時,激光熔覆超高的溫度梯度有利于材料的定向凝固生長 。因此國內(nèi)外對激光熔覆技術(shù)修復高附加值的葉片開展了廣泛的研究并在工業(yè)上已成功應用 。同時，對激光熔覆技術(shù)與堆焊、TIG焊和等離子體熔覆進行了比較研究。

(2) 汽輪機葉片的修復

汽輪機葉片在電力工業(yè)中將高溫高壓氣體的線性運動轉(zhuǎn)變成汽輪機軸的轉(zhuǎn)動。汽輪機葉片的失效形式主要有兩種：一種是葉片斷裂，主要發(fā)生在葉片的根部，這種失效是不可修復的;另一種失效形式是氣蝕，主要是發(fā)生在葉片頂端面或根部，氣蝕損傷的葉片是可以修復再利用的。

2、輥軸類零件的修復

軋輥是使(軋材)金屬產(chǎn)生塑性變形的工具，是決定軋機效率和軋材質(zhì)量的重要大型消耗性部件。軋輥失效的最普遍原因是早期磨損失效。目前，軋輥由于磨損需要修復時多采用車削或磨削等“補救措施”修正輥型。采用激光熔覆修復軋輥表面已成為延長軋輥壽命的一個主要發(fā)展方向和途徑。該技術(shù)不僅可以修復軋輥，而且可以提高軋輥的耐磨性，延長軋輥的使用壽命，改善鋼材的表面質(zhì)量。

通常軸類零件主要失效的原因有軸變形、軸斷裂、軸表面失效。研究表明，發(fā)電機轉(zhuǎn)軸、各種傳動軸等軸類零件的破壞主要是以磨損為主的。其中軸變形、軸斷裂是不可以修復的，而以磨損為主的表面失效是可以修復的。采用大功率激光熔覆修復技術(shù)，可在軸類零件表面失效的部分，激光熔覆一層鐵基合金材料，使得熔覆合金層的零件表面有良好的機械性能，將報廢的零件再次使用。

3、模具類的修復

模具在鑄造成型和塑料成型加工中起著重要作用，其制造工藝復雜，生產(chǎn)周期長，加工成本高。因此，對失效模具進行修復再利用，無疑有著顯著的經(jīng)濟效益。模具使用壽命取決于抗磨損和抗機械損傷能力，一旦磨損過度或機械損傷，須經(jīng)修復才能恢復使用。

激光熔覆實現(xiàn)對模具的表面磨損進行修復的方法可以歸結(jié)為：用高功率激光束以恒定功率P 與熱粉流同時入射到模具表面上，一部分入射光被反射，一部分光被吸收，瞬時被吸收的能量超過臨界值后，金屬熔化產(chǎn)生熔池，然后快速凝固形成冶金結(jié)合的覆層。

4、對其他零部件的修復

閥門在使用過程中，其密封面長期處于介質(zhì)之中并受到介質(zhì)的沖刷和腐蝕。利用激光熔覆工藝代替等離子噴涂和真空感應熔焊工藝，在內(nèi)燃發(fā)動機排氣閥密封面熔覆NiCrBSi和CoCrW合金涂層，不僅避免了涂層中的孔洞和微裂紋，而且涂層的顯微硬度明顯提高，排氣閥密封面耐磨和耐蝕性能提高3～4倍。

汽輪機的中壓蒸汽室噴嘴及部分隔板噴嘴，受蒸汽介質(zhì)的沖蝕比較嚴重。其中壓缸噴嘴承受溫度為350℃，材質(zhì)為ZG20GrMo，葉片排氣端厚度平均只有0.02mm-0.05mm采用一般熔焊方式修補其損傷部位，極易造成基體熱變形，產(chǎn)生裂紋。應用激光熔覆的工藝進行了修復，修復后的噴嘴達到了原設(shè)計要求，經(jīng)過一段時間的運行效果良好。

高速傳動滲碳齒輪磨損齒面因殘余滲碳層的存在給齒面修復造成很大的困難。這類齒輪的材料為20Cr2Ni4A或18Cr2Ni4WA鋼，滲碳層深度為1.6~1.9 mm。應用激光熔覆的工藝進行了修復。這種熔覆層完全滿足對齒輪修復的要求。經(jīng)測試在接觸應力2170 MPa 滑差為12.5 %和20號機油潤滑條件下激光熔覆層的接觸疲勞特征壽命比零件滲碳強化層提高了15 %。這種熔覆層完全滿足對齒輪修復的要求。

煙氣膨脹機(簡稱煙機)是煉油廠等工業(yè)部門余熱發(fā)電的重要裝置，輪盤是該裝置的關(guān)鍵部件。目前對于煙機輪盤的修復主要是使用激光熔覆修復。通過修復的激光熔覆層是通過層-層堆鑄方法形成的，由底層經(jīng)過中間層到面層。

結(jié)語

激光熔覆技術(shù)對制造技術(shù)要求高、生產(chǎn)周期長、加工費用高,價格昂貴的工程構(gòu)件進行修復具有廣泛的工程需求，同時可以優(yōu)化資源配置,節(jié)約貴重、稀有金屬材料,降低能源消耗,節(jié)省資金。激光熔覆修復技術(shù)無污染、無公害,有很強的保護環(huán)境的作用，屬于綠色再制造工程。從長遠的角度看,激光熔覆技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢必將在精密修復中扮演重要的角色。

審核編輯：湯梓紅