激光熔覆技術(shù)在空壓機(jī)葉輪修復(fù)上的應(yīng)用

黃 薇

（上海寶鋼設(shè)備檢修有限公司，上海 201900）

激光熔覆技術(shù)是一項(xiàng)新興的零件表面加工技術(shù)。它是利用激光作為焊接熱源，使基材表面和堆焊材料之間形成熔化冶金結(jié)合的一種表面工程技術(shù)。把它應(yīng)用到表面處理上，可以極大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕、耐疲勞等機(jī)械性能，而且可以極大地提高材料的使用壽命。

2010年3月，某鋼廠的一離心式空壓機(jī)在運(yùn)行中振動(dòng)增大，停車后，檢修人員發(fā)現(xiàn)有異物進(jìn)入旋轉(zhuǎn)葉輪中，與葉輪碰撞，導(dǎo)致整個(gè)葉輪出氣邊葉片受損，使機(jī)組無法繼續(xù)運(yùn)行。

該離心空壓機(jī)的設(shè)計(jì)流量為60m3/min，介質(zhì)為空氣，轉(zhuǎn)數(shù)為4 950r/min，轉(zhuǎn)子材料為17-4PH不銹鋼，工作溫度200℃，該葉輪為第三級(jí)葉輪。

由于離心式空壓機(jī)轉(zhuǎn)速高，因此若仍采用傳統(tǒng)的葉片磨損修復(fù)措施，則難以滿足工作要求。而且傳統(tǒng)的修復(fù)手段存在修理周期長(zhǎng)、成本高及材料性能變化大等缺陷。通過調(diào)研，擬采用激光熔覆堆焊方式進(jìn)行修復(fù)。激光熔覆技術(shù)是用激光束將已制備的合金粉末涂層熔化，成為熔覆層的主體合金，同時(shí)基體金屬有一薄層熔化，與之構(gòu)成冶金結(jié)合的一種表面處理技術(shù)。

一、試驗(yàn)與結(jié)果

1.試驗(yàn)方法

選用與葉片材質(zhì)成分非常相近的激光熔覆粉末，材料成分見表1。使用激光熔覆方法堆焊成圖1形狀的試驗(yàn)樣板，并按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制作各種測(cè)試試樣。

表1 激光熔覆粉末的化學(xué)成分 %

圖1 激光熔覆堆焊試樣

使用HXS-1000A 和SANSCMTS-305 進(jìn)行硬度和拉伸性能測(cè)試，使用OLYMPUS BX51M進(jìn)行顯微組織觀察。

2.試驗(yàn)結(jié)果

（1）顯微組織

激光熔覆的金相組織致密、無缺陷。焊材與基體結(jié)合良好且熱影響區(qū)非常小。

（2）力學(xué)性能

從圖2 基體與激光熔覆區(qū)域硬度對(duì)比圖，可以看出激光熔覆部位、熔覆熱影響區(qū)的硬度與基體基本相同。

圖2 基體與激光熔覆區(qū)域硬度對(duì)比圖

從圖2基體與激光熔覆區(qū)域拉伸性能對(duì)比圖，經(jīng)拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其性能與基體性能基本相同，更為重要的是斷裂在基體上，不在焊縫和熱影響區(qū)。

圖3 基體與激光熔覆區(qū)域拉伸性能對(duì)比圖

（3）試驗(yàn)結(jié)果分析

激光熔覆技術(shù)有著傳統(tǒng)焊接技術(shù)無法比擬的優(yōu)越性，由于激光不僅具有近似絕熱的快速加熱熔化過程，而且具有非?？焖俚睦鋮s過程，類似于快速淬火，使晶粒組織細(xì)化、化學(xué)元素成分分布均勻，從而使堆焊部位獲得非常好的性能。

此外，通過工藝優(yōu)化控制激光的輸入能量，可以將基體材料的稀釋降到較低的程度。

因此，從上述分析可以看出，激光熔覆后熱影響區(qū)、激光熔覆區(qū)域的HV、σb、σ0.2保持優(yōu)良的性能，基本與基體保持一致。

二、激光熔覆的施工工藝

針對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪的損壞情況，基于上述的試驗(yàn)結(jié)果，決定采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行修復(fù)。施工工藝流程圖如圖4所示。

圖4 施工工藝流程圖

1.檢測(cè)、清洗

葉輪出氣邊的八個(gè)葉片均有不同程度的缺損，其中最大缺損面的長(zhǎng)約35mm、寬約30mm、葉片厚2mm。對(duì)工件表面進(jìn)行清污除銹處理，檢測(cè)外形尺寸等，并進(jìn)行無損探傷。

2.原型線測(cè)量

選擇相對(duì)完整的葉輪型線進(jìn)行測(cè)量，并與在新轉(zhuǎn)子上采取的型線樣板和測(cè)量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。最終確認(rèn)葉輪型線樣板。葉輪型線對(duì)壓縮機(jī)的性能有重大影響，決定了壓縮機(jī)的性能好壞。

3.葉輪表面預(yù)處理

葉輪本體表面腐蝕疲勞層、型面及端面磨損和損傷部分進(jìn)行清理打磨處理，主要去除表面的氧化層。全面無損探傷檢查及熔覆前的表面潔凈處理。

4.激光熔覆專用材料配置

由于葉輪對(duì)硬度、耐磨性要求較高，經(jīng)分析比較，采用高強(qiáng)度不銹鋼金屬粉料作為激光熔覆金屬的粉料。該合金粉料與葉輪原材料相比，不僅具有有自我脫氧和造渣的性能，而且具有優(yōu)異的耐蝕和耐磨性,熔覆后具有滿足工件使用要求的機(jī)械性能，與基體材料有較好的結(jié)合強(qiáng)度和理想的金相組織。

5.激光熔覆工藝參數(shù)確定及熔覆加工

根據(jù)上述確定的葉輪待加工尺寸、專用的激光熔覆金屬粉料，制定熔覆工藝參數(shù)。每層熔覆厚度為0.6mm，掃描速度12mm/s，熔覆到要求尺寸并留有足夠的后續(xù)機(jī)械加工余量。

6.機(jī)加工

對(duì)照已繪制好的葉輪型線樣板，對(duì)葉輪表面進(jìn)行磨削加工，保證葉輪外形恢復(fù)到其原來的設(shè)計(jì)尺寸。在此過程中還需要進(jìn)行多次著色探傷，對(duì)此過程中發(fā)現(xiàn)的裂紋進(jìn)行打磨和再熔覆處理。最終對(duì)處理好的葉輪進(jìn)行精修，確保其修復(fù)后尺寸精度。

7.葉輪檢測(cè)

葉輪加工完成后，再次對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行幾何尺寸、形位公差、無損探傷檢測(cè)。在型面檢測(cè)完成后對(duì)葉輪表面進(jìn)行拋光處理。

8.低速動(dòng)平衡

進(jìn)行低速動(dòng)平衡試驗(yàn)，保證葉輪重新校驗(yàn)到標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)平衡精度G2.5級(jí)。試驗(yàn)過程中要注意部件的潤(rùn)滑，防止旋轉(zhuǎn)摩擦部位磨損，影響動(dòng)平衡試驗(yàn)精度。

三、應(yīng)用效果

本次采用激光熔覆修復(fù)葉輪僅用了24h，并為用戶節(jié)省了葉輪整體更換費(fèi)用120多萬元，這不僅沒有影響檢修時(shí)間，而且也節(jié)約了大量成本。同時(shí)利用激光熔覆技術(shù)修復(fù)的葉輪精度符合原出廠要求，在現(xiàn)場(chǎng)安裝后試車一次成功。至目前為止運(yùn)行情況一直良好。