汽輪機(jī)主軸模擬實(shí)驗(yàn)件等離子堆焊修復(fù)工藝研究

　　隨著電廠數(shù)量的增加、單機(jī)容量和參數(shù)的不斷提高，機(jī)組的維護(hù)、修復(fù)日趨復(fù)雜重要。作為汽輪發(fā)電機(jī)組心臟部件一汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，因其運(yùn)行精度高，運(yùn)行速度快，制造成本高，一旦損壞，直接導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組輸出功率下降甚至癱瘓，成為電廠修復(fù)工作的重中之重。針對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸常見的磨損缺陷，技術(shù)人員曾采用熱噴涂、氫弧焊等多種工藝進(jìn)行修復(fù)，但效果均不能令人滿意。最近國外也有應(yīng)用激光熔覆工藝修復(fù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸的報(bào)道，但因其昂貴的修復(fù)成本，在國內(nèi)應(yīng)用有一定困難。目前，國內(nèi)進(jìn)行軸件修復(fù)的方法主要有：車削法、電鍍法、熱噴涂法和電極焊法。車削法可靠、表面精度高，但是，車削后軸件尺寸變小，工期長，費(fèi)用高，現(xiàn)場處理難度大且對軸的強(qiáng)度有所削弱；電鍍法的鍍層結(jié)合強(qiáng)度較低、耐磨性差，鍍層的鍍厚能力有限且容易脫落，熱噴涂法和電極焊法雖然修復(fù)層的結(jié)合強(qiáng)度較高，但是變形大，不適合大面積修復(fù)。在目前各類堆焊方法中，等離子堆焊的稀釋率是最低的，且等離子弧具有溫度高、熱量集中、穩(wěn)定性好和可控性等優(yōu)點(diǎn)，其堆焊層與軸件是冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，不會出現(xiàn)脫落、起皮現(xiàn)象，更耐磨，從而延長軸件的使用壽命。
　　等離子堆焊技術(shù)是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種進(jìn)行表面防護(hù)與強(qiáng)化的熱堆焊技術(shù)，屬于表面強(qiáng)化領(lǐng)域技術(shù)，它以等離子弧為熱源，以一定成分的合金粉末作為填充金屬的特種粉末堆焊工藝，具有施工效率高、稀釋率低、堆焊材料范圍廣、成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此，近年來其技術(shù)和生產(chǎn)應(yīng)用發(fā)展很快，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空、石化、機(jī)械等領(lǐng)域。34CrNi3Mo是機(jī)械制造行業(yè)內(nèi)應(yīng)用十分廣泛的重要材料之一，具有良好的塑性、韌性、耐磨性、耐蝕性和一定的熱抗性，一般用于生產(chǎn)葉輪大鍛件，如發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子等。轉(zhuǎn)子的軸尺寸較大且受力情況較復(fù)雜，常在高溫、高負(fù)荷的惡劣條件下工作，極易發(fā)生磨損、蝕坑、溝槽等損傷情況，如因這些微小缺陷而報(bào)廢整個(gè)零部件，損失將很大。本文通過研究34CrNi3Mo鋼模擬實(shí)驗(yàn)件的等離子堆焊修復(fù)工藝，以期對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子主軸修復(fù)方面提供借鑒。
　　
　　1　實(shí)驗(yàn)過程及方法
　　1.1軸件磨損分析
　　研究表明汽輪機(jī)主軸的破壞主要以磨損為主。造成磨損的原因主要有：(1)軸類部件裝配時(shí)都要采用一定的過盈配合。由于長時(shí)間的使用，致使該配合松動，產(chǎn)生撞擊，從而造成軸的磨損嚴(yán)重；(2)由于軸油中殘存的機(jī)械雜質(zhì)或硬質(zhì)顆粒超標(biāo)造成的，還有某些突發(fā)事故，如電機(jī)運(yùn)行中發(fā)生“抱軸”現(xiàn)象同樣會對軸造成嚴(yán)重磨損。磨損的結(jié)果造成了軸件表面出現(xiàn)厚度和形狀不同的凹痕?；谝陨戏治?，擬采用等離子堆焊技術(shù)在軸件表面形成一層合金層來填補(bǔ)凹痕，從而達(dá)到修復(fù)的目的。同時(shí)，通過調(diào)整合金粉的成分，還可進(jìn)行軸件的表面強(qiáng)化，從而延長軸件的使用壽命。
　　1.2堆焊試件
　　采用真實(shí)工件進(jìn)行試驗(yàn)研究不現(xiàn)實(shí)，故采用了模擬試件方案。在34CrNi3Mo鋼模擬軸件上用機(jī)械方法車出一系列溝槽，如圖1所示，用該溝槽模擬實(shí)際轉(zhuǎn)子主軸的各種磨損損傷。
　　1.3堆焊所用的材料
　　在軸件修復(fù)時(shí)，如果僅僅是對表面平整度的修復(fù)則可以選擇與軸件相同的材料。如果為獲得性能更好的修復(fù)層即需要進(jìn)行強(qiáng)化時(shí)必須選擇合適的合金粉末。實(shí)驗(yàn)選用鐵基合金粉對軸件進(jìn)行等離子修復(fù)以獲取高性能修復(fù)層，提高軸件使用壽命。主軸及合金粉的具體成分如表1，2所示。
　　因?yàn)殍F基合金不但具有一定的硬度，而且造價(jià)便宜，與基體的熱膨脹性差別不大。因此，選鐵基合金為堆焊材料，由此可獲得的焊層有良好的耐磨性，使合金層的硬度大大提高，進(jìn)而提高了軸件抵抗磨損的能力。
　　1.4等離子堆焊設(shè)備及堆焊工藝參數(shù)選擇
　　
　　等離子堆焊設(shè)備為型號DR-500堆焊機(jī)，離子氣和送粉氣采用工業(yè)純氬，工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)移電壓40V-45V；轉(zhuǎn)移電流150A～180A；送粉電壓15V；行走電壓20V；噴焊距離12mm～15mm；焙敷率，單位時(shí)間焙敷合金量為9～10kg／h；離子氣流量0.8L／min；送粉氣流量0.8L／min；氬氣壓力0.5MPa；沖淡率5％～10％；噴槍移動速度30mm／s。等離子噴焊后在空氣中自然冷卻。
　　2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
　　2.1等離子堆焊層的檢測方法
　　2.1.1試樣制備
　　將模擬實(shí)驗(yàn)件的堆焊試樣，沿成形件橫截面(垂直激光掃描方向)和縱截面(平行激光掃描方向)制取金相組織試樣，在試樣表面進(jìn)行磨削加工，然后用金相砂紙研磨和金剛石拋光膏拋光。用王水(濃鹽酸和濃硝酸的體積比為1；3)、硝酸酒精、氫氟酸溶液等進(jìn)行組織腐蝕，在金相顯微鏡下觀察內(nèi)部組織及致密性。
　　2.1.2金相組織測試方法
　　采用KeyenceVH-8000數(shù)字金相顯微鏡對堆焊試樣進(jìn)行觀察，分析其內(nèi)部組織及致密性。對各試樣成分進(jìn)行EDAX能譜分析，測定堆焊層成分組成。
　　等離子弧堆焊技術(shù)試樣的顯微組織，如圖2示，等離子弧堆焊修復(fù)工藝是高溫加工，必定會對基體表層產(chǎn)生熱影響，等離子堆焊的熱影響區(qū)由回火馬氏體加少量粒狀貝氏體形成，是混合狀馬氏體，呈體心立方結(jié)構(gòu)，有位錯亞結(jié)構(gòu)，組織形態(tài)為板條和片狀。馬氏體相變會造成晶體內(nèi)大量微觀缺陷，高密度的錯位和層錯、大量精細(xì)攣晶，大量界面，使馬氏體強(qiáng)化和硬化；如圖4所示，等離子堆焊合金層熔覆區(qū)(結(jié)合區(qū))是合金層和基體之間的明顯白亮帶，白亮帶邊緣曲折，部分呈齒牙狀，說明在等離子弧高能熱源作用下，堆焊合金層中的元素和基材之間的元素濃度梯度大，擴(kuò)散作用強(qiáng)，在形成熔池的過程中，元素相互強(qiáng)烈擴(kuò)散，在凝固后形成了良好的冶金結(jié)合。在熔合區(qū)附近，組織由奧氏體和萊氏體組成，已形成一定的枝晶。由圖3知，等離子堆焊合金層組織具有快速凝固時(shí)亞共晶的枝晶生長特征，堆焊合金層在冷卻過程中先析出技狀晶，在繼續(xù)冷卻過程中，由于已形成的枝晶主干之間存在溫度梯度和質(zhì)量濃度起伏，所以又沿枝晶主干生成二次晶，由于近熔合區(qū)溫度梯度較大，形成的一次晶主干很短，表現(xiàn)出等軸狀枝晶特征。從圖4可看出，修復(fù)層和基體之間的結(jié)合屬冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，不會出現(xiàn)脫落、起皮現(xiàn)象，因此軸件經(jīng)等離子堆焊修復(fù)后更耐磨，使用壽命延長。
　　2.1.3等離子堆焊層顯微硬度檢測方法
　　在維氏硬度計(jì)上進(jìn)行硬度測試(HV500／15s)，用Philips掃描電鏡和KeyenceVH-8000數(shù)字金相顯微鏡觀察表面形貌。硬度值取點(diǎn)從堆焊層表面沿縱截面縱深方向直線取點(diǎn)，在堆焊層表面每隔2mm取一個(gè)點(diǎn)，在堆焊層和基體層的結(jié)合界面每隔0.2mm取一個(gè)點(diǎn)，在基體層每膈2mm取一個(gè)點(diǎn)。
　　圖5為等離子弧堆焊層堆焊Fe-Ni合金試樣顯微硬度分布。離子弧堆焊Fe基合金堆焊層的平均硬度為390HV，而在基體層的位置平均硬度為240HV左右，從前面的金相組織分析可知，等離子弧堆焊層組織是奧氏體和萊氏體，堆焊層表層奧氏體少，從堆焊層到基體的縱深方向奧氏體逐漸增多，直至基體層的鐵素體。
　　3　結(jié)語
　　通過對材質(zhì)為34CrNi3Mo鋼的汽輪機(jī)主軸實(shí)驗(yàn)件堆焊修復(fù)，證明了等離子堆焊技術(shù)可以完全勝任大軸軸頸部分的修復(fù)。在修復(fù)過程中，對堆焊層和基體進(jìn)行金相組織分析和硬度分析，結(jié)論證實(shí)，堆焊層強(qiáng)度大于基體，且為冶金結(jié)合，提高了主軸的抗磨損能力，為以后推廣等離子堆焊工藝修復(fù)火電廠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子主軸磨損件提供了理論和實(shí)踐支