激光熔覆技術在推力瓦修復上的應用

陳少華，劉連偉，朱俊杰，張沖林

（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌443133）

1 概述

某巨型水電站機組的推力瓦在2017～2018年度檢修期間檢查發(fā)現(xiàn)，推力瓦瓦面存在不同程度的大小、深淺不一的侵蝕斑（如圖1所示）。用表面粗糙度儀進行表面粗糙度的測定，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度值已經(jīng)遠遠超出設計值，繼續(xù)使用該推力瓦，將給機組的安全運行埋下隱患。

推力瓦整體更換成本較高，再加之推力瓦的缺陷損傷只是存在于瓦面的巴氏合金部分，瓦本身的坯體部分完好，于是尋求一種只針對瓦面巴氏合金進行再制造和修復的技術，且迫在眉睫。創(chuàng)新采用激光熔覆新技術對推力瓦表面巴氏合金進行修復再造，一方面可以降低損耗和成本，另一方面可以對推力瓦瓦面巴氏合金修復技術進行一次新的探索。

2 激光熔覆技術簡述

激光熔覆是一種新的表面改性和增材制造技術。通過同步或預置材料的方式，將外部材料添加至基體經(jīng)激光輻照后形成的熔池中，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的工藝方法。在基材表面形成與之冶金結合的熔覆材料層，具有熱影響區(qū)小，熔覆層組織致密，熱輸入小，不易造成基板變形等一系列優(yōu)點。圖2為高速相機拍攝的激光熔覆過程，激光光束在工件表面形成熔池，粉末流向熔池并逐步凝固。

圖2 激光熔覆工藝圖

3 激光熔覆技術與傳統(tǒng)澆注成型在工藝方面的優(yōu)勢對比

采用激光熔覆修復水電機組推力瓦，相對于傳統(tǒng)的澆注成型，具有以下技術上面的優(yōu)勢：

（1）巴氏合金熔點低，澆注時凝固速度慢，組織粗大，易形成偏析組織；激光熔覆成型屬于快速凝固，組織細小、均勻。

（2）澆注凝固易形成冶金缺陷，如孔洞；激光熔覆通過工藝手段可有效避免冶金缺陷，工藝組織致密。

（3）巴氏合金與鋼坯熔點差異大，通過掛錫處理，澆注成型時，巴氏合金與基體形成化學鍵結合；激光熔覆能量密度集中，光斑能量密度高，巴氏合金與基體形成可靠的冶金結合，結合強度大大提高。

（4）激光熔覆局部快熱快冷，能使基體保持良好的剛度，不易變形。

（5）澆注對人工依賴程度大，激光熔覆自動化程度高，依靠自動化設備，能更好的保證均勻性和尺寸精度。

4 采用激光熔覆技術進行推力瓦修復的流程圖

流程圖見圖3。

圖3 推力瓦修復流程圖

5 修復方案

對機組推力瓦進行全面檢查后，發(fā)現(xiàn)推力瓦鋼坯部分完好，瓦面巴氏合金部分存在不同程度的坑蝕，最初制定的修復方案：

（1）在原推力瓦2.5 mm厚的巴氏合金表面，先機加工去除部分有表面缺陷巴氏合金層，約0.6 mm，保留大部分厚度的原澆注巴氏合金層。

（2）按照推力瓦成分檢測結果，選擇牌號為SnSb8 Cu8的巴氏合金，在機加工后的巴氏合金層上，激光熔覆一定厚度巴氏合金。

（3）由于激光熔覆后的推力瓦瓦面巴氏合金有一定的余量，按照圖紙的具體要求，通過銑削和磨削的方式使推力瓦恢復到圖紙尺寸和相關要求。

6 修復過程中出現(xiàn)的問題

6.1 出現(xiàn)的問題

（1）脫殼問題

原巴氏合金采用澆注工藝制備，與鋼坯結合強度低，而原澆注巴氏合金在激光熔覆作用下，受熱產(chǎn)生應力，應力使巴氏合金變形，并大于兩層間的結合強度，與鋼坯分離，出現(xiàn)脫殼。

圖4 脫殼的巴氏合金層和鋼坯

解決辦法：將脫殼的原澆注巴氏合金全部去除，在鋼坯表面激光熔覆多層巴氏合金。

（2）坑孔問題

1）原澆注巴氏合金層組織粗大，疏松，有針眼和氣孔等缺陷，熔覆前的機加工難以徹底排除，激光熔覆時，在激光的作用下暴露，并迅速擴大，致使激光熔覆層也出現(xiàn)坑孔的缺陷。

2）推力瓦在長時間高載荷工作中，有潤滑油浸入原巴氏合金層內(nèi)部，熔覆前機加工未能排除掉浸油層，激光熔覆時產(chǎn)生氣孔。

圖5 坑孔

6.2 修復實例

第1件推力瓦修復時：

1）排除缺陷機加工去除0.65 mm。

2）出現(xiàn)小面積局部脫殼。

3）熔覆層內(nèi)有較多孔洞（工藝試樣并無氣孔等缺陷），機加工后暴露，修補。

第2件推力瓦修復時：

1）首先排除缺陷，機加工去除0.5 mm厚度的巴氏合金。

2）修復過程中出現(xiàn)大面積巴氏合金脫殼，即巴氏合金與鋼坯體脫離。

3）激光熔覆層到原澆注巴氏合金層，有貫穿性坑孔。

圖6 大面積脫殼

根據(jù)第1件和第2件推力瓦修復具體情況，推力瓦巴氏合金脫殼、坑孔等現(xiàn)象均有發(fā)生，但程度不一，差別較大，分析其中的原因主要與原澆注巴氏合金層與鋼坯的結合強度，以及巴氏合金層本身致密度有直接關系。因此，在原澆注巴氏合金層上激光熔覆巴氏合金的修復方案，會因不同推力瓦的質量和狀態(tài)差異，而難以控制。

7 優(yōu)化方案

針對在熔覆過程中所出現(xiàn)的問題，又提出如下3種解決方案：

方案1：去除外圈原澆注巴氏合金層（深色部分所示），外圈激光熔覆填補合金后再整體熔覆。該方案外圈的巴氏合金層與鋼坯有足夠的結合強度，降低了外圈巴氏合金層的脫殼風險，避免整體大面積脫殼，但未去除的巴氏合金區(qū)域仍會出現(xiàn)氣孔缺陷和有較大脫殼、空鼓的可能。

圖7 方案1示意圖

方案2：去除外圈巴氏合金層，并將合金層分割成多個小塊合金層（深色部分所示），去除區(qū)域填補合金后再整體熔覆。該方案能進一步減少大面積脫殼和局部空鼓的概率，但未消除的巴氏合金區(qū)域仍會出現(xiàn)氣孔以及可能小范圍內(nèi)脫殼。

方案3：全部去除原瓦面澆注的巴氏合金層，重新在鋼坯上激光熔覆巴氏合金，再機加工恢復到圖紙要求尺寸。該方案優(yōu)點為：巴氏合金層與鋼坯結合強度可靠，脫殼傾向非常?。煌瑫r組織致密會有效降低氣孔的產(chǎn)生。存在問題：需要進行多次熔覆才能達到足夠巴氏合金厚度，導致變形更大，粉末用量高。

圖8 方案2示意圖

圖9 方案3示意圖

通過對各種方案進行全面對比，結合表1可以得出，采用方案3是解決加工過程幾個問題的最好方案。

表1 三套解決方案評估對照表

圖10 按新方案加工

8 檢查驗收

按照最新方案對推力瓦進行了修復，修復后的推力瓦通過了各項檢查和性能測試。鋼坯安裝面平面度≤0.01 mm；巴氏合金面與鋼坯安裝面平行度≤0.03 mm。對瓦面巴氏合金進行超聲波探傷，顯示無缺陷。各項其他檢查均符合圖紙要求。

9 結論

創(chuàng)新性地將激光熔覆技術應用在推力瓦表面巴氏合金的修復上，并成功的完成了一整套推力瓦的修復工作，順利通過了相關檢查和測試。由于推力瓦對于水輪發(fā)電機組的重要性并且數(shù)量較大，隨著機組運行時間的延長，推力瓦瓦面巴氏合金問題會逐漸顯現(xiàn)，鑒于激光熔覆技術的靈活性和先進性，采用激光熔覆技術對推力瓦瓦面巴氏合金進行修復，是一種行之有效的解決辦法，可以大大的節(jié)約檢修成本以及備件的采購成本，有較為廣闊的應用市場，為電力行業(yè)解決這方面的問題，提供了參考思路。