激光熔覆技術(shù)研究進(jìn)展及其在鍋爐水冷壁管上的應(yīng)用

岳 鵬

（粒子輸運(yùn)與富集技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市 300180）

1 概述

電廠在經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)過程中普遍會(huì)面臨磨損這一問題，屬于經(jīng)濟(jì)與安全范疇。磨損會(huì)使電廠承受大量經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也可能誘發(fā)水冷壁爆管，進(jìn)而出現(xiàn)非正常停爐事件，造成安全事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，所有停爐事件中大約有50%是因?yàn)槟p導(dǎo)致的，這對(duì)循環(huán)流化床的進(jìn)步與推廣造成阻礙，不利于其實(shí)現(xiàn)高參數(shù)、長(zhǎng)期安全、大容量發(fā)展要求。

2 激光熔覆技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

激光熔覆技術(shù)自誕生后持續(xù)發(fā)展，其系統(tǒng)也在不斷完善。以1990年為界，此前針對(duì)激光熔覆開展的研究主要涉及激光熔覆性能與技術(shù)、熔覆層微觀組織結(jié)構(gòu)與缺陷、熔覆基體與材料在工藝參數(shù)作用下的變化及其實(shí)踐運(yùn)用。而此后的研究?jī)?nèi)容主要集中在激光熔覆的模型與基礎(chǔ)理論、熔覆階段重要參數(shù)檢測(cè)、專用材料研制、快速制造技術(shù)、高效送粉裝置、新型材料制備等。

2.1 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

激光熔覆技術(shù)在中國(guó)的研究始于1990年后，并逐漸獲得學(xué)者們的關(guān)注，成為熱點(diǎn)話題，現(xiàn)階段研究的深度在不斷加深，與此同時(shí)范圍被進(jìn)一步拓寬。王云山等在激光熔覆溫度場(chǎng)測(cè)試中對(duì)CCD 紅外檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行充分運(yùn)用，此外針對(duì)激光熔覆開展了同軸送粉器的研究，取得良好成果。孫榮祿等結(jié)合激光熔覆技術(shù)對(duì)耐磨涂層制作開展研發(fā)工作，成功獲得NiCrBSi涂層，并在此基礎(chǔ)上完成微區(qū)物、顯微組織探討，結(jié)果表明此涂層對(duì)零件耐磨性的強(qiáng)化有積極意義。圍繞激光熔覆工藝參數(shù)的研究中，經(jīng)多個(gè)單位共同努力，已經(jīng)獲得了一定成果，如華中科技大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等。此外還有鐘敏霖等清華大學(xué)學(xué)者。香港理工大學(xué)學(xué)者探討合金組織因激光熔覆階段增加特定元素產(chǎn)生的變化，詳細(xì)有，運(yùn)用激光熔覆工藝于7075鋁合金表面完成CuO+Al+SiO2涂層制作，在此過程中有Al2O3成分出現(xiàn)于熔覆層內(nèi)，同時(shí)還討論了Al2O3成分出現(xiàn)受到元素Si 的具體影響。北京航空航天大學(xué)王華明教授對(duì)熔覆層厚度、硬度、加工質(zhì)量受到激光熔覆掃描速度的影響進(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)果顯示熔覆層硬度與激光掃描速度成正比，而與厚度之間呈反比關(guān)系，當(dāng)速度提高后顯微組織變得更加細(xì)化。北京航空航天大學(xué)王華明研究金屬基復(fù)合涂層制作中加入激光熔覆，對(duì)優(yōu)化表面機(jī)械性能的效果，結(jié)果表明有助于Ti2Ni3Si/Ni3Ti 涂層強(qiáng)化耐腐蝕、耐磨性以及顯微組織硬度。國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)K.A.Chiang 等，詳細(xì)分析WC 合金與鎢鉻鈷合金熔覆層在激光熔覆作用下成分以及顯微組織特性。香港理工大學(xué)T.M.Yue，K.J.Huang 等，對(duì)激光熔覆進(jìn)行有效運(yùn)用，并與鋁合金加以聯(lián)合，最終完成Al2O3制備，且具備較好的晶界與微觀組織。香港理工大學(xué)T.M.Yue，Y.P.Su 等將多樣的金屬材料涂層于Mg 表層進(jìn)行熔覆，對(duì)對(duì)應(yīng)機(jī)械性能做全面分析，舉例分析了Zr65Al7.5Ni10Cu17.5熔覆層于Mg 表層進(jìn)行熔覆，并完成耐腐性、顯微硬度以及耐磨性探討。大連理工大學(xué)高亞麗等也開展了類似研究，具體對(duì)象是Al-Si合金熔覆層，與無(wú)定型組織Mg 表層進(jìn)行有機(jī)聯(lián)合實(shí)施熔覆操作，分析耐腐性、顯微硬度以及耐磨性。

2.2 國(guó)外研究進(jìn)展

國(guó)外先于中國(guó)進(jìn)行了激光熔覆技術(shù)研究，具體時(shí)間大概在10年上下，起步于1980年后，主要國(guó)家有：歐洲，如德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等，美國(guó)以及亞洲的日本、澳大利亞等。

基于物理性質(zhì)圍繞激光熔覆技術(shù)，英國(guó)利物浦大學(xué)、葡萄牙先進(jìn)技術(shù)研究所等機(jī)構(gòu)開展了基礎(chǔ)性研究。瑞士的S.Niederhauser，B.Karlsson 等人在金屬基復(fù)合涂層制備過程中運(yùn)用了激光熔覆作用，目的是加強(qiáng)表面機(jī)械性能，舉例基于鋼表層進(jìn)行Co-Cr 熔覆層制作，對(duì)優(yōu)化鋼硬度、壽命與抗拉強(qiáng)度有積極意義。荷蘭格羅寧根大學(xué)V.Ocelik，D.Matthews 等學(xué)校、夫朗和佛光束技術(shù)研究所、德國(guó)克勞斯特爾大學(xué)等機(jī)構(gòu)均對(duì)激光熔覆技術(shù)加以運(yùn)用，并完成了不同涂層的制備，包括SiC/Al-8Si、TiB2/Ti-6A1-4V、WC/Ti-6Al-4V 等，結(jié)果表明其滑動(dòng)摩擦性能比基體材料有了較大提升；一些科研機(jī)構(gòu)針對(duì)激光熔覆對(duì)工具、零件的性能恢復(fù)展開分析，包括西班牙中央冶金研究所、英國(guó)利物浦大學(xué)等。意大利Edoardo Capelloand Barbara Previtali研究表示，脈沖寬度與功率是導(dǎo)致改變修復(fù)形狀精度的最重要因素，并開展了實(shí)驗(yàn)為有效修復(fù)沖模損傷表面運(yùn)用激光熔覆技術(shù)。R.Jagdheesh 等人就激光熔覆時(shí)存在的殘余應(yīng)力、顯微裂紋相關(guān)內(nèi)容做具體分析。舉例有，利用熔覆技術(shù)將Si 在不銹鋼表層進(jìn)行熔覆操作，基于激光光斑直徑恒定條件，覆層微觀組織受到激光功率、掃描速度等影響不顯著，而如果功率密度在25 W/mm2之下，則此時(shí)熔覆層有較高的可能性會(huì)出現(xiàn)顯微裂紋。荷蘭格羅寧根大學(xué)U.de Oliveira，V.Ocelik 等學(xué)者，圍繞Co 基熔覆層測(cè)試其殘余應(yīng)力，其中運(yùn)用的技術(shù)是X 射線同步衍射技術(shù)。英國(guó)J.Dutta Majumdar，A.Pinkerton 關(guān)于熔覆層擁有的電化學(xué)性質(zhì)，實(shí)施316L 不銹鋼涂層多層熔覆，對(duì)二極管激光熔覆做了充分運(yùn)用，在此之上，詳細(xì)分析了獲得產(chǎn)物的電化學(xué)性能以及顯微硬度。美國(guó)不同高校也對(duì)激光熔覆技術(shù)進(jìn)行了探索，包括田納西大學(xué)、密歇根大學(xué)，研究?jī)?nèi)容涉及利用激光熔覆依托鋁基材完成銅合金制備、依托TiB2完成耐磨涂層制備、激光熔覆沖壓模具與耐磨工具等。

針對(duì)激光熔覆亞洲學(xué)者也進(jìn)行了系列性的分析，例如：新加坡南洋理工大學(xué)依托激光熔覆技術(shù)，完成制備金屬基復(fù)合材料涂層。日本三菱、豐田、尼桑等企業(yè)充分將零件中加入激光熔覆，分析零件機(jī)械性能優(yōu)化。名古屋大學(xué)Guojian Xu，，Munaharu Kutsuna等人，圍繞激光熔覆技術(shù)展開分析，在WC 合金與鎢鉻鈷合金熔覆層制備過程中結(jié)合了碳鋼JIS-SM400B表面，并運(yùn)用了多樣化的手段：化學(xué)成分成梯度分布（FGMMLC）、化學(xué)成分不變（CCCMLC），結(jié)果表明在顯微裂紋敏感性方面，后者高于前者。澳大利亞斯溫伯恩理工大學(xué)S.Sun，Y.Durandet 等人，對(duì)激光熔覆進(jìn)行研究，并探討裂紋與稀釋率受到熔覆搭接率和激光功率的影響，結(jié)果顯示分別為18、25 J/pulse 的激光脈沖能量，40 Hz 的激光脈頻率以及89%熔覆搭接率狀態(tài)下，稀釋率約為4%，達(dá)到最低。搭接率與裂紋出現(xiàn)幾率呈反比關(guān)系。澳大利亞D.Salehi，M.Brandt 在激光熔覆時(shí)采用LabView 系統(tǒng)對(duì)Nd：YAG 實(shí)施控制與檢測(cè)，確定對(duì)應(yīng)的熔池溫度，發(fā)現(xiàn)熔覆層材料稀釋率削弱。

通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)際領(lǐng)域圍繞激光熔覆技術(shù)展開的相關(guān)研究中，主要集中在熔覆層缺陷與性能、微觀組織結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力與顯微裂紋控制、激光熔覆專用設(shè)備、微觀金相分析、激光熔覆重要參數(shù)檢測(cè)等。與此同時(shí)還有，最近幾年比較流行的各類材料涂層熔覆于無(wú)定性組織的金屬M(fèi)g 合金表層及對(duì)應(yīng)的機(jī)械性能研究。

2.3 當(dāng)前問題與發(fā)展趨勢(shì)

目前針對(duì)激光熔覆等相關(guān)研究存在的主要局限是不同基本材料的熔覆材料會(huì)存在差異，在制備熔覆層后定性研究熔覆層的耐磨性和耐腐性，顯微組織和顯微硬度等，這些性能均得到了提高。加工激光熔覆時(shí)針對(duì)不同的熔覆材料激光功率工藝參數(shù)以及激光掃描速度等進(jìn)行針對(duì)性選用，在完成熔覆層制備之后，展開具體的對(duì)比分析，最后針對(duì)特定熔覆材料確定最合適的激光熔覆工藝參數(shù)。針對(duì)關(guān)鍵工藝參數(shù)如功率分布、熔覆材料特性、激光掃描速度等展開多次實(shí)驗(yàn)，最終確定最合理的參數(shù)。目前針對(duì)激光熔覆參數(shù)作用機(jī)理展開研究的相對(duì)不是很多，需要展開針對(duì)性的定量分析和定性分析，由此更好地提取激光熔覆的系統(tǒng)信息，實(shí)現(xiàn)信息的有效融合。對(duì)國(guó)內(nèi)外激光熔覆的研究現(xiàn)狀進(jìn)行應(yīng)用，通過先進(jìn)制造技術(shù)的引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)激光熔覆加工質(zhì)量的全面提高。要在理論研究的同時(shí)做好實(shí)驗(yàn)論證，同步推動(dòng)技術(shù)研究和應(yīng)用研究的發(fā)展。針對(duì)激光熔覆的工業(yè)化應(yīng)用展開的研究如下。

2.3.1 激光熔覆復(fù)雜耦合信息作用規(guī)律及調(diào)控方法

激光熔覆工藝涵蓋的信息較為復(fù)雜，包括零部件、設(shè)備以及工藝等。對(duì)該技術(shù)工藝進(jìn)行研究與應(yīng)用時(shí)，需要對(duì)相關(guān)核心因素做綜合考慮，如激光功率、激光掃描速度、熔覆材料特性以及搭接率等。激光熔覆的理論技術(shù)基礎(chǔ)是耦合信息的復(fù)合作用規(guī)律及調(diào)控方法。

2.3.2 優(yōu)化激光熔覆控制系統(tǒng)

激光熔覆工藝能夠進(jìn)行產(chǎn)品的高效性制備，主要是由于該工藝具有較強(qiáng)的信息捕捉能力和統(tǒng)籌能力。對(duì)激光熔覆工藝的信息捕捉與處理過程進(jìn)行研究分析，從激光熔覆的復(fù)雜信息作用機(jī)理出發(fā)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信息處理機(jī)制的完善構(gòu)建。針對(duì)激光熔覆工藝制定相應(yīng)的優(yōu)化模型，通過模型對(duì)激光熔覆存在的組織不均勻、殘余應(yīng)力等相關(guān)問題進(jìn)行妥善處理，進(jìn)一步優(yōu)化激光熔覆過程的質(zhì)量和精度，意義重大。

2.3.3 激光熔覆加工的定量控制

定性研究多元復(fù)雜耦合信息的作用機(jī)制和調(diào)控機(jī)制，針對(duì)激光熔覆工藝展開具體的定量研究，由此使得激光熔覆的高質(zhì)量加工和穩(wěn)定加工能夠具有一定的技術(shù)支撐。

3 水冷壁管熔覆層制備工藝與方法

水冷壁管道熔覆層制備對(duì)高密度激光束進(jìn)行應(yīng)用，在鍋爐水冷壁管外部熔覆陶瓷和金屬的復(fù)合材料，在熔覆過程中要對(duì)外表面的厚度進(jìn)行精準(zhǔn)把控，對(duì)高質(zhì)量冶金進(jìn)行利用。冷卻系統(tǒng)、激光系統(tǒng)等屬于常見的激光熔覆工藝系統(tǒng)。

以下是常用的水冷壁管熔覆層技術(shù)指標(biāo)：

（1）熔覆層與基體達(dá)到冶金結(jié)合，基體元素與熔覆層元素實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散與融合，孔隙率≤0.1%。熔覆層厚度500～3000 μm，厚度可調(diào)可控，表面顯微硬度高于850 HV。熔覆層的氧化增重量在溫度低于800 ℃時(shí)比水冷壁管母材的相應(yīng)值更低。

（2）在鍋爐水冷壁典型工況條件下，熔覆層的耐磨損性能為水冷壁管基體的2.5倍以上。一般采用磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行壽命評(píng)估，也可通過電廠實(shí)際運(yùn)行一段時(shí)間后熔覆層的減薄情況預(yù)測(cè)壽命。

（3）高溫耐磨熔覆材料使用較多的是金屬和陶瓷的復(fù)合材料，通過復(fù)合材料的使用，使得熔覆層具有了較好的導(dǎo)熱性、韌性和硬度。針對(duì)不同熔覆材料組份對(duì)不同的金屬材料進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)爐膛的不同部位進(jìn)行一種復(fù)合材料的針對(duì)性設(shè)計(jì)，全面提高水冷壁管的高溫耐磨性和運(yùn)行可靠性，由此更好地滿足運(yùn)行要求。

利用15CrMoG 材質(zhì)制作鍋爐水冷壁管，主要是由于這種材質(zhì)有著較低的含碳量，同時(shí)有著較好的韌性、塑形、強(qiáng)度、焊接性以及冷熱成型性，但是不足之處是整體耐磨性不是很好。

耐磨涂層是通過常規(guī)電弧噴涂工藝進(jìn)行制備的，通過涂層與基底的有機(jī)結(jié)合形成耐磨涂層，耐磨涂層的強(qiáng)度在10～50 MPa 之間，整體有著較低的強(qiáng)度。涂層厚度比激光熔覆層更低。爐膛內(nèi)部在受到交變熱應(yīng)力和高溫沖蝕時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)脫落等情況，整體防磨性能相對(duì)有限。

激光高能束熔覆技術(shù)能夠精準(zhǔn)地進(jìn)行熱輸入控制，有著較好的稀釋率、可控性和較小的熱機(jī)變性。通過該技術(shù)制備的熔覆層，不會(huì)出現(xiàn)氣孔以及裂縫等現(xiàn)象，整體組織分布和厚度都較為均勻，具有其他噴涂技術(shù)不具備的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。在鍋爐水冷壁管表面進(jìn)行激光熔覆層的制備，通過對(duì)基體冶金的結(jié)合應(yīng)用，可以對(duì)熱噴涂技術(shù)制備的涂層容易出現(xiàn)脫落等相關(guān)問題進(jìn)行妥善處理。選用的激光器輸出功率和波長(zhǎng)分別是2 kW、0.8 μm，使用的熔覆材料是陶瓷和金屬的混合物。在熔覆期間能夠?qū)﹀仩t管轉(zhuǎn)動(dòng)速度、送料速度等進(jìn)行精準(zhǔn)控制，由此使得熔覆材料能夠?qū)す馐芰窟M(jìn)行吸收之后，在水冷壁管外表面實(shí)現(xiàn)均勻熔融。熔池在熔覆期間會(huì)出現(xiàn)高溫反應(yīng)，經(jīng)過冷卻處理制作的鉻基陶瓷-金屬熔覆層具有較強(qiáng)的耐磨性和耐高溫性。熔覆層對(duì)多道搭接制備形式進(jìn)行應(yīng)用，熔覆寬度、厚度、結(jié)合強(qiáng)度分別是5 mm，1 mm，155 MPa。

制備的水冷壁管耐磨熔覆層的顯微厚度超過900 HV?？梢葬槍?duì)熔覆層利用磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)展開具體的磨損特性實(shí)驗(yàn)，如摩擦磨損、磨粒磨損等。通過研究發(fā)現(xiàn)熔膜層相對(duì)于金屬水冷壁光管有著更強(qiáng)的耐磨損性，預(yù)估耐磨損壽命會(huì)相對(duì)延長(zhǎng)5年以上。

4 結(jié)論

燃煤電廠鍋爐的水冷壁管易發(fā)生飛灰引起的高溫沖蝕磨損，所造成的停運(yùn)甚至爆管事故會(huì)造成電廠巨大的經(jīng)濟(jì)損失。激光熔覆技術(shù)主要依托高能密度激光束，對(duì)熔覆材料進(jìn)行輻照加熱，使得基材表面薄層與熔覆材料一起被熔化且以極快的速度再次凝固，構(gòu)成熔覆層附著于基體表面，其具備的特征是冶金結(jié)合、組織結(jié)構(gòu)緊密。合理選擇熔覆材料如某些金屬—陶瓷復(fù)合材料，配合適當(dāng)?shù)募す庠O(shè)備參數(shù)和加工工藝，可以有效獲得耐磨熔覆層，這有助于優(yōu)化高鍋爐水冷壁管耐腐蝕以及耐磨性能。此外，拓寬激光熔覆層研究的深度與廣度，對(duì)優(yōu)化激光熔覆技術(shù)有積極意義，包括耐磨耐腐蝕性、顯微硬度與結(jié)構(gòu)、傳熱特性、組織等，在工程應(yīng)用領(lǐng)域也具有極高的科學(xué)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。