激光加工技術在汽輪機葉片制造中的應用分析

王婷，張成財，張楊

（山東青能汽輪機有限責任公司，山東 濰坊 262500）

現(xiàn)階段，社會經濟高速發(fā)展，各類工業(yè)企業(yè)也逐漸走上現(xiàn)代化和智能化發(fā)展道路，而在激烈的市場競爭中，工業(yè)企業(yè)面臨的發(fā)展壓力也越來越大。在現(xiàn)代石化和輕工產業(yè)發(fā)展過程中，工業(yè)汽輪機以其獨特的優(yōu)勢占據著重要地位。若想充分滿足現(xiàn)代工業(yè)產業(yè)發(fā)展對動力設備的多元化需求，就要加強工業(yè)汽輪機的制造，進一步提高汽輪機的生產質量，完善其性能。在此過程中，也要實現(xiàn)激光加工技術在汽輪機葉片生產過程中的高效應用，從而在優(yōu)化汽輪機葉片制造的基礎上，充分發(fā)揮工業(yè)汽輪機在工業(yè)生產制造領域的應用優(yōu)勢及價值。

1 激光加工技術基本概述

1.1 激光加工技術的主要原理

所謂激光加工技術，簡而言之，便是將激光束投射到加工件的表面層，并借助激光作用讓工件融化，從而方便后續(xù)工件的切割以及塑形加工。在這種加工方式的幫助下，能有效改變材料表面性能。而進入實際加工階段后，加工工具與加工物體表面之間并不會產生直接的接觸，也自然不會出現(xiàn)摩擦力，因此，該項技術具有較高的精準度和高效性。除此之外，工件加工是建立在受熱基礎上的，而其影響往往表現(xiàn)在局部領域，范圍相當有限，所以該技術的應用也不會像傳統(tǒng)加工方式一樣產生噪聲。最后，應用激光加工技術的操作人員，還能合理地控制激光束能量的大小以及移動的速度這樣，不同工件加工的效果也得到更強有力的保障。

1.2 激光加工技術的主要特征

激光加工技術是以現(xiàn)代激光技術為基礎，與過去傳統(tǒng)的工業(yè)加工技術相比，激光加工技術作為現(xiàn)代化生產技術，具有傳統(tǒng)技術不具備的優(yōu)勢。一方面，激光加工技術應用的是具有較強靈活性的激光束，操作人員在使用過程中簡單調節(jié)后，便能將該技術應用于不同類型工件的加工作業(yè)中，且該技術能夠廣泛應用于各種加工作業(yè)中。另一方面，對于許多金屬和非金屬材料，激光加工技術也可進行操作，對于某些脆性、硬度以及熔點較高的材料而言，該技術更擁有不容替代的絕佳優(yōu)勢。此外，在利用激光加工技術完成工件加工期間，“刀具”磨損現(xiàn)象可得到有效避免，也不會出現(xiàn)切削力。再者，在開展激光加工作業(yè)時，激光束的能量往往具有較高的密度，其操作速度也相對較快，在進行局部加工過程中，未經激光照射的區(qū)域不易被影響或干擾，正是因為其熱影響區(qū)域范圍較小，所以工件加工過程中不會出現(xiàn)受熱變形現(xiàn)象，這也為后續(xù)加工操作提供了更多便利。與此同時，激光加工技術可借助某些透明介質完成密閉空間內的工件加工，且激光束大多具有明顯的導向性特征，其也容易聚集進行加工，操作過程中操作人員能對激光束照射的方向進行自由的轉換，這樣一來，也便于加工操作與數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)配合。最后，在激光加工技術的幫助下，工件施工生產的效率將顯著提升，其質量也能得到更強有力的保障，由此所帶來的經濟效益自然能有所增加。

2 激光加工技術具體分類

2.1 激光打孔技術

所謂激光打孔技術，簡而言之，便是借助脈沖激光器，完成特定設備的打孔操作。一般來說，激光脈沖的寬度保持在0.1～1ms，這種寬度與微型孔和異形孔的適配性更高。而通常情況下，激光打孔的孔徑則保持在0.005～1mm?？偟膩碚f，激光打孔技術具有孔徑較小的基本特征，因此該技術在鐘表珠寶以及精密儀表的制造加工行業(yè)得到了更大規(guī)模的應用，因為此類行業(yè)對工件精密度提出了更高的要求。

2.2 激光切割技術

現(xiàn)階段，激光切割技術的應用領域相對廣泛。對于汽車、造船等工業(yè)加工企業(yè)而言，激光切割技術的應用已相對常見，且其對開展切割操作的激光器也提出了更高的要求。在激光切割技術的幫助下，不僅能充分保障切割的精準度，同時還能有效提升切割作用的整體效率和質量，這也在一定程度上實現(xiàn)了工業(yè)企業(yè)生產效率及規(guī)模的提升。而除大型工業(yè)生產之外，激光切割技術還在劃片、刻字等加工作業(yè)過程中得到了高效應用。

2.3 激光微調技術

激光微調技術，其實就是指通過中小型激光設備，對電子小型原件材料進行切割的過程。相比其他激光加工技術而言，激光微調技術不僅準確度較高，且其速度相對較快，在大規(guī)模生產過程中也得到了高頻應用。與此同時，在開展基層電路修復作業(yè)過程中，激光微調技術的應用也能充分展現(xiàn)其優(yōu)勢，該技術不僅能完成很多人力操作無法企及的作業(yè)項目，同時，還能充分保證其質量。

2.4 激光焊接技術

激光焊接技術的應用也有其獨特的優(yōu)勢，該技術不僅焊接強度極高，且熱，變形較小，密封性能也相對優(yōu)良，因此，其在尺寸和性質差距較大的組件焊接作業(yè)中，充分展現(xiàn)了自身價值。對于某些熔點較高或存在異氧化特征的組件，如陶瓷等，其焊接效果將更具優(yōu)勢。

3 激光焊接技術在汽輪機葉片制造中的具體應用

3.1 在汽輪機葉片激光合金化中的應用

激光合金化主要是指利用高能量激光束融化、混合機體材料表面的薄層和合金元素，進而使得材料表面的要求深度能夠在短時間內與化學成分相一致，同時，表面合金化層是以原基材為基礎。例如，2crl3組件，激光合金化處理該組件后，其層深和顯微硬度分布如圖1所示。

圖1

激光合金化的處理，使其表層硬度明顯增加。除此之外，在完成基材和激光合金化試樣的模擬氣蝕實驗后，其數(shù)據表現(xiàn)結果如圖2所示。

圖2

由此可見，在同等環(huán)境條件下，激光合金化材料的抗氣蝕性能更為優(yōu)越。而通過顯微鏡觀察可發(fā)現(xiàn)：該組件表面并不存在氣孔和裂痕現(xiàn)象，由此便可得出激光合金化處理技術的應用，能夠構建較完美的冶金結合層?？偟膩碚f，對汽輪機葉片進行激光加工處理，主要是為了提高葉片的抗氣蝕性能。若汽輪機葉片未經過激光加工處理，在葉片工作一段時間后，便會出現(xiàn)氣蝕面，表面也會產生深度較大，分布相對均勻的氣蝕坑，這些現(xiàn)象主要是由于葉片表面出現(xiàn)金屬剝落現(xiàn)象而產生。而若對汽輪機葉片進行激光合金化處理，與常規(guī)葉片應用時間相同時，一些較為淺顯的氣蝕坑會在汽輪機的葉片表層形成，分布也會更加均勻，且其交界處不會出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。

3.2 在汽輪機葉片激光固溶強化中的應用

激光固溶強化在汽輪機中的應用主要是針對沉淀硬化材料，實際上，是在該種沉淀硬化材料中通過激光進行加工，從而使得不同區(qū)域產生溫度差，材料元素固溶會擴散和析出，進而完成固溶強化操作。該技術與沉淀硬化性材料的適配度更高，因此，在進行葉片強化過程中，也具有明顯的選擇性。以17-4PH為例，該型號的汽輪葉片機主要是以沉淀硬化不銹鋼材料為主，而在進行該類葉片操作時，首先需完成保溫時效操作，之后需通過激光加熱析出鐵素體以及馬氏體中存在的溶質元素，使其在葉片基層上進行彌散分布，能夠有效改善材料的性能。通過激光固溶強化作用，與之前的葉片基體相比，其耐氣蝕性得到了顯著提高。在相同的環(huán)境條件下，對基材和強化基材進行氣蝕模擬實驗可發(fā)現(xiàn)：經由激光固溶強化處理的強化層表面氣蝕坑的分布形式呈現(xiàn)網狀狀態(tài)，且其分布相對均勻，氣蝕面和非氣蝕面均未出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。總的來說，由于激光固溶強化過程所造成的非平衡快速凝結，以至于葉片表層與組織強度較高的顆粒之間所構成的結合面相對較多，其晶粒的分布也比較均勻，大量細小晶粒邊界的存在還能起到緩沖應力的作用。

3.3 在汽輪機葉片激光修復中的應用

在汽輪機葉片制造過程中應用激光加工技術，不僅能夠顯著提升葉片的抗腐蝕性能，提高其塑性和韌性，同時還能實現(xiàn)葉片質量問題及故障現(xiàn)象的修復，從而充分保障汽輪機中葉片的整體質量水平和性能。在生產制造汽輪機葉片時，當葉片表面出現(xiàn)較大面積的裂痕或者出現(xiàn)明顯的氣孔問題時，葉片的整體強度以及韌性表現(xiàn)都會出現(xiàn)一定程度的下降，這樣一來，工業(yè)汽輪機的工作質量和效率便無法提升。而在這種情況下，可通過激光加工技術完成汽輪機葉片表面質量缺陷及問題的修復，讓葉片表面重新形成化合成，對葉片表面的裂紋和氣孔進行有效消除。在此過程中，一種冶金結合層會形成于葉片表面且較為完善，這種現(xiàn)象表明葉片的質量和性能得到了一定的強化。在進行葉片修復時，也可以用激光直接金屬堆積成型系統(tǒng)，并在同軸送粉技術的幫助下，通過氬氣這一保護氣體，借助三維聯(lián)動系統(tǒng)完成葉片的修復，修復結束后，還需對表面進行合金化的處理。因修復完成后的基體表面大都會有多層堆積現(xiàn)象，所以在修復新一層時可能具有較大的熔深，前一層淬火區(qū)硬度也相對較高。

4 結語

作為一種在激光技術基礎上衍生發(fā)展而來的現(xiàn)代化加工技術，激光加工技術目前已在各行業(yè)領域得到高效應用，其應用優(yōu)勢也逐漸凸顯。而該技術在工業(yè)汽輪機葉片加工過程中，也展現(xiàn)出了其突出的價值。隨著該技術在工業(yè)汽輪機葉片加工中的高效應用，葉片生產加工質量顯著提升，汽輪機的應用效果也得到明顯優(yōu)化。因此，相關企業(yè)及技術人員更應不斷探索，加強實踐，綜合分析激光加工技術在汽輪機葉片制造過程中的實際應用，在探索激光合金化處理、激光固溶強化技術以及激光技術對汽輪機葉片修復等內容的基礎上，推動激光加工技術在汽輪機葉片制造領域的科學應用，為汽輪機葉片生產質量和效率的提升打下堅實基礎，從而推動工業(yè)汽輪機的高速長效發(fā)展。