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零部件修复中激光熔覆技术应用浅析

2014-09-10 10:12
华静一
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  目前零部件修复的方法有激光熔覆、真空钎焊、真空涂层法、钨极惰性气体保护焊(TIG)和等离子体熔覆修复等方法。激光熔覆是根据工件的工况要求,熔覆各种设计成分的金属或者非金属,制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面覆层。

  激光熔覆是一种快速冷却的过程,熔覆过程中对修复工件的热输入量少,热影响区小,熔覆层组织细小,易于实现自动化等,因此使用激光熔覆的方法来修复转子等零部件比其它的方法具有更大的优势。激光熔覆技术解决了传统电焊、氩弧焊等热加工过程中不可避免的热变形、热疲劳损伤等一系列技术难题,同时也解决了传统电镀、喷涂等冷加工过程中覆层与基体结合强度差的矛盾,这就为表面修复提供了一个很好的途径。

  本文综述了激光熔覆技术在表面修复中的应用,概括了国内外激光修复技术在不同零件和不同的失效情况上的研究发展,并对激光熔覆在表面修复中的应用前景进行了展望。

  激光熔覆转子叶片的修复

  激光熔覆转子叶片又称动叶,是随同转子高速旋转的叶片,通过叶片的高速旋转实现气流与转子间的能量转换。转子叶片承受很大的质量惯性力、较大的气动力和振动载荷,还要承受环境介质的腐蚀与氧化,以及高速运行微小粒子的冲蚀,但加工比较困难,涡轮转子叶片还要在高温状态下工作。转子叶片是直接影响发动机性能、可靠性和寿命的关键零件,并且其工作条件十分恶劣容易损坏,所以对材料性能的要求也大大的提高,同时提高了材料的经济成本,也为其做修复带来广阔的市场。激光熔覆工艺在转子叶片上的应用已经的到了很好的研究,这也为其在修复方面的应用提供了有利的前提。

  激光熔覆技术航空发动机叶片的修复,目前航空发动机叶片大都采用铸造镍基高温合金和定向凝固镍基高温合金来制造。铸造镍基高温叶片和定向凝固叶片在生产过程中可能存在局部缺陷,如现缩松、缩孔等铸造缺陷。

  激光熔覆技术具有局部加热和低热输入量等优点,同时,激光熔覆技术超高的温度梯度有利于材料的定向凝固生长。因此国内外对激光熔覆技术修复高附加值的叶片开展了广泛的研究并在工业上已成功应用。同时,对激光熔覆技术与堆焊、TIG焊和等离子体熔覆进行了比较研究。DavidW.Gandy等人的研究工作指出,在优化激光工艺条件下,实现了IN-738基体上激光熔覆逐层沉积IN-939,获得了质量良好的沉积层。

  德国FraumhoferILT研究所对Ti-6Al-4V和Ti-17叶片进行了激光修复并取得了成功。L.Sexton等人采用Inconel625和Rene142镍基高温合金进行激光熔覆修复叶片,指出激光熔覆层比TIG涂层具有较小的热影响区和稀释率,良好的微观组织、较高的硬度和较低的气孔率。L.shepeleva等通过试验比较了叶片激光熔覆层和等离子体熔覆层的优劣,指出激光熔覆层比等离子体熔覆层有更高的硬度,无裂纹和气孔,良好的结合界面。1981年Rolls-Royce公司对RB211飞机发动机高压叶片连锁。GE公司已将激光熔覆技术用于航空发动机镍基高温合金叶片的修复,并且获得了很好的效果。

  汽轮机叶片的修复

  汽轮机叶片在电力工业中将高温高压气体的线性运动转变成汽轮机轴的转动。汽轮机叶片的失效形式主要有两种:一种是叶片断裂,主要发生在叶片的根部,这种失效是不可修复的;另一种失效形式是气蚀,主要是发生在叶片顶端面或根部,气蚀损伤的叶片是可以修复再利用的。

  激光熔覆在燃气轮机热端部件修复上的运用应首推GE公司,该公司在1990年采用5kwCO2激光加工热层堆焊接长修复了高压涡轮叶片的叶尖,并称为该公司十大新技术之一。后来美国的LiburdiEngineeringLimited也在JT8D发动机转子叶片的叶尖与叶冠修复上,研究发展了一套高自动化的激光熔敷系统。德国马达和燃气轮机联合公司(MTU)维修公司与汉诺威激光研究中心,发展了激光熔覆堆焊技术用于涡轮叶片冠部阻力面的硬面敷层或恢复几何尺寸。美国Westinghouse公司用该技术修复长1.2m的蒸汽机叶片前端的水蚀。Pratt&Whitney公司用6kW激光器,在镍基合金汽轮机叶片上成功熔覆钴基合金。在美国俄克拉马州Tinker空军基地的后勤维修中心,每年要有约1200台发动机进行大修,仅叶片修复一项每年可获得若干亿美元的效益。

  国内的汽轮机叶片修复技术在近十年里也得到了大幅度的发展。从工艺的调配到熔覆材料的选择上都以取得长足进步。如兰州理工大学常年来对激光熔覆技术修复材料进行研究,在该领域取得了一定的成果,且与兰州长城机械厂合作对烟气轮机叶片等零部件的激光熔覆修复技术进行研究,并且取得了成功以规模化投入生产。

 

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