目前零部件修復(fù)的方法有激光熔覆、真空釬焊、真空涂層法、鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)和等離子體熔覆修復(fù)等方法。激光熔覆是根據(jù)工件的工況要求,熔覆各種設(shè)計(jì)成分的金屬或者非金屬,制備耐熱、耐蝕、耐磨、抗氧化、抗疲勞或具有光、電、磁特性的表面覆層。
激光熔覆是一種快速冷卻的過程,熔覆過程中對(duì)修復(fù)工件的熱輸入量少,熱影響區(qū)小,熔覆層組織細(xì)小,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等,因此使用激光熔覆的方法來修復(fù)轉(zhuǎn)子等零部件比其它的方法具有更大的優(yōu)勢(shì)。激光熔覆技術(shù)解決了傳統(tǒng)電焊、氬弧焊等熱加工過程中不可避免的熱變形、熱疲勞損傷等一系列技術(shù)難題,同時(shí)也解決了傳統(tǒng)電鍍、噴涂等冷加工過程中覆層與基體結(jié)合強(qiáng)度差的矛盾,這就為表面修復(fù)提供了一個(gè)很好的途徑。
本文綜述了激光熔覆技術(shù)在表面修復(fù)中的應(yīng)用,概括了國內(nèi)外激光修復(fù)技術(shù)在不同零件和不同的失效情況上的研究發(fā)展,并對(duì)激光熔覆在表面修復(fù)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
激光熔覆轉(zhuǎn)子葉片的修復(fù)
激光熔覆轉(zhuǎn)子葉片又稱動(dòng)葉,是隨同轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的葉片,通過葉片的高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)氣流與轉(zhuǎn)子間的能量轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)子葉片承受很大的質(zhì)量慣性力、較大的氣動(dòng)力和振動(dòng)載荷,還要承受環(huán)境介質(zhì)的腐蝕與氧化,以及高速運(yùn)行微小粒子的沖蝕,但加工比較困難,渦輪轉(zhuǎn)子葉片還要在高溫狀態(tài)下工作。轉(zhuǎn)子葉片是直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能、可靠性和壽命的關(guān)鍵零件,并且其工作條件十分惡劣容易損壞,所以對(duì)材料性能的要求也大大的提高,同時(shí)提高了材料的經(jīng)濟(jì)成本,也為其做修復(fù)帶來廣闊的市場(chǎng)。激光熔覆工藝在轉(zhuǎn)子葉片上的應(yīng)用已經(jīng)的到了很好的研究,這也為其在修復(fù)方面的應(yīng)用提供了有利的前提。
激光熔覆技術(shù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的修復(fù),目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片大都采用鑄造鎳基高溫合金和定向凝固鎳基高溫合金來制造。鑄造鎳基高溫葉片和定向凝固葉片在生產(chǎn)過程中可能存在局部缺陷,如現(xiàn)縮松、縮孔等鑄造缺陷。
激光熔覆技術(shù)具有局部加熱和低熱輸入量等優(yōu)點(diǎn),同時(shí),激光熔覆技術(shù)超高的溫度梯度有利于材料的定向凝固生長。因此國內(nèi)外對(duì)激光熔覆技術(shù)修復(fù)高附加值的葉片開展了廣泛的研究并在工業(yè)上已成功應(yīng)用。同時(shí),對(duì)激光熔覆技術(shù)與堆焊、TIG焊和等離子體熔覆進(jìn)行了比較研究。DavidW.Gandy等人的研究工作指出,在優(yōu)化激光工藝條件下,實(shí)現(xiàn)了IN-738基體上激光熔覆逐層沉積IN-939,獲得了質(zhì)量良好的沉積層。
德國FraumhoferILT研究所對(duì)Ti-6Al-4V和Ti-17葉片進(jìn)行了激光修復(fù)并取得了成功。L.Sexton等人采用Inconel625和Rene142鎳基高溫合金進(jìn)行激光熔覆修復(fù)葉片,指出激光熔覆層比TIG涂層具有較小的熱影響區(qū)和稀釋率,良好的微觀組織、較高的硬度和較低的氣孔率。L.shepeleva等通過試驗(yàn)比較了葉片激光熔覆層和等離子體熔覆層的優(yōu)劣,指出激光熔覆層比等離子體熔覆層有更高的硬度,無裂紋和氣孔,良好的結(jié)合界面。1981年Rolls-Royce公司對(duì)RB211飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓葉片連鎖。GE公司已將激光熔覆技術(shù)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)鎳基高溫合金葉片的修復(fù),并且獲得了很好的效果。
汽輪機(jī)葉片的修復(fù)
汽輪機(jī)葉片在電力工業(yè)中將高溫高壓氣體的線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成汽輪機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。汽輪機(jī)葉片的失效形式主要有兩種:一種是葉片斷裂,主要發(fā)生在葉片的根部,這種失效是不可修復(fù)的;另一種失效形式是氣蝕,主要是發(fā)生在葉片頂端面或根部,氣蝕損傷的葉片是可以修復(fù)再利用的。
激光熔覆在燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件修復(fù)上的運(yùn)用應(yīng)首推GE公司,該公司在1990年采用5kwCO2激光加工熱層堆焊接長修復(fù)了高壓渦輪葉片的葉尖,并稱為該公司十大新技術(shù)之一。后來美國的LiburdiEngineeringLimited也在JT8D發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的葉尖與葉冠修復(fù)上,研究發(fā)展了一套高自動(dòng)化的激光熔敷系統(tǒng)。德國馬達(dá)和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合公司(MTU)維修公司與漢諾威激光研究中心,發(fā)展了激光熔覆堆焊技術(shù)用于渦輪葉片冠部阻力面的硬面敷層或恢復(fù)幾何尺寸。美國Westinghouse公司用該技術(shù)修復(fù)長1.2m的蒸汽機(jī)葉片前端的水蝕。Pratt&Whitney公司用6kW激光器,在鎳基合金汽輪機(jī)葉片上成功熔覆鈷基合金。在美國俄克拉馬州Tinker空軍基地的后勤維修中心,每年要有約1200臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行大修,僅葉片修復(fù)一項(xiàng)每年可獲得若干億美元的效益。
國內(nèi)的汽輪機(jī)葉片修復(fù)技術(shù)在近十年里也得到了大幅度的發(fā)展。從工藝的調(diào)配到熔覆材料的選擇上都以取得長足進(jìn)步。如蘭州理工大學(xué)常年來對(duì)激光熔覆技術(shù)修復(fù)材料進(jìn)行研究,在該領(lǐng)域取得了一定的成果,且與蘭州長城機(jī)械廠合作對(duì)煙氣輪機(jī)葉片等零部件的激光熔覆修復(fù)技術(shù)進(jìn)行研究,并且取得了成功以規(guī)?;度肷a(chǎn)。
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