隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)不斷發(fā)展，對(duì)零部件工作的環(huán)境也越來越趨于復(fù)雜化，表面性能的要求越來越高，因此零件報(bào)廢率大大增多。通常因?yàn)楸砻媸Ф鴪?bào)廢的零件有：轉(zhuǎn)子葉片、輥軸類零件、齒輪類零件、接頭類零件等。在零部件整體性能滿足工況的條件下僅是表面損傷的零部件都是可以修復(fù)。如果能對(duì)因誤加工或服役損傷而致使報(bào)廢的零件進(jìn)行修復(fù)，不僅能夠挽回巨大的經(jīng)濟(jì)和時(shí)間損失，還可以提高資源的利用率，符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。
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(guó)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。
1 轉(zhuǎn)子葉片的修復(fù)
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。
1.1 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。
激光熔覆具有局部加熱和低熱輸入量等優(yōu)點(diǎn),同時(shí),激光熔覆超高的溫度梯度有利于材料的定向凝固生長(zhǎng) 。因此國(guó)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。David W. 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(guó)Fraumhofer ILT 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Inconel 625 和Rene 142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。
1.2 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5kw CO2 激光加工熱層堆焊接長(zhǎng)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(guó)的Liburdi Engineering Limited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(guó)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(guó) Westinghouse 公司用該技術(shù)修復(fù)長(zhǎng)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(guó)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(guó)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(zhǎng)足進(jìn)步。如蘭州理工大學(xué)常年來對(duì)激光熔覆修復(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(zhǎng)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)模化投入生產(chǎn)。如圖1是葉片在修復(fù)前與修復(fù)后的對(duì)比。
圖1
2 輥軸類零件的修復(fù)
軋輥是使(軋材)金屬產(chǎn)生塑性變形的工具，是決定軋機(jī)效率和軋材質(zhì)量的重要大型消耗性部件。軋輥失效的最普遍原因是早期磨損失效。目前，軋輥由于磨損需要修復(fù)時(shí)多采用車削或磨削等“補(bǔ)救措施”修正輥型。采用激光熔覆修復(fù)軋輥表面已成為延長(zhǎng)軋輥壽命的一個(gè)主要發(fā)展方向和途徑[18]。該技術(shù)不僅可以修復(fù)軋輥，而且可以提高軋輥的耐磨性，延長(zhǎng)軋輥的使用壽命，改善鋼材的表面質(zhì)量。
通常軸類零件主要失效的原因有軸變形、軸斷裂、軸表面失效。研究表明，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸、各種傳動(dòng)軸等軸類零件的破壞主要是以磨損為主的。其中軸變形、軸斷裂是不可以修復(fù)的，而以磨損為主的表面失效是可以修復(fù)的。采用大功率激光熔覆修復(fù)技術(shù)，可在軸類零件表面失效的部分，激光熔覆一層鐵基合金材料，使得熔覆合金層的零件表面有良好的機(jī)械性能，將報(bào)廢的零件再次使用。
北京工業(yè)大學(xué)的陸偉，姚寧娟等對(duì)高速線材軋輥、熱軋輥進(jìn)行激光熔覆Co-WC鈷基合金試驗(yàn)研究，北京科技大學(xué)的張來啟等在精軋NiCrMo無限冷硬白口鑄鐵熱軋輥上激光熔覆NiCrSiBC鎳基合金，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)軋制壽命評(píng)估實(shí)驗(yàn)，按磨損量計(jì)算，激光熔覆輥比未經(jīng)激光處理輥壽命提高25.7%-37.4%。現(xiàn)在在國(guó)內(nèi)，已經(jīng)可以對(duì)高轉(zhuǎn)速空壓機(jī)轉(zhuǎn)子、大型往復(fù)壓縮機(jī)曲軸裂紋、泵軸、螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子等軸類零件進(jìn)行修復(fù)。應(yīng)用激光熔覆技術(shù)，分別對(duì)柳鋼燒結(jié)廠風(fēng)機(jī)軸、鄂式液壓保護(hù)破碎機(jī)主軸，柳鋼轉(zhuǎn)爐廠電機(jī)轉(zhuǎn)子、上汽通用五菱的軸等進(jìn)行了修復(fù)，修復(fù)后軸的各項(xiàng)性能均達(dá)到甚至超過原有的效果，使用情況良好。#p#分頁標(biāo)題#e#
3 模具類的修復(fù)
模具在鑄造成型和塑料成型加工中起著重要作用，其制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，加工成本高。因此，對(duì)失效模具進(jìn)行修復(fù)再利用，無疑有著顯著的經(jīng)濟(jì)效益。模具使用壽命取決于抗磨損和抗機(jī)械損傷能力，一旦磨損過度或機(jī)械損傷，須經(jīng)修復(fù)才能恢復(fù)使用。激光熔覆已成為修復(fù)模具的研究熱點(diǎn)，備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。
激光熔覆實(shí)現(xiàn)對(duì)模具的表面磨損進(jìn)行修復(fù)的方法可以歸結(jié)為：用高功率激光束以恒定功率P 與熱粉流同時(shí)入射到模具表面上，一部分入射光被反射，一部分光被吸收，瞬時(shí)被吸收的能量超過臨界值后，金屬熔化產(chǎn)生熔池，然后快速凝固形成冶金結(jié)合的覆層。激光束根據(jù)CAD二次開發(fā)的應(yīng)用程序給定的路線，來回掃描逐線逐層地修復(fù)模具。特別是經(jīng)過修復(fù)后的模具幾乎不需再加工[27]。
4 對(duì)其他零部件的修復(fù)
閥門在使用過程中，其密封面長(zhǎng)期處于介質(zhì)之中并受到介質(zhì)的沖刷和腐蝕。利用激光熔覆工藝代替等離子噴涂和真空感應(yīng)熔焊工藝，在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥密封面熔覆NiCrBSi和CoCrW合金涂層，不僅避免了涂層中的孔洞和微裂紋，而且涂層的顯微硬度明顯提高，排氣閥密封面耐磨和耐蝕性能提高3～4倍。
汽輪機(jī)的中壓蒸汽室噴嘴及部分隔板噴嘴，受蒸汽介質(zhì)的沖蝕比較嚴(yán)重。其中壓缸噴嘴承受溫度為350℃，材質(zhì)為ZG20GrMo，葉片排氣端厚度平均只有0.02mm-0.05mm采用一般熔焊方式修補(bǔ)其損傷部位，極易造成基體熱變形，產(chǎn)生裂紋。應(yīng)用激光熔覆的工藝進(jìn)行了修復(fù)，修復(fù)后的噴嘴達(dá)到了原設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行效果良好[28]。
高速傳動(dòng)滲碳齒輪磨損齒面因殘余滲碳層的存在給齒面修復(fù)造成很大的困難。這類齒輪的材料為20Cr2Ni4A或18Cr2Ni4WA鋼，滲碳層深度為1.6~1.9 mm。應(yīng)用激光熔覆的工藝進(jìn)行了修復(fù)。這種熔覆層完全滿足對(duì)齒輪修復(fù)的要求。經(jīng)測(cè)試在接觸應(yīng)力2170 MPa 滑差為12.5 %和20號(hào)機(jī)油潤(rùn)滑條件下激光熔覆層的接觸疲勞特征壽命比零件滲碳強(qiáng)化層提高了15 %。這種熔覆層完全滿足對(duì)齒輪修復(fù)的要求。
煙氣膨脹機(jī)(簡(jiǎn)稱煙機(jī))是煉油廠等工業(yè)部門余熱發(fā)電的重要裝置，輪盤是該裝置的關(guān)鍵部件。目前對(duì)于煙機(jī)輪盤的修復(fù)主要是使用激光熔覆修復(fù)。通過修復(fù)的激光熔覆層是通過層-層堆鑄方法形成的，由底層經(jīng)過中間層到面層。蘭州煉油廠、上海煉油廠和大連煉油廠等單位的煙機(jī)輪盤都使用激光熔覆修復(fù)。蘭州理工大學(xué)與蘭州長(zhǎng)城機(jī)械廠合作已經(jīng)對(duì)煙機(jī)輪盤進(jìn)行修復(fù)，并且取得了成功以規(guī)模化投入生產(chǎn)，并在TH85-2、E-232煙機(jī)上應(yīng)用。這進(jìn)一步完善與發(fā)展了煙機(jī)輪盤激光熔覆修復(fù)系統(tǒng)工程，建立了質(zhì)量保證體系，更好的完善了激光熔覆修復(fù)技術(shù)。
5 結(jié)語
激光熔覆技術(shù)對(duì)制造技術(shù)要求高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、加工費(fèi)用高,價(jià)格昂貴的工程構(gòu)件進(jìn)行修復(fù)具有廣泛的工程需求，同時(shí)可以優(yōu)化資源配置,節(jié)約貴重、稀有金屬材料,降低能源消耗,節(jié)省資金。激光熔覆修復(fù)技術(shù)無污染、無公害,有很強(qiáng)的保護(hù)環(huán)境的作用，屬于綠色再制造工程。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度看,激光熔覆技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)必將在精密修復(fù)中扮演重要的角色。
激光熔覆技術(shù)精密修復(fù)零部件尚需在激光熔覆材料的研制、激光工藝參數(shù)的優(yōu)化、激光熔覆過程的自動(dòng)化、激光熔覆系統(tǒng)中應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的控制等方面進(jìn)行深入的研究和探討。
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