隨著現代科學技術和工業不斷發展，對零部件工作的環境也越來越趨于復雜化，表面性能的要求越來越高，因此零件報廢率大大增多。通常因為表面失效而報廢的零件有：轉子葉片、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。如果能對因誤加工或服役損傷而致使報廢的零件進行修復，不僅能夠挽回巨大的經濟和時間損失，還可以提高資源的利用率，符合我國可持續發展的戰略。
目前零部件修復的方法有激光熔覆、真空釬焊、真空涂層法、鎢極惰性氣體保護焊（TIG）和等離子體熔覆修復等方法 。激光熔覆是根據工件的工況要求，熔覆各種設計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，熔覆過程中對修復工件的熱輸入量少，熱影響區小，熔覆層組織細小，易于實現自動化等，因此使用激光熔覆的方法來修復轉子等零部件比其它的方法具有更大的優勢。激光熔覆技術解決了傳統電焊、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難題，同時也解決了傳統電鍍、噴涂等冷加工過程中覆層與基體結合強度差的矛盾，這就為表面修復提供了一個很好的途徑。
本文綜述了激光熔覆技術在表面修復中的應用，概括了國內外激光修復技術在不同零件和不同的失效情況上的研究發展，并對激光熔覆在表面修復中的應用前景進行了展望。
1 轉子葉片的修復
轉子葉片又稱動葉，是隨同轉子高速旋轉的葉片，通過葉片的高速旋轉實現氣流與轉子間的能量轉換。轉子葉片承受很大的質量慣性力、較大的氣動力和振動載荷，還要承受環境介質的腐蝕與氧化，以及高速運行微小粒子的沖蝕，但加工比較困難，渦輪轉子葉片還要在高溫狀態下工作。轉子葉片是直接影響發動機性能、可靠性和壽命的關鍵零件，并且其工作條件十分惡劣容易損壞，所以對材料性能的要求也大大的提高，同時提高了材料的經濟成本，也為其做修復帶來廣闊的市場。激光熔覆工藝在轉子葉片上的應用已經的到了很好的研究，這也為其在修復方面的應用提供了有利的前提。
1.1 航空發動機葉片的修復
目前航空發動機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過程中可能存在局部缺陷，如現縮松、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點，同時，激光熔覆超高的溫度梯度有利于材料的定向凝固生長 。因此國內外對激光熔覆技術修復高附加值的葉片開展了廣泛的研究并在工業上已成功應用 。同時，對激光熔覆技術與堆焊、TIG焊和等離子體熔覆進行了比較研究。David W. Gandy等人的研究工作指出，在優化激光工藝條件下，實現了IN-738基體上激光熔覆逐層沉積IN-939，獲得了質量良好的沉積層。德國Fraumhofer ILT 研究所對Ti-6Al-4V和Ti-17葉片進行了激光修復并取得了成功。L.Sexton等人采用Inconel 625 和Rene 142鎳基高溫合金進行激光熔覆修復葉片，指出激光熔覆層比TIG涂層具有較小的熱影響區和稀釋率，良好的微觀組織、較高的硬度和較低的氣孔率。L.shepeleva等通過試驗比較了葉片激光熔覆層和等離子體熔覆層的優劣，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，良好的結合界面。1981年Rolls-Royce公司對RB211飛機發動機高壓葉片連鎖。GE公司已將激光熔覆技術用于航空發動機鎳基高溫合金葉片的修復，并且獲得了很好的效果。
1.2 汽輪機葉片的修復
汽輪機葉片在電力工業中將高溫高壓氣體的線性運動轉變成汽輪機軸的轉動。汽輪機葉片的失效形式主要有兩種：一種是葉片斷裂，主要發生在葉片的根部，這種失效是不可修復的；另一種失效形式是氣蝕，主要是發生在葉片頂端面或根部，氣蝕損傷的葉片是可以修復再利用的。
激光熔覆在燃氣輪機熱端部件修復上的運用應首推GE公司，該公司在1990年采用5kw CO2 激光加工熱層堆焊接長修復了高壓渦輪葉片的葉尖，并稱為該公司十大新技術之一。后來美國的Liburdi Engineering Limited也在JT8D發動機轉子葉片的葉尖與葉冠修復上，研究發展了一套高自動化的激光熔敷系統。德國馬達和燃氣輪機聯合公司(MTU)維修公司與漢諾威激光研究中心，發展了激光熔覆堆焊技術用于渦輪葉片冠部阻力面的硬面敷層或恢復幾何尺寸。美國 Westinghouse 公司用該技術修復長1.2m的蒸汽機葉片前端的水蝕。Pratt& Whitney公司用6kW激光器，在鎳基合金汽輪機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臺發動機進行大修，僅葉片修復一項每年可獲得若干億美元的效益。
國內的汽輪機葉片修復技術在近十年里也得到了大幅度的發展。從工藝的調配到熔覆材料的選擇上都以取得長足進步。如蘭州理工大學常年來對激光熔覆修復材料進行研究，在該領域取得了一定的成果，且與蘭州長城機械廠合作對煙氣輪機葉片等零部件的激光熔覆修復技術進行研究，并且取得了成功以規模化投入生產。
2 輥軸類零件的修復
軋輥是使(軋材)金屬產生塑性變形的工具，是決定軋機效率和軋材質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時多采用車削或磨削等“補救措施”修正輥型。采用激光熔覆修復軋輥表面已成為延長軋輥壽命的一個主要發展方向和途徑[18]。該技術不僅可以修復軋輥，而且可以提高軋輥的耐磨性，延長軋輥的使用壽命，改善鋼材的表面質量。
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，發電機轉軸、各種傳動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的，而以磨損為主的表面失效是可以修復的。采用大功率激光熔覆修復技術，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械性能，將報廢的零件再次使用。
北京工業大學的陸偉，姚寧娟等對高速線材軋輥、熱軋輥進行激光熔覆Co-WC鈷基合金試驗研究，北京科技大學的張來啟等在精軋NiCrMo無限冷硬白口鑄鐵熱軋輥上激光熔覆NiCrSiBC鎳基合金，并經現場軋制壽命評估實驗，按磨損量計算，激光熔覆輥比未經激光處理輥壽命提高25.7%-37.4%?，F在在國內，已經可以對高轉速空壓機轉子、大型往復壓縮機曲軸裂紋、泵軸、螺桿壓縮機轉子等軸類零件進行修復。應用激光熔覆技術，分別對柳鋼燒結廠風機軸、鄂式液壓保護破碎機主軸，柳鋼轉爐廠電機轉子、上汽通用五菱的軸等進行了修復，修復后軸的各項性能均達到甚至超過原有的效果，使用情況良好。
3 模具類的修復
模具在鑄造成型和塑料成型加工中起著重要作用，其制造工藝復雜，生產周期長，加工成本高。因此，對失效模具進行修復再利用，無疑有著顯著的經濟效益。模具使用壽命取決于抗磨損和抗機械損傷能力，一旦磨損過度或機械損傷，須經修復才能恢復使用。激光熔覆已成為修復模具的研究熱點，備受國內外學者關注。#p#分頁標題#e#
激光熔覆實現對模具的表面磨損進行修復的方法可以歸結為：用高功率激光束以恒定功率P 與熱粉流同時入射到模具表面上，一部分入射光被反射，一部分光被吸收，瞬時被吸收的能量超過臨界值后，金屬熔化產生熔池，然后快速凝固形成冶金結合的覆層。激光束根據CAD二次開發的應用程序給定的路線，來回掃描逐線逐層地修復模具。特別是經過修復后的模具幾乎不需再加工。
4 對其他零部件的修復
閥門在使用過程中，其密封面長期處于介質之中并受到介質的沖刷和腐蝕。利用激光熔覆工藝代替等離子噴涂和真空感應熔焊工藝，在內燃發動機排氣閥密封面熔覆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。
汽輪機的中壓蒸汽室噴嘴及部分隔板噴嘴，受蒸汽介質的沖蝕比較嚴重。其中壓缸噴嘴承受溫度為350℃，材質為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其損傷部位，極易造成基體熱變形，產生裂紋。應用激光熔覆的工藝進行了修復，修復后的噴嘴達到了原設計要求，經過一段時間的運行效果良好[28]。
高速傳動滲碳齒輪磨損齒面因殘余滲碳層的存在給齒面修復造成很大的困難。這類齒輪的材料為20Cr2Ni4A或18Cr2Ni4WA鋼，滲碳層深度為1.6~1.9 mm。應用激光熔覆的工藝進行了修復。這種熔覆層完全滿足對齒輪修復的要求。經測試在接觸應力2170 MPa 滑差為12.5 %和20號機油潤滑條件下激光熔覆層的接觸疲勞特征壽命比零件滲碳強化層提高了15 %。這種熔覆層完全滿足對齒輪修復的要求。
煙氣膨脹機(簡稱煙機)是煉油廠等工業部門余熱發電的重要裝置，輪盤是該裝置的關鍵部件。目前對于煙機輪盤的修復主要是使用激光熔覆修復。通過修復的激光熔覆層是通過層-層堆鑄方法形成的，由底層經過中間層到面層。蘭州煉油廠、上海煉油廠和大連煉油廠等單位的煙機輪盤都使用激光熔覆修復。蘭州理工大學與蘭州長城機械廠合作已經對煙機輪盤進行修復，并且取得了成功以規?；度肷a，并在TH85-2、E-232煙機上應用。這進一步完善與發展了煙機輪盤激光熔覆修復系統工程，建立了質量保證體系，更好的完善了激光熔覆修復技術。
5 結語
激光熔覆技術對制造技術要求高、生產周期長、加工費用高，價格昂貴的工程構件進行修復具有廣泛的工程需求，同時可以優化資源配置，節約貴重、稀有金屬材料，降低能源消耗，節省資金。激光熔覆修復技術無污染、無公害，有很強的保護環境的作用，屬于綠色再制造工程。從長遠的角度看，激光熔覆技術以其獨特的優勢必將在精密修復中扮演重要的角色。
激光熔覆技術精密修復零部件尚需在激光熔覆材料的研制、激光工藝參數的優化、激光熔覆過程的自動化、激光熔覆系統中應力場和溫度場的控制等方面進行深入的研究和探討。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
