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激光熔覆技术与涡轮机修复分析
2019-2-16
来源:未知
点击数: 885          作者:未知
  • 在当今动荡的经济时代,我们很自然地希望大投资能够尽可能长时间有效,且物有所值。特别是对于工业燃气涡轮部件来说,更是如此,部件的制造和替换非常昂贵,因此有必要使用高效的维修技术来保护投资。工业燃气涡轮机的主要用途是发电,还可用于驱动压缩机,另外还可在某些环境下用于驱动油泵,比如钻油平台和油田。
      高价值部件被放在燃烧室后面,在这里部件不得不经受热气体的极高温度。热气体通道部件是由以镍为基材的高温超级合金制成。不过,超级合金的坚固性使得这种材料很难甚至不可能通过传统的焊接工艺来修理。尽管现在有各种涂层技术可以用来修理和修复这些部件,但激光熔覆正成为******的方法,原因在于其高度化的局部热量输入、广泛可用的材料以及热敏材料的可焊性被增强了。在过去的15年里,技术人员在修理涡轮部件时已经越来越多地引入自动化的激光熔覆工艺,而不是手工的传统焊接工艺,如钨极氩弧焊(TIG)。实际上,工业燃气涡轮机和航空发动机正是在驱动激光熔覆革新的应用行业。
    激光熔覆技术应用于修整叶尖
    图1、激光熔覆技术应用于修整叶尖。
      什么是激光熔覆?
      激光熔覆使用激光来熔化涂层部件表面的材料。然后粉末喷嘴将金属粉末传输至熔化槽,从而形成冶金结合。激光镜片和粉末喷嘴在工件表面上移动,产生了单轨、单层或者更复杂的焊接积层。
    在一个单晶试验样品上进行激光熔覆
    图2、在一个单晶试验样品上进行激光熔覆。
    自从上世纪九十年代开始使用以来,激光熔覆在涡轮机修理工艺中越来越受欢迎,部分原因在于价格的下降。初,激光本身的成本非常高,因此对于技术人员来说,激光熔覆是一项昂贵的投资。不过,新的激光器类型比如二极管、光纤和碟片,已经非常成熟,使得激光熔覆逐渐成为可负担起的技术。与传统的二氧化碳或Nd:YAG激光器相比,这些新型激光器基本无需保养,电机效率很高,没有灵敏易坏的部件或光学器件。因此,在过去五年投资成本已经减少约一半。
      除了工业燃气涡轮机和航空航天部件,激光熔覆在普通工业应用中也越来越受欢迎,比如油气采矿工具、活塞发动机、压缩机、泵,甚至农业设备。
      激光熔覆的优点
      众所周知,激光熔覆很少甚至不会使基材产生变形。原因在于高度化的局部热量输入可以通过熔化材料来形成冶金结合,这对于高精度部件比如模具和金属板材结构非常关键。传统焊接工艺的高温会对部件产生巨大的影响,进一步导致损坏。
      不过,激光熔覆大的优点还不为众人所知,那就是大幅提高了温度敏感型材料比如超级合金和高碳钢的可焊接性。TIG焊接会产生非常高的热输入,因此会导致更多的焊接缺陷比如裂缝。所以,在修理热气体通道部件时,通常不会选择TIG。
      激光熔覆的第二个主要优点是更高的几何精确度;与传统焊接工艺相比,会节省应用的材料。与TIG焊接相比,激光熔覆能够产生接近终成形结构、更干净的表面处理,因此有更好的几何学,更少的材料冗余。举例来说,涡轮叶尖处需要6毫米的积层。激光熔覆在涡轮叶片边上生成的焊接积层大约为0.3毫米,而TIG焊接会生成多达2毫米的冗余,因此会应用更多的材料,接着还要去除这些材料,导致更多的精整加工工作和更多的人工。
    左图:在三维几何体上进行激光熔覆;右图:使用激光熔覆一层之后,如图可见涡轮增压器的细节,焊接积层有1毫米厚
    图3、左图:在三维几何体上进行激光熔覆;右图:使用激光熔覆一层之后,
    如图可见涡轮增压器的细节,焊接积层有1毫米厚。
    另外,计算机数控(CNC)系统能够帮助激光熔覆成为大规模可复制的工艺,使得技术人员在生产中能够重复高质量加工。
      三维几何体
      有些部件如涡轮增压器迂回曲折,给涂层材料和工艺带来特别的挑战。因此,这种三维几何体需要合适的、能够在必要时移动部件的处理系统。而且对加工路径进行编程,要求足够的计算机辅助制造(CAM)工具。另外,激光熔覆系统的程序员需要足够理解激光熔覆工艺,才能生成合适的“焊接”策略。焊接策略必须考虑材料问题比如边缘的过热,还要考虑几何学问题比如由部件制造工艺或者部件先前运行工况导致的几何偏差。
    修复后的工业燃气涡轮机叶片
    图4、修复后的工业燃气涡轮机叶片。
      方法论
      就像其它焊接工艺一样,激光熔覆要求充分地准备焊接表面。通常,步是移除多余的材料,以确保有牢固的基础进行修理。举例来说,如果准备将一台受到热气体腐蚀或摩擦损坏的涡轮叶片送回工厂进行翻新,技术人员在开始修复工艺之前需要去除损坏区域。
      由于激光熔覆是CNC工艺,生成焊接路径需要有部件的几何学信息,比如三维CAM模型或者是数字化数据。通常合适的焊接策略源于已确认的工艺。这种工艺涉及客户的需求,由他们来决定焊接积层几何学和焊接质量的验收标准。工艺条件包括确定正确的工艺参数。这些参数包括激光功率、校正后用来确定熔化槽大小的激光焦点直径、焊接轨道宽度、用来确定加工头在部件上移动速度的进给速率,以及进粉速率——也就是粉末送进熔化槽的速度。
      走进微观涂层
      尽管肉眼难以观察得到,其实这一应用由两个不同的层组成,有时由于多了缓冲层而有三层。微观视图(图5)显示的激光熔覆应用中,以MetcoClad 625为缓冲层,将钨铬钴合金694焊接到CMSX-4上面。照片中右边显示了CMSX-4的单晶材料,晶体方向虽然不可见,但都排列成一个方向。
    效果图:在以镍为基材的高温超级合金上进行激光熔覆
    图5、效果图:在以镍为基材的高温超级合金上进行激光熔覆。
    在激光熔覆工艺中,中间区域(MetcoClad  625)是一个缓冲层。在后来应用钨铬钴合金坚硬表面时,MetcoClad625作为一种韧性材料,防止裂开或损害基材。晶体结构的水平和垂直线条实际上源于CMSX-4,在MetcoClad 625凝固时形成。照片左边的钨铬钴合金694是功能表面——作为在高温环境下耐磨损的涂层。
      总结
      由于激光熔覆技术能产生较高的几何精确度和更少的热应力,与传统焊接工艺相比,它具有明显的优势,已经成为高价值部件修理的标准。工业燃气涡轮机的翻新将继续引导创新技术,事实上激光熔覆就是为这一行业定制的解决方案。随着越来越多的加工厂应用这种技术,耐磨损、耐侵蚀或耐腐蚀的功能性涂层将得到广泛应用。丰富的经验和深入的应用技术仍将是成功操作激光熔覆系统的关键。
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