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激光熔覆技術與渦輪機修復分析
2019-2-16
來源:未知
點擊數: 2155          作者:未知
  • 在當今動蕩的經濟時代,我們很自然地希望大投資能夠盡可能長時間有效,且物有所值。特別是對于工業燃氣渦輪部件來說,更是如此,部件的制造和替換非常昂貴,因此有必要使用高效的維修技術來保護投資。工業燃氣渦輪機的主要用途是發電,還可用于驅動壓縮機,另外還可在某些環境下用于驅動油泵,比如鉆油平臺和油田。
      高價值部件被放在燃燒室后面,在這里部件不得不經受熱氣體的極高溫度。熱氣體通道部件是由以鎳為基材的高溫超級合金制成。不過,超級合金的堅固性使得這種材料很難甚至不可能通過傳統的焊接工藝來修理。盡管現在有各種涂層技術可以用來修理和修復這些部件,但激光熔覆正成為首選的方法,原因在于其高度化的局部熱量輸入、廣泛可用的材料以及熱敏材料的可焊性被增強了。在過去的15年里,技術人員在修理渦輪部件時已經越來越多地引入自動化的激光熔覆工藝,而不是手工的傳統焊接工藝,如鎢極氬弧焊(TIG)。實際上,工業燃氣渦輪機和航空發動機正是在驅動激光熔覆革新的應用行業。
    激光熔覆技術應用于修整葉尖
    圖1、激光熔覆技術應用于修整葉尖。
      什么是激光熔覆?
      激光熔覆使用激光來熔化涂層部件表面的材料。然后粉末噴嘴將金屬粉末傳輸至熔化槽,從而形成冶金結合。激光鏡片和粉末噴嘴在工件表面上移動,產生了單軌、單層或者更復雜的焊接積層。
    在一個單晶試驗樣品上進行激光熔覆
    圖2、在一個單晶試驗樣品上進行激光熔覆。
    自從上世紀九十年代開始使用以來,激光熔覆在渦輪機修理工藝中越來越受歡迎,部分原因在于價格的下降。初,激光本身的成本非常高,因此對于技術人員來說,激光熔覆是一項昂貴的投資。不過,新的激光器類型比如二極管、光纖和碟片,已經非常成熟,使得激光熔覆逐漸成為可負擔起的技術。與傳統的二氧化碳或Nd:YAG激光器相比,這些新型激光器基本無需保養,電機效率很高,沒有靈敏易壞的部件或光學器件。因此,在過去五年投資成本已經減少約一半。
      除了工業燃氣渦輪機和航空航天部件,激光熔覆在普通工業應用中也越來越受歡迎,比如油氣采礦工具、活塞發動機、壓縮機、泵,甚至農業設備。
      激光熔覆的優點
      眾所周知,激光熔覆很少甚至不會使基材產生變形。原因在于高度化的局部熱量輸入可以通過熔化材料來形成冶金結合,這對于高精度部件比如模具和金屬板材結構非常關鍵。傳統焊接工藝的高溫會對部件產生巨大的影響,進一步導致損壞。
      不過,激光熔覆大的優點還不為眾人所知,那就是大幅提高了溫度敏感型材料比如超級合金和高碳鋼的可焊接性。TIG焊接會產生非常高的熱輸入,因此會導致更多的焊接缺陷比如裂縫。所以,在修理熱氣體通道部件時,通常不會選擇TIG。
      激光熔覆的第二個主要優點是更高的幾何精確度;與傳統焊接工藝相比,會節省應用的材料。與TIG焊接相比,激光熔覆能夠產生接近終成形結構、更干凈的表面處理,因此有更好的幾何學,更少的材料冗余。舉例來說,渦輪葉尖處需要6毫米的積層。激光熔覆在渦輪葉片邊上生成的焊接積層大約為0.3毫米,而TIG焊接會生成多達2毫米的冗余,因此會應用更多的材料,接著還要去除這些材料,導致更多的精整加工工作和更多的人工。
    左圖:在三維幾何體上進行激光熔覆;右圖:使用激光熔覆一層之后,如圖可見渦輪增壓器的細節,焊接積層有1毫米厚
    圖3、左圖:在三維幾何體上進行激光熔覆;右圖:使用激光熔覆一層之后,
    如圖可見渦輪增壓器的細節,焊接積層有1毫米厚。
    另外,計算機數控(CNC)系統能夠幫助激光熔覆成為大規模可復制的工藝,使得技術人員在生產中能夠重復高質量加工。
      三維幾何體
      有些部件如渦輪增壓器迂回曲折,給涂層材料和工藝帶來特別的挑戰。因此,這種三維幾何體需要合適的、能夠在必要時移動部件的處理系統。而且對加工路徑進行編程,要求足夠的計算機輔助制造(CAM)工具。另外,激光熔覆系統的程序員需要足夠理解激光熔覆工藝,才能生成合適的“焊接”策略。焊接策略必須考慮材料問題比如邊緣的過熱,還要考慮幾何學問題比如由部件制造工藝或者部件先前運行工況導致的幾何偏差。
    修復后的工業燃氣渦輪機葉片
    圖4、修復后的工業燃氣渦輪機葉片。
      方法論
      就像其它焊接工藝一樣,激光熔覆要求充分地準備焊接表面。通常,步是移除多余的材料,以確保有牢固的基礎進行修理。舉例來說,如果準備將一臺受到熱氣體腐蝕或摩擦損壞的渦輪葉片送回工廠進行翻新,技術人員在開始修復工藝之前需要去除損壞區域。
      由于激光熔覆是CNC工藝,生成焊接路徑需要有部件的幾何學信息,比如三維CAM模型或者是數字化數據。通常合適的焊接策略源于已確認的工藝。這種工藝涉及客戶的需求,由他們來決定焊接積層幾何學和焊接質量的驗收標準。工藝條件包括確定正確的工藝參數。這些參數包括激光功率、校正后用來確定熔化槽大小的激光焦點直徑、焊接軌道寬度、用來確定加工頭在部件上移動速度的進給速率,以及進粉速率——也就是粉末送進熔化槽的速度。
      走進微觀涂層
      盡管肉眼難以觀察得到,其實這一應用由兩個不同的層組成,有時由于多了緩沖層而有三層。微觀視圖(圖5)顯示的激光熔覆應用中,以MetcoClad 625為緩沖層,將鎢鉻鈷合金694焊接到CMSX-4上面。照片中右邊顯示了CMSX-4的單晶材料,晶體方向雖然不可見,但都排列成一個方向。
    效果圖:在以鎳為基材的高溫超級合金上進行激光熔覆
    圖5、效果圖:在以鎳為基材的高溫超級合金上進行激光熔覆。
    在激光熔覆工藝中,中間區域(MetcoClad  625)是一個緩沖層。在后來應用鎢鉻鈷合金堅硬表面時,MetcoClad625作為一種韌性材料,防止裂開或損害基材。晶體結構的水平和垂直線條實際上源于CMSX-4,在MetcoClad 625凝固時形成。照片左邊的鎢鉻鈷合金694是功能表面——作為在高溫環境下耐磨損的涂層。
      總結
      由于激光熔覆技術能產生較高的幾何精確度和更少的熱應力,與傳統焊接工藝相比,它具有明顯的優勢,已經成為高價值部件修理的標準。工業燃氣渦輪機的翻新將繼續引導創新技術,事實上激光熔覆就是為這一行業定制的解決方案。隨著越來越多的加工廠應用這種技術,耐磨損、耐侵蝕或耐腐蝕的功能性涂層將得到廣泛應用。豐富的經驗和深入的應用技術仍將是成功操作激光熔覆系統的關鍵。
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