【摘要】 隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)不斷發(fā)展，對零部件工作的環(huán)境也越來(lái)越趨于復雜化，表面性能的要求越來(lái)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(lèi)零件、齒輪類(lèi)零件、接頭類(lèi)零件等。在零部件整體性能滿(mǎn)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(jìn)行修復，不僅能夠挽回巨大
【關(guān)鍵字】激光熔覆技術(shù),零部件,修復
隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)不斷發(fā)展，對零部件工作的環(huán)境也越來(lái)越趨于復雜化，表面性能的要求越來(lái)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(lèi)零件、齒輪類(lèi)零件、接頭類(lèi)零件等。在零部件整體性能滿(mǎn)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(jìn)行修復，不僅能夠挽回巨大的經(jīng)濟和時(shí)間損失，還可以提高資源的利用率，符合我國可持續發(fā)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(guò)程，熔覆過(guò)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(shí)現自動(dòng)化等，因此使用激光熔覆的方法來(lái)修復轉子等零部件比其它的方法具有更大的優(yōu)勢。激光熔覆技術(shù)解決了傳統電焊、氬弧焊等熱加工過(guò)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)也解決了傳統電鍍、噴涂等冷加工過(guò)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(gè)很好的途徑。
本文綜述了激光熔覆技術(shù)在表面修復中的應用，概括了國內外激光修復技術(shù)在不同零件和不同的失效情況上的研究發(fā)展，并對激光熔覆在表面修復中的應用前景進(jìn)行了展望。
1 轉子葉片的修復
轉子葉片又稱(chēng)動(dòng)葉，是隨同轉子高速旋轉的葉片，通過(guò)葉片的高速旋轉實(shí)現氣流與轉子間的能量轉換。轉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(tài)下工作。轉子葉片是直接影響發(fā)動(dòng)機性能、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)濟成本，也為其做修復帶來(lái)廣闊的市場(chǎng)。激光熔覆工藝在轉子葉片上的應用已經(jīng)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(fā)動(dòng)機葉片的修復
目前航空發(fā)動(dòng)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(lái)制造。鑄造鎳基高溫葉片和定向凝固葉片在生產(chǎn)過(guò)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(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(cháng) 。因此國內外對激光熔覆技術(shù)修復高附加值的葉片開(kāi)展了廣泛的研究并在工業(yè)上已成功應用 。同時(shí)，對激光熔覆技術(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Fraumhofer ILT 研究所對Ti-6Al-4V和Ti-17葉片進(jìn)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(jìn)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(guān)組織、較高的硬度和較低的氣孔率。L.shepeleva等通過(guò)試驗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(wú)裂紋和氣孔，良好的結合界面。1981年Rolls-Royce公司對RB211飛機發(fā)動(dòng)機高壓葉片連鎖。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(yè)中將高溫高壓氣體的線(xiàn)性運動(dòng)轉變成汽輪機軸的轉動(dòng)。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(fā)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(fā)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(cháng)修復了高壓渦輪葉片的葉尖，并稱(chēng)為該公司十大新技術(shù)之一。后來(lái)美國的Liburdi Engineering Limited也在JT8D發(fā)動(dòng)機轉子葉片的葉尖與葉冠修復上，研究發(fā)展了一套高自動(dòng)化的激光熔敷系統。德國馬達和燃氣輪機聯(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幾何尺寸。美國 Westinghouse 公司用該技術(shù)修復長(cháng)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(fā)動(dòng)機進(jìn)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(shù)在近十年里也得到了大幅度的發(fā)展。從工藝的調配到熔覆材料的選擇上都以取得長(cháng)足進(jìn)步。如蘭州理工大學(xué)常年來(lái)對激光熔覆修復材料進(jìn)行研究，在該領(lǐng)域取得了一定的成果，且與蘭州長(cháng)城機械廠(chǎng)合作對煙氣輪機葉片等零部件的激光熔覆修復技術(shù)進(jìn)行研究，并且取得了成功以規�；度肷a(chǎn)。如圖1是葉片在修復前與修復后的對比。
圖1
2 輥軸類(lèi)零件的修復
軋輥是使(軋材)金屬產(chǎn)生塑性變形的工具，是決定軋機效率和軋材質(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時(shí)多采用車(chē)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(cháng)軋輥壽命的一個(gè)主要發(fā)展方向和途徑[18]。該技術(shù)不僅可以修復軋輥，而且可以提高軋輥的耐磨性，延長(cháng)軋輥的使用壽命，改善鋼材的表面質(zhì)量。
通常軸類(lèi)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)電機轉軸、各種傳動(dòng)軸等軸類(lèi)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(shù)，可在軸類(lèi)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(yè)大學(xué)的陸偉，姚寧娟等對高速線(xiàn)材軋輥、熱軋輥進(jìn)行激光熔覆Co-WC鈷基合金試驗研究，北京科技大學(xué)的張來(lái)啟等在精軋NiCrMo無(wú)限冷硬白口鑄鐵熱軋輥上激光熔覆NiCrSiBC鎳基合金，并經(jīng)現場(chǎng)軋制壽命評估實(shí)驗，按磨損量計算，激光熔覆輥比未經(jīng)激光處理輥壽命提高25.7%-37.4%�，F在在國內，已經(jīng)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(lèi)零件進(jìn)行修復。應用激光熔覆技術(shù)，分別對柳鋼燒結廠(chǎng)風(fēng)機軸、鄂式液壓保護破碎機主軸，柳鋼轉爐廠(chǎng)電機轉子、上汽通用五菱的軸等進(jìn)行了修復，修復后軸的各項性能均達到甚至超過(guò)原有的效果，使用情況良好。
3 模具類(lèi)的修復
模具在鑄造成型和塑料成型加工中起著(zhù)重要作用，其制造工藝復雜，生產(chǎn)周期長(cháng)，加工成本高。因此，對失效模具進(jìn)行修復再利用，無(wú)疑有著(zhù)顯著(zhù)的經(jīng)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(guò)度或機械損傷，須經(jīng)修復才能恢復使用。激光熔覆已成為修復模具的研究熱點(diǎn)，備受?chē)鴥韧鈱W(xué)者關(guān)注。
激光熔覆實(shí)現對模具的表面磨損進(jìn)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(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(guò)臨界值后，金屬熔化產(chǎn)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(kāi)發(fā)的應用程序給定的路線(xiàn)，來(lái)回掃描逐線(xiàn)逐層地修復模具。特別是經(jīng)過(guò)修復后的模具幾乎不需再加工[27]。
4 對其他零部件的修復
閥門(mén)在使用過(guò)程中，其密封面長(cháng)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熔焊工藝，在內燃發(fā)動(dòng)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(zhì)的沖蝕比較嚴重。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其損傷部位，極易造成基體熱變形，產(chǎn)生裂紋。應用激光熔覆的工藝進(jìn)行了修復，修復后的噴嘴達到了原設計要求，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運行效果良好[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造成很大的困難。這類(lèi)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(jìn)行了修復。這種熔覆層完全滿(mǎn)足對齒輪修復的要求。經(jīng)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(mǎn)足對齒輪修復的要求。
煙氣膨脹機(簡(jiǎn)稱(chēng)煙機)是煉油廠(chǎng)等工業(yè)部門(mén)余熱發(fā)電的重要裝置，輪盤(pán)是該裝置的關(guān)鍵部件。目前對于煙機輪盤(pán)的修復主要是使用激光熔覆修復。通過(guò)修復的激光熔覆層是通過(guò)層-層堆鑄方法形成的，由底層經(jīng)過(guò)中間層到面層。蘭州煉油廠(chǎng)、上海煉油廠(chǎng)和大連煉油廠(chǎng)等單位的煙機輪盤(pán)都使用激光熔覆修復。蘭州理工大學(xué)與蘭州長(cháng)城機械廠(chǎng)合作已經(jīng)對煙機輪盤(pán)進(jìn)行修復，并且取得了成功以規�；度肷a(chǎn)，并在TH85-2、E-232煙機上應用。這進(jìn)一步完善與發(fā)展了煙機輪盤(pán)激光熔覆修復系統工程，建立了質(zhì)量保證體系，更好的完善了激光熔覆修復技術(shù)。
5 結語(yǔ)
激光熔覆技術(shù)對制造技術(shù)要求高、生產(chǎn)周期長(cháng)、加工費用高,價(jià)格昂貴的工程構件進(jìn)行修復具有廣泛的工程需求，同時(shí)可以?xún)?yōu)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(shù)無(wú)污染、無(wú)公害,有很強的保護環(huán)境的作用，屬于綠色再制造工程。從長(cháng)遠的角度看,激光熔覆技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢必將在精密修復中扮演重要的角色。
激光熔覆技術(shù)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(yōu)化、激光熔覆過(guò)程的自動(dòng)化、激光熔覆系統中應力場(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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