激光熔覆技術(shù)應(yīng)用251型燃?xì)廨啓C(jī)輪轂修復(fù)試驗(yàn)研究

付岳峰，王 波，劉杰中，宋瀾波，林萬安，鄧永康

（湖南華菱漣源鋼鐵有限公司能源總廠，湖南婁底，417009）

引言

激光熔覆技術(shù)（Laser Cladding）是一種先進(jìn)的材料表面改性技術(shù)，其工作原理是將熔覆粉末材料添加到基材表面，利用大功率高密度激光束對(duì)熔覆材料和基材表面進(jìn)行加熱，使其發(fā)生冶金熔合，并同時(shí)快速冷凝，形成高強(qiáng)度、耐腐蝕性熔覆層［1］。與等離子噴焊、熱噴涂和堆焊等傳統(tǒng)表面改性工藝技術(shù)相比，熔覆技術(shù)具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具體可以歸納為以下幾點(diǎn)：（1）激光能量密度高，熱影響區(qū)域小，變形小；（2）激光熔覆層材料稀釋率較低，結(jié)合強(qiáng)度高；（3）激光熔覆層結(jié)晶均勻致密，且具有較高的結(jié)合強(qiáng)度和耐磨耐蝕性能；（4）自動(dòng)化程度高，無環(huán)境污染［2］。因此，該技術(shù)在航空航天、礦山機(jī)械、石油化工、汽車、船舶、電力、鐵路等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景［3］。

三菱251型多軸、軸向排氣、室外式重型燃?xì)廨啓C(jī)，主燃低熱值高爐煤氣，其額定功率28.5MW，燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)進(jìn)氣端通過主齒輪箱與發(fā)電機(jī)、煤氣壓縮機(jī)等輔助設(shè)備聯(lián)接。該機(jī)型采用軸流式空氣壓縮機(jī)，級(jí)數(shù)19 級(jí)，轉(zhuǎn)速4 905 r/min，壓縮比（ISO 條件）11，吸入流量（15 ℃）102.5 kg/s，出口壓力（15 ℃）11 atm（1.115 MPa），轉(zhuǎn)子材質(zhì)為鍛鋼，動(dòng)葉、靜葉、進(jìn)口導(dǎo)葉材質(zhì)為鉻合金鋼，汽缸為水平中分式，碳鋼。

某廠燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組大修周期為30個(gè)月，其中某一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)的第6次大修過程對(duì)輪轂進(jìn)行著色探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)，空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子第4 級(jí)輪轂上4 個(gè)榫齒出現(xiàn)裂紋（如圖1 所示）。據(jù)了解，已經(jīng)是國內(nèi)多套該類型燃?xì)廨啓C(jī)空壓機(jī)第4級(jí)輪轂榫齒出現(xiàn)裂紋問題的機(jī)組。根據(jù)裂紋的形態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)，基本可判斷為疲勞斷裂。因轉(zhuǎn)子返廠更換周期長，為了確保檢修進(jìn)度和修復(fù)可靠性，對(duì)激光熔覆修復(fù)技術(shù)進(jìn)行研究與分析，以修復(fù)出現(xiàn)裂紋的榫齒。

圖1 空壓機(jī)輪轂榫齒裂紋

1 輪轂材料成分及性能分析

燃?xì)廨啓C(jī)空壓機(jī)輪轂采用的材料為日本合金鋼材料，其牌號(hào)為10325 PA/PB，與美國的4340合金鋼材質(zhì)和成分接近，兩種材料的其主要化學(xué)成分和機(jī)械性能見表1、表2。

表1 燃機(jī)空壓機(jī)第4級(jí)輪盤材料成分表 %

表2 燃機(jī)空壓機(jī)第4級(jí)輪盤機(jī)械性能表

空壓機(jī)輪盤所使用的合金鋼材料具有高的強(qiáng)度、韌度以及較好的淬透性和抗過熱的穩(wěn)定性，常用作直升機(jī)的旋翼軸、渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪軸、葉片、高負(fù)荷的傳動(dòng)件等。該合金鋼材料的抗拉強(qiáng)度1 000～1 070 MPa，屈服強(qiáng)度為860～1 035 MPa，可認(rèn)為與4340為同一類材質(zhì)。

2 激光熔覆焊接試驗(yàn)

基材和焊材的熔覆性及焊材本身的強(qiáng)度性能是確保輪轂修復(fù)可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)，為確?；暮秃覆牡娜鄹矎?qiáng)度，進(jìn)行了多次焊材的力學(xué)性能試驗(yàn)。分別采用了與輪轂材料光譜結(jié)果最為接近的4140 材料和4340 材料作為熔覆基材，DLF207 為焊材，兩組試驗(yàn)相互對(duì)比和驗(yàn)證熔覆性能。DLF207合金粉料是在C276 基礎(chǔ)上，加入強(qiáng)化相元素研制而成，可以滿足與基材結(jié)合強(qiáng)度的激光熔覆工藝，同時(shí)也提升了其自身的抗拉、屈服強(qiáng)度性能［5-6］。試驗(yàn)基材以及焊材成分對(duì)比如表3。

表3 試驗(yàn)基材及焊材成分對(duì)比 %

2.1 4140-DLF207熔覆拉伸試驗(yàn)

第一次拉伸試驗(yàn)以4140 材料作為熔覆基材，DLF207 為焊材（一種鎳基材料）。共制作了3 塊試樣，其中1 塊4140 基樣和2 塊熔覆件。熔覆件試樣的基材厚度為5 mm，熔覆厚度為5 mm。熔覆試樣結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 4140-DLF207熔覆試樣結(jié)構(gòu)示意圖

在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)前，對(duì)3 塊試樣進(jìn)行了光譜檢測(cè)，確認(rèn)成分合格后，進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。熔覆焊材斷口如圖3 所示，熔覆試樣與基材伸長率出現(xiàn)一定差別，基材和熔覆試樣拉伸斷口均未出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象，經(jīng)PT檢測(cè)斷口的熔覆層與基材結(jié)合面未發(fā)現(xiàn)裂紋。試驗(yàn)結(jié)果顯示4140 基材的抗拉強(qiáng)度為688 MPa，屈服強(qiáng)度為403 MPa；而熔覆焊材的試驗(yàn)結(jié)果抗拉強(qiáng)度為774 MPa，屈服強(qiáng)度為607 MPa。

圖3 4140-DLF207熔覆試樣斷口形態(tài)

2.2 4340-DLF207熔覆拉伸試驗(yàn)

第二次拉伸試驗(yàn)以4340 材料作為熔覆基材，DLF207 為焊材。熔覆件試樣的厚度為10 mm。熔覆試樣結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 4340-DLF207熔覆試樣結(jié)構(gòu)示意圖

焊接檢測(cè)合格后進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，斷口位置處于激光熔覆區(qū)域，且斷口位置未出現(xiàn)錯(cuò)位、裂紋。試驗(yàn)結(jié)果顯示4340的基材屈服強(qiáng)度為855 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 060 MPa，與燃機(jī)輪轂基材基本接近。4340-DLF207 熔覆焊材的試驗(yàn)結(jié)果顯示，斷裂部位在焊材區(qū)域，屈服強(qiáng)度為730 MPa，抗拉強(qiáng)度為855 MPa，基材強(qiáng)度高于焊材強(qiáng)度。

圖5 4340-DLF207熔覆試樣斷口形態(tài)

為提高激光熔覆技術(shù)的運(yùn)行安全可靠性，對(duì)熔覆材料DLF207 成分進(jìn)行優(yōu)化，以4340 為基材進(jìn)行第三次試驗(yàn)。4340-改良型DLF207 熔覆試樣及拉伸試驗(yàn)斷口形態(tài)如圖6 所示，試驗(yàn)結(jié)果與第二次拉伸試驗(yàn)基本一致，斷裂部位在焊材區(qū)域，斷口無錯(cuò)位、裂紋，基材與焊材結(jié)合面未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。4340-改良型DLF207 熔覆試樣的屈服強(qiáng)度為780 MPa，抗拉強(qiáng)度為924 MPa，焊材強(qiáng)度性能提升了7%～8%。

圖6 4340-改良型DLF207熔覆試樣及斷口形態(tài)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從岳陽大陸激光基材、焊材進(jìn)行的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看（詳見下表4），三次拉伸試驗(yàn)的斷口均不在熔覆結(jié)合面（過渡區(qū)）上，表明岳陽大陸激光選用的焊材與基材的熔覆性較好，結(jié)合強(qiáng)度高。第一次拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，焊材DLF207 的強(qiáng)度明顯高于4140 材質(zhì)，且熔覆性能較好。第二次拉升試驗(yàn)的斷口在熔覆材料區(qū)域，可見焊材力學(xué)性能較4340 差，其抗拉強(qiáng)度約為10325 PA/PB 材料的79.9%～85.5%，屈服強(qiáng)度只達(dá)到基材的70.5%～85%，強(qiáng)度偏低但可基本滿足使用要求。第三次拉升試驗(yàn)斷口形態(tài)與第二次基本一致，改良后焊材的抗拉強(qiáng)度約為10325 PA/PB 材料的86.4%～92.4%，屈服強(qiáng)度達(dá)到基材的75.4%～90.7%，焊材整體強(qiáng)度性能提升了7%～8%。

4 結(jié)論

拉伸試驗(yàn)試樣的焊接結(jié)合面（基材-焊材過渡區(qū)）在拉伸試驗(yàn)中均無斷裂情況，可見DLF207 作為焊接材料具有較好的熔覆性，激光熔覆技術(shù)修復(fù)的缺陷榫齒基本可滿足使用需求。焊材材料DLF207的抗拉強(qiáng)度約為10 325 PA/PB 的79.9%～92.4%，屈服強(qiáng)度只達(dá)到基材的70.5%～90.7%，強(qiáng)度偏低依然存在一定斷裂風(fēng)險(xiǎn)。激光熔覆修復(fù)技術(shù)只能作為一種臨時(shí)修復(fù)辦法，為確保機(jī)組安全運(yùn)行，后期還需對(duì)輪轂進(jìn)行升級(jí)更換以徹底消除隱患。