激光熔覆技術應用251型燃氣輪機輪轂修復試驗研究

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（Laser Cladding）是一種先進的材料表面改性技術，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熔覆材料和基材表面進行加熱，使其發生冶金熔合，并同時快速冷凝，形成高強度、耐腐蝕性熔覆層［1］。與等離子噴焊、熱噴涂和堆焊等傳統表面改性工藝技術相比，熔覆技術具有明顯技術優勢，具體可以歸納為以下幾點：（1）激光能量密度高，熱影響區域小，變形小；（2）激光熔覆層材料稀釋率較低，結合強度高；（3）激光熔覆層結晶均勻致密，且具有較高的結合強度和耐磨耐蝕性能；（4）自動化程度高，無環境污染［2］。因此，該技術在航空航天、礦山機械、石油化工、汽車、船舶、電力、鐵路等行業具有廣闊的應用前景［3］。

三菱251型多軸、軸向排氣、室外式重型燃氣輪機，主燃低熱值高爐煤氣，其額定功率28.5MW，燃氣輪機壓氣機進氣端通過主齒輪箱與發電機、煤氣壓縮機等輔助設備聯接。該機型采用軸流式空氣壓縮機，級數19 級，轉速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），轉子材質為鍛鋼，動葉、靜葉、進口導葉材質為鉻合金鋼，汽缸為水平中分式，碳鋼。

某廠燃氣輪機機組大修周期為30個月，其中某一臺燃氣輪機的第6次大修過程對輪轂進行著色探傷時發現，空氣壓縮機轉子第4 級輪轂上4 個榫齒出現裂紋（如圖1 所示）。據了解，已經是國內多套該類型燃氣輪機空壓機第4級輪轂榫齒出現裂紋問題的機組。根據裂紋的形態和發展趨勢，基本可判斷為疲勞斷裂。因轉子返廠更換周期長，為了確保檢修進度和修復可靠性，對激光熔覆修復技術進行研究與分析，以修復出現裂紋的榫齒。

圖1 空壓機輪轂榫齒裂紋

1 輪轂材料成分及性能分析

燃氣輪機空壓機輪轂采用的材料為日本合金鋼材料，其牌號為10325 PA/PB，與美國的4340合金鋼材質和成分接近，兩種材料的其主要化學成分和機械性能見表1、表2。

表1 燃機空壓機第4級輪盤材料成分表 %

表2 燃機空壓機第4級輪盤機械性能表

空壓機輪盤所使用的合金鋼材料具有高的強度、韌度以及較好的淬透性和抗過熱的穩定性，常用作直升機的旋翼軸、渦輪噴氣發動機的渦輪軸、葉片、高負荷的傳動件等。該合金鋼材料的抗拉強度1 000～1 070 MPa，屈服強度為860～1 035 MPa，可認為與4340為同一類材質。

2 激光熔覆焊接試驗

基材和焊材的熔覆性及焊材本身的強度性能是確保輪轂修復可靠性的關鍵指標，為確保基材和焊材的熔覆強度，進行了多次焊材的力學性能試驗。分別采用了與輪轂材料光譜結果最為接近的4140 材料和4340 材料作為熔覆基材，DLF207 為焊材，兩組試驗相互對比和驗證熔覆性能。DLF207合金粉料是在C276 基礎上，加入強化相元素研制而成，可以滿足與基材結合強度的激光熔覆工藝，同時也提升了其自身的抗拉、屈服強度性能［5-6］。試驗基材以及焊材成分對比如表3。

表3 試驗基材及焊材成分對比 %

2.1 4140-DLF207熔覆拉伸試驗

第一次拉伸試驗以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。熔覆試樣結構如圖2所示。

圖2 4140-DLF207熔覆試樣結構示意圖

在進行拉伸試驗前，對3 塊試樣進行了光譜檢測，確認成分合格后，進行力學性能試驗。熔覆焊材斷口如圖3 所示，熔覆試樣與基材伸長率出現一定差別，基材和熔覆試樣拉伸斷口均未出現錯位現象，經PT檢測斷口的熔覆層與基材結合面未發現裂紋。試驗結果顯示4140 基材的抗拉強度為688 MPa，屈服強度為403 MPa；而熔覆焊材的試驗結果抗拉強度為774 MPa，屈服強度為607 MPa。

圖3 4140-DLF207熔覆試樣斷口形態

2.2 4340-DLF207熔覆拉伸試驗

第二次拉伸試驗以4340 材料作為熔覆基材，DLF207 為焊材。熔覆件試樣的厚度為10 mm。熔覆試樣結構如圖4所示。

圖4 4340-DLF207熔覆試樣結構示意圖

焊接檢測合格后進行了拉伸試驗，試驗結果如圖5所示，斷口位置處于激光熔覆區域，且斷口位置未出現錯位、裂紋。試驗結果顯示4340的基材屈服強度為855 MPa，抗拉強度為1 060 MPa，與燃機輪轂基材基本接近。4340-DLF207 熔覆焊材的試驗結果顯示，斷裂部位在焊材區域，屈服強度為730 MPa，抗拉強度為855 MPa，基材強度高于焊材強度。

圖5 4340-DLF207熔覆試樣斷口形態

為提高激光熔覆技術的運行安全可靠性，對熔覆材料DLF207 成分進行優化，以4340 為基材進行第三次試驗。4340-改良型DLF207 熔覆試樣及拉伸試驗斷口形態如圖6 所示，試驗結果與第二次拉伸試驗基本一致，斷裂部位在焊材區域，斷口無錯位、裂紋，基材與焊材結合面未出現斷裂現象。4340-改良型DLF207 熔覆試樣的屈服強度為780 MPa，抗拉強度為924 MPa，焊材強度性能提升了7%～8%。

圖6 4340-改良型DLF207熔覆試樣及斷口形態

3 試驗結果分析

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

4 結論

拉伸試驗試樣的焊接結合面（基材-焊材過渡區）在拉伸試驗中均無斷裂情況，可見DLF207 作為焊接材料具有較好的熔覆性，激光熔覆技術修復的缺陷榫齒基本可滿足使用需求。焊材材料DLF207的抗拉強度約為10 325 PA/PB 的79.9%～92.4%，屈服強度只達到基材的70.5%～90.7%，強度偏低依然存在一定斷裂風險。激光熔覆修復技術只能作為一種臨時修復辦法，為確保機組安全運行，后期還需對輪轂進行升級更換以徹底消除隱患。