激光再制造汽轮机转子的力学性能研究

激光再制造汽轮机转子的力学性能研究

吴福祥

（山东电力建设第一工程公司山东济南250200）

摘要：激光熔覆绿色再制造技术是一种新型的先进修复技术，它不仅能使损伤的零部件恢复外形尺寸，还能使其性能达到甚至超过新品的水平。该技术相对于其他传统工艺有较多优点，例如激光作用时间短，修复层稀释率低，修复区热影响区小，工件变形小；冷却速度快，可以细化晶粒，产生亚稳相、非晶相和超弥散相等；修复层与基体冶金结合，强度高；修复过程可控性好，便于实现自动化；对环境无污染等。本文分析了激光再制造汽轮机转子的力学性能。

关键词：激光再制造；汽轮机转子；力学性能；

汽轮机转子在启停机和变工况运行时,由于蒸汽温度的变化使转子表面和心部之间存在温差,在转子中产生温差应力。启动和停机过程中转子中的温度应力是变化的,一次启停机过程将造成一次大的应力循环,一次变工况过程将造成一次较小的应力循环,使转子材料受到疲劳损伤。应力循环幅度与温度变化速度有关,汽轮机转子的设计寿命是有限的。

一、方法

激光再制造原理系统主要包括了合金粉末专用材料制备系统（熔炼炉、中间漏包、雾化喷嘴、雾化高压气体和粉末收集装置等）、激光系统（激光的发生与传导、光束的整形与聚焦）、机器人运动系统和粉末输送系统（粉末输送、粉末分配、粉末载气装置、同轴送粉喷嘴）４个基本组成部分。此外，为了保障激光熔覆再制造质量，还添加了其它辅助系统，例如再制造过程中激光熔池温度的实时监测系统等。再制造试样经过切割、镶嵌、打磨、抛光、腐蚀、干燥后，采用数字显微硬度计进行显微硬度测试，加载载荷300g，加载时间10s；气蚀实验采用改制后的超声波细胞粉碎机作为模拟气蚀的装置，实验每隔90min清洗称重一次，气蚀总时间为9h，实验温度为室温。气蚀试验利用电子天平称量与扫描电镜观察表面形貌。残余应力实验采用Ｘ射线衍射法进行测试，其设备为残余应力分析仪。

二、力学性能

1.抗气蚀性能分析。由于汽轮机转子轴部分轴段在高温湿蒸汽环境中工作，表面容易气蚀，因此对激光再制造层与基体进行气蚀实验测试，经激光再制造后的试样表面抗气蚀性能较基体提高了3倍以上，气蚀累计失重量仅为基体的27.8%。由于表面剥落程度比较严重，气蚀坑也较深，其气蚀面分布有大量不均匀的团块状气蚀坑，主要产生在晶界处。这是因为水中的气体形成空泡后持续撞击金属表面，在金属表面溃灭时产生的冲击力不均匀地作用在晶体的各个晶粒上的，使晶粒与晶界的连接处由于应力集中而发生断裂，继续破碎并沿晶界处剥落；激光再制造后的试样表面未出现大面积气蚀剥落现象，主要在枝晶间存在一些较小气蚀坑，且坑的深度相对较浅。一方面是由于激光再制造层组织细小，起到了细晶强化的作用，这在一定程度上减少了晶粒与晶界连接处的应力集中，使得抗气蚀性能得到增强；另一方面是因为固溶强化与弥散强化，由于合金粉末中有较多的Fe、Cr元素，Cr元素有利于骨架状枝晶中碳化物析出，另外还有各种多元共晶混合物，这些固溶体与强化相使涂层既有较高的强度，又有较好的韧性，有效地增强了表面的抗气蚀性能。

2.残余应力分析。激光再制造层沿表层的残余应力的测量各点之间间距为2mm，其中，平行于激光扫描方向的为纵向残余应力，垂直于激光扫描方向的为横向残余应力。激光再制造层沿层深的残余应力取点测试位置通过化学无应力腐蚀对激光再制造层进行逐层剥离，实现残余应力沿激光再制造层深度方向分布的测量。激光再制造层表层纵向残余应力开始为较小的压应力，在激光再制造层后端逐渐变为低水平的拉应力。而激光再制造层的表层横向残余应力在激光再制造层前端拉应力较大，在激光再制造层的后端呈现低水平的残余压应力。由于激光再制造层中部相差较大，因此对激光再制造层试样中间部位的残余应力继续测量，激光再制造层沿层深的纵向残余应力横向残余应力在激光再制造层上部为残余压应力，然后随着深度的增加，残余压应力的值逐渐减小，并在激光再制造层中部位置出现残余拉应力，而热影响区与基体的都为残余压应力。激光再制造层表面中部的残余拉应力较大，但是实际使用时涂层厚度一般在0.5mm左右，因此需要对表面进行磨削后处理。而激光再制造层厚度在0.5mm时，拉应力有所下降，但是仍然达到355Mpa，需要对加工后的涂层进行回火去应力。虽然激光再制造涂层有残余拉应力，但是再制造层经过层层磨削，未出现裂纹气孔等缺陷，以上的残余应力实验结果也为激光再制造转子的工程应用提供了参考。可以对激光再制造层中的残余应力分布特征作定性解释。激光再制造层在温度下凝固，激光再制造层与基体长度，激光再制造层冷却后收缩长度缩小。由于激光再制造层与基体为冶金结合，激光再制造层的收缩受到基体抑制而产生拉应力，由作用力与反作用力原理，基体上产生均布的压应力，由于激光再制造层与基体结构不对称，激光再制造层的收缩使试样产生一力偶，而发生弯曲，形成弯曲应力，激光再制造层的上部由于弯曲应力而转变为压应力。由于在实际激光再制造过程中热影响区的组织发生变化，体积膨胀而产生压应力，同时热影响区两侧的激光再制造层与基体相应形成拉应力。综合可得，可定性分析得到的应力分布与实际测得的残余应力相符。

三、建议

1.激光再制造层与基体复合材料的抗拉强度较基体材料28CrMoNiV的平均抗拉强度提高11.29%，激光再制造层与基体复合材料的平均冲击吸收功为39J，激光再制造层与基体复合材料的抗弯强度较基体的平均抗弯强度提高24.11%。

2.根据并联力学性能模型的混合律，激光熔覆再制造层与基体复合材料的力学性能与组元材料的体积分数呈线性关系，复合材料力学性能的提高主要是由于激光再制造层的力学性能优于基体材料28CrMoNiV。

3.通过对拉伸与冲击试样断口的微观分析，得出基体主要为解理脆性断裂，激光再制造层为沿晶脆性断裂．复合材料拉伸强度的提高主要是因为激光再制造层中一次晶轴与二次晶轴的数量远大于基体材料，高密度的位错阻碍了滑移，从而提高了强度。复合材料冲击韧性的提高主要是由于激光再制造层晶粒相对基体材料小而密集，使得裂纹扩展路径曲折，需要消耗更大的能量，裂纹萌生功提高，从而提高了韧性。

用激光在制造方法对有缺陷的汽轮机转子进行修复，通过激光再制造层材料与基体材料的良好融合，对修复后的工件进行应力分析，各项力学性能良好，修复过程可控性好、自动化程度高，具有良好的经济性；本工艺可为其他同类工件的修复提供参考。

参考文献：

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