在當(dāng)今動(dòng)蕩的經(jīng)濟(jì)時(shí)代，我們很自然地希望大投資能夠盡可能長(zhǎng)時(shí)間有效，且物有所值。特別是對(duì)于工業(yè)燃?xì)鉁u輪部件來(lái)說(shuō)，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(shù)來(lái)保護(hù)投資。工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)的主要用途是發(fā)電，還可用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，另外還可在某些環(huán)境下用于驅(qū)動(dòng)油泵，比如鉆油平臺(tái)和油田。

　　高價(jià)值部件被放在燃燒室后面，在這里部件不得不經(jīng)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(jí)合金制成。不過(guò)，超級(jí)合金的堅(jiān)固性使得這種材料很難甚至不可能通過(guò)傳統(tǒng)的焊接工藝來(lái)修理。盡管現(xiàn)在有各種涂層技術(shù)可以用來(lái)修理和修復(fù)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(qiáng)了。在過(guò)去的15年里，技術(shù)人員在修理渦輪部件時(shí)已經(jīng)越來(lái)越多地引入自動(dòng)化的激光熔覆工藝，而不是手工的傳統(tǒng)焊接工藝，如鎢極氬弧焊（TIG）。實(shí)際上，工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)正是在驅(qū)動(dòng)激光熔覆革新的應(yīng)用行業(yè)。

激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于修整葉尖

圖1、激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于修整葉尖。

　　什么是激光熔覆？

　　激光熔覆使用激光來(lái)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(jié)合。激光鏡片和粉末噴嘴在工件表面上移動(dòng)，產(chǎn)生了單軌、單層或者更復(fù)雜的焊接積層。

在一個(gè)單晶試驗(yàn)樣品上進(jìn)行激光熔覆

圖2、在一個(gè)單晶試驗(yàn)樣品上進(jìn)行激光熔覆。

自從上世紀(jì)九十年代 開(kāi)始使用以來(lái)，激光熔覆在渦輪機(jī)修理工藝中越來(lái)越受歡迎，部分原因在于價(jià)格的下降。初，激光本身的成本非常高，因此對(duì)于技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，激光熔覆是一項(xiàng)昂貴的投資。不過(guò)，新的激光器類型比如二極管、光纖和碟片，已經(jīng)非常成熟，使得激光熔覆逐漸成為可負(fù)擔(dān)起的技術(shù)。與傳統(tǒng)的二氧化碳或Nd：YAG激光器相比，這些新型激光器基本無(wú)需保養(yǎng)，電機(jī)效率很高，沒(méi)有靈敏易壞的部件或光學(xué)器件。因此，在過(guò)去五年投資成本已經(jīng)減少約一半。

　　除了工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)和航空航天部件，激光熔覆在普通工業(yè)應(yīng)用中也越來(lái)越受歡迎，比如油氣采礦工具、活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)、泵，甚至農(nóng)業(yè)設(shè)備。

　　激光熔覆的優(yōu)點(diǎn)

　　眾所周知，激光熔覆很少甚至不會(huì)使基材產(chǎn)生變形。原因在于高度化的局部熱量輸入可以通過(guò)熔化材料來(lái)形成冶金結(jié)合，這對(duì)于高精度部件比如模具和金屬板材結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵。傳統(tǒng)焊接工藝的高溫會(huì)對(duì)部件產(chǎn)生巨大的影響，進(jìn)一步導(dǎo)致?lián)p壞。

　　不過(guò)，激光熔覆大的優(yōu)點(diǎn)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(jí)合金和高碳鋼的可焊接性。TIG焊接會(huì)產(chǎn)生非常高的熱輸入，因此會(huì)導(dǎo)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(shí)，通常不會(huì)選擇TIG。

　　激光熔覆的第二個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是更高的幾何精確度；與傳統(tǒng)焊接工藝相比，會(huì)節(jié)省應(yīng)用的材料。與TIG焊接相比，激光熔覆能夠產(chǎn)生接近終成形結(jié)構(gòu)、更干凈的表面處理，因此有更好的幾何學(xué)，更少的材料冗余。舉例來(lái)說(shuō)，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(huì)生成多達(dá)2毫米的冗余，因此會(huì)應(yīng)用更多的材料，接著還要去除這些材料，導(dǎo)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(jìn)行激光熔覆；右圖：使用激光熔覆一層之后，如圖可見(jiàn)渦輪增壓器的細(xì)節(jié)，焊接積層有1毫米厚

圖3、左圖：在三維幾何體上進(jìn)行激光熔覆；右圖：使用激光熔覆一層之后，

如圖可見(jiàn)渦輪增壓器的細(xì)節(jié)，焊接積層有1毫米厚。

另外，計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)能夠幫助激光熔覆成為大規(guī)模可復(fù)制的工藝，使得技術(shù)人員在生產(chǎn)中能夠重復(fù)高質(zhì)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(lái)特別的挑戰(zhàn)。因此，這種三維幾何體需要合適的、能夠在必要時(shí)移動(dòng)部件的處理系統(tǒng)。而且對(duì)加工路徑進(jìn)行編程，要求足夠的計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）工具。另外，激光熔覆系統(tǒng)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(wèn)題比如邊緣的過(guò)熱，還要考慮幾何學(xué)問(wèn)題比如由部件制造工藝或者部件先前運(yùn)行工況導(dǎo)致的幾何偏差。

修復(fù)后的工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片

圖4、修復(fù)后的工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)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(zhǔn)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(chǔ)進(jìn)行修理。舉例來(lái)說(shuō)，如果準(zhǔn)備將一臺(tái)受到熱氣體腐蝕或摩擦損壞的渦輪葉片送回工廠進(jìn)行翻新，技術(shù)人員在開(kāi)始修復(fù)工藝之前需要去除損壞區(qū)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(xué)信息，比如三維CAM模型或者是數(shù)字化數(shù)據(jù)。通常合適的焊接策略源于已確認(rèn)的工藝。這種工藝涉及客戶的需求，由他們來(lái)決定焊接積層幾何學(xué)和焊接質(zhì)量的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。工藝條件包括確定正確的工藝參數(shù)。這些參數(shù)包括激光功率、校正后用來(lái)確定熔化槽大小的激光焦點(diǎn)直徑、焊接軌道寬度、用來(lái)確定加工頭在部件上移動(dòng)速度的進(jìn)給速率，以及進(jìn)粉速率——也就是粉末送進(jìn)熔化槽的速度。