激光堆焊技術在蒸汽發電機葉片中的應用

　　在工農業生產中，關鍵零件的性能對設備的長期穩定運轉起重要的作用，磨損和腐蝕是機械關鍵零部件兩大主要的失效形，由此造成的損失非常巨大。據美國國家材料政策委員會的一份研究報告中說明：美國每年花費近千億美元的巨額資金，來彌補摩擦磨損引起的零件損失。其中材料部分的損失為兩百億美元。在歐洲的英國，每年因為摩擦磨損造成的損失在五億英鎊以上;八十年代我國調查發現，當時我國因腐蝕造成的損失在四百億元人民幣以上；九十年代我國全面的調查了經濟工業生產中摩擦磨損造成的損失分析指出:此項損失占國民生產總值的1.8%。眾所周知，摩擦磨損和腐蝕均是發生零件表面材料流失過程，而且材料其他一些失效機制也是從表面開始，采用表面防護措施延緩和控制表面的破壞，成為解決上述問題的有效方法。在解決這些問題的同時，也促進了表面工程科學和表面技術的形成與發展。

　　SUS403不銹鋼在高溫下為奧氏體組織，而淬火后為馬氏體組織，主要用于制造工具、發電機葉片、軸承等在比較苛刻的環境中服役的部件。由于尺寸薄且受到高溫蒸汽的沖刷，在高溫下長時間工作的蒸汽發電機葉片的前緣部位容易失效(磨損和氣蝕)。為了改善葉片失效部位的性能，通常采用銀基釬焊或TIG焊接方法將司太立6#合金板條焊接于葉片的前緣。另外，已有研究采用等離子堆焊方法嘗試向葉片的前緣堆焊司太立6#合金粉末。但是，由于釬焊接合強度較低，而TIG電弧和等離子電弧存在熱源分散，堆焊后葉片的焊接變形較大，導致焊縫成形難于控制且生產效率較低，因而很難滿足葉片的使用性能要求。

　　而激光堆焊過程的優點是可以形成一個具有復合功能結構、低稀釋率、焊接變形小的堆焊層，且通過快速加熱和冷卻的堆焊過程容易獲得優質而耐磨的堆焊層。另外，通過優化激光加工參數(如離焦量、焊接速度及送粉量等)可以靈活地控制堆焊層的稀釋率，以滿足使用性能的要求。因此，近幾年，在制造領域，激光表面堆焊技術已經得到了迅速發展。日本汽車工業已將激光堆焊技術應用于汽車發動機進出氣門和氣門座圈的制作，而日本核電行業已將激光堆焊技術應用于成套設備的閥門零部件的生產。由于激光光束能量密度高且熱量容易控制，所以對零部件的精密堆焊及薄板件的堆焊尤為適用。

　　1 試驗方法

　　1.1 試驗材質

　　蒸汽發電機葉片外形如圖1所示。試驗葉片材質為SUS403不銹鋼，其化學成分為w(C)=0.15%; w(Si)=0.5%; w(Mn)=1.0%; w(=)0.030%; w(P)=0.040%; w(Ni)=0.60%; w(Cr)=13%; 余量為Fe。堆焊采用合金粉末(尺寸為58μm～212μm)作為鈷基合金司太立6#(Stellite-6)，其化學成分為w(C)=1.1%;w(Cr)=28.3%;w(Si)=1.3%;w(W)=4.3%;w(Ni)=1.6%;w(Fe)=2.0%;余量為Co。

　　1.2 試驗設備

　　激光堆焊頭部位如圖2所示。熱源采用額定功率為4 kW 的半導體激光器(德國LASERLINE制造LDF-4000型)。送粉器采用TWIN10-SPG(Sulzer Metco Ltd制造)。利用Ar作為送粉氣體，將Stellite-6粉末輸送到堆焊區。送粉速度的調節是通過送粉器圓盤旋轉速度的變化來實現的，圓盤旋轉越快則送粉量越多[9]，本文采用了側向送粉方式，其中送分頭噴嘴直徑為2.0mm。通過專用夾具，將葉片夾持在旋轉機構上。堆焊時，通過堆焊頭和旋轉機構的合成運動完成葉片的堆焊制造。

　　激光堆焊時，需要對葉片進行適當的預熱和保溫。激光輸出功率為2.4 kW，堆焊速度為1 m/min，離焦量為+10 mm，送粉量為16.6 g/min，保護氣體(Ar)流量為30 L/min，送粉氣體流量為4 L/min，堆焊層搭接率為50%。另外，堆焊后需要立即對葉片進行適當熱處理。在葉片上共計堆焊兩層，第一層堆焊層的尺寸約為122 mm×13 mm×1 mm，而第二層尺寸約為112 mm×12 mm×1 mm。

　　2 實驗結果

　　通過對蒸汽發電機葉片激光堆焊層各項性能指標的分析，可得出如下結論：

　　1)激光堆焊第一層和第二層交界處依次可觀察到胞狀晶生長、樹枝狀晶生長和等軸晶生長;由于受到二次加熱的影響，熱影響區(HAZ)內依次可以觀察到熔合區、粗晶區、混合晶粒區和細晶區。

　　2)堆焊層的顯微組織為亞共晶組織，其初晶相由富Co的γ奧氏體組成;而共晶組織由富Co的γ奧氏體和復雜的碳化物(Cr23C6、Co3W3C、CoCx和 WC 等)組成。

　　3)激光堆焊后，蒸汽發電機葉片的平均硬度提高了兩倍，一方面是由于堆焊層中存在碳化物硬質相，另一方面歸因于激光堆焊加熱和冷卻速度快，使得堆焊層組織細小，產生了細晶強化作用。

　　4)堆焊層中含有大量復雜的碳化硬質相，不僅提高了葉片的硬度，同時使得堆焊后葉片的耐磨性能相對于母材的耐磨性能提高了7倍。