激光熔覆技术在推力瓦修复上的应用

陈少华，刘连伟，朱俊杰，张冲林

（中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌443133）

1 概述

某巨型水电站机组的推力瓦在2017～2018年度检修期间检查发现，推力瓦瓦面存在不同程度的大小、深浅不一的侵蚀斑（如图1所示）。用表面粗糙度仪进行表面粗糙度的测定，发现表面粗糙度值已经远远超出设计值，继续使用该推力瓦，将给机组的安全运行埋下隐患。

推力瓦整体更换成本较高，再加之推力瓦的缺陷损伤只是存在于瓦面的巴氏合金部分，瓦本身的坯体部分完好，于是寻求一种只针对瓦面巴氏合金进行再制造和修复的技术，且迫在眉睫。创新采用激光熔覆新技术对推力瓦表面巴氏合金进行修复再造，一方面可以降低损耗和成本，另一方面可以对推力瓦瓦面巴氏合金修复技术进行一次新的探索。

2 激光熔覆技术简述

激光熔覆是一种新的表面改性和增材制造技术。通过同步或预置材料的方式，将外部材料添加至基体经激光辐照后形成的熔池中，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的工艺方法。在基材表面形成与之冶金结合的熔覆材料层，具有热影响区小，熔覆层组织致密，热输入小，不易造成基板变形等一系列优点。图2为高速相机拍摄的激光熔覆过程，激光光束在工件表面形成熔池，粉末流向熔池并逐步凝固。

图2 激光熔覆工艺图

3 激光熔覆技术与传统浇注成型在工艺方面的优势对比

采用激光熔覆修复水电机组推力瓦，相对于传统的浇注成型，具有以下技术上面的优势：

（1）巴氏合金熔点低，浇注时凝固速度慢，组织粗大，易形成偏析组织；激光熔覆成型属于快速凝固，组织细小、均匀。

（2）浇注凝固易形成冶金缺陷，如孔洞；激光熔覆通过工艺手段可有效避免冶金缺陷，工艺组织致密。

（3）巴氏合金与钢坯熔点差异大，通过挂锡处理，浇注成型时，巴氏合金与基体形成化学键结合；激光熔覆能量密度集中，光斑能量密度高，巴氏合金与基体形成可靠的冶金结合，结合强度大大提高。

（4）激光熔覆局部快热快冷，能使基体保持良好的刚度，不易变形。

（5）浇注对人工依赖程度大，激光熔覆自动化程度高，依靠自动化设备，能更好的保证均匀性和尺寸精度。

4 采用激光熔覆技术进行推力瓦修复的流程图

流程图见图3。

图3 推力瓦修复流程图

5 修复方案

对机组推力瓦进行全面检查后，发现推力瓦钢坯部分完好，瓦面巴氏合金部分存在不同程度的坑蚀，最初制定的修复方案：

（1）在原推力瓦2.5 mm厚的巴氏合金表面，先机加工去除部分有表面缺陷巴氏合金层，约0.6 mm，保留大部分厚度的原浇注巴氏合金层。

（2）按照推力瓦成分检测结果，选择牌号为SnSb8 Cu8的巴氏合金，在机加工后的巴氏合金层上，激光熔覆一定厚度巴氏合金。

（3）由于激光熔覆后的推力瓦瓦面巴氏合金有一定的余量，按照图纸的具体要求，通过铣削和磨削的方式使推力瓦恢复到图纸尺寸和相关要求。

6 修复过程中出现的问题

6.1 出现的问题

（1）脱壳问题

原巴氏合金采用浇注工艺制备，与钢坯结合强度低，而原浇注巴氏合金在激光熔覆作用下，受热产生应力，应力使巴氏合金变形，并大于两层间的结合强度，与钢坯分离，出现脱壳。

图4 脱壳的巴氏合金层和钢坯

解决办法：将脱壳的原浇注巴氏合金全部去除，在钢坯表面激光熔覆多层巴氏合金。

（2）坑孔问题

1）原浇注巴氏合金层组织粗大，疏松，有针眼和气孔等缺陷，熔覆前的机加工难以彻底排除，激光熔覆时，在激光的作用下暴露，并迅速扩大，致使激光熔覆层也出现坑孔的缺陷。

2）推力瓦在长时间高载荷工作中，有润滑油浸入原巴氏合金层内部，熔覆前机加工未能排除掉浸油层，激光熔覆时产生气孔。

图5 坑孔

6.2 修复实例

第1件推力瓦修复时：

1）排除缺陷机加工去除0.65 mm。

2）出现小面积局部脱壳。

3）熔覆层内有较多孔洞（工艺试样并无气孔等缺陷），机加工后暴露，修补。

第2件推力瓦修复时：

1）首先排除缺陷，机加工去除0.5 mm厚度的巴氏合金。

2）修复过程中出现大面积巴氏合金脱壳，即巴氏合金与钢坯体脱离。

3）激光熔覆层到原浇注巴氏合金层，有贯穿性坑孔。

图6 大面积脱壳

根据第1件和第2件推力瓦修复具体情况，推力瓦巴氏合金脱壳、坑孔等现象均有发生，但程度不一，差别较大，分析其中的原因主要与原浇注巴氏合金层与钢坯的结合强度，以及巴氏合金层本身致密度有直接关系。因此，在原浇注巴氏合金层上激光熔覆巴氏合金的修复方案，会因不同推力瓦的质量和状态差异，而难以控制。

7 优化方案

针对在熔覆过程中所出现的问题，又提出如下3种解决方案：

方案1：去除外圈原浇注巴氏合金层（深色部分所示），外圈激光熔覆填补合金后再整体熔覆。该方案外圈的巴氏合金层与钢坯有足够的结合强度，降低了外圈巴氏合金层的脱壳风险，避免整体大面积脱壳，但未去除的巴氏合金区域仍会出现气孔缺陷和有较大脱壳、空鼓的可能。

图7 方案1示意图

方案2：去除外圈巴氏合金层，并将合金层分割成多个小块合金层（深色部分所示），去除区域填补合金后再整体熔覆。该方案能进一步减少大面积脱壳和局部空鼓的概率，但未消除的巴氏合金区域仍会出现气孔以及可能小范围内脱壳。

方案3：全部去除原瓦面浇注的巴氏合金层，重新在钢坯上激光熔覆巴氏合金，再机加工恢复到图纸要求尺寸。该方案优点为：巴氏合金层与钢坯结合强度可靠，脱壳倾向非常小；同时组织致密会有效降低气孔的产生。存在问题：需要进行多次熔覆才能达到足够巴氏合金厚度，导致变形更大，粉末用量高。

图8 方案2示意图

图9 方案3示意图

通过对各种方案进行全面对比，结合表1可以得出，采用方案3是解决加工过程几个问题的最好方案。

表1 三套解决方案评估对照表

图10 按新方案加工

8 检查验收

按照最新方案对推力瓦进行了修复，修复后的推力瓦通过了各项检查和性能测试。钢坯安装面平面度≤0.01 mm；巴氏合金面与钢坯安装面平行度≤0.03 mm。对瓦面巴氏合金进行超声波探伤，显示无缺陷。各项其他检查均符合图纸要求。

9 结论

创新性地将激光熔覆技术应用在推力瓦表面巴氏合金的修复上，并成功的完成了一整套推力瓦的修复工作，顺利通过了相关检查和测试。由于推力瓦对于水轮发电机组的重要性并且数量较大，随着机组运行时间的延长，推力瓦瓦面巴氏合金问题会逐渐显现，鉴于激光熔覆技术的灵活性和先进性，采用激光熔覆技术对推力瓦瓦面巴氏合金进行修复，是一种行之有效的解决办法，可以大大的节约检修成本以及备件的采购成本，有较为广阔的应用市场，为电力行业解决这方面的问题，提供了参考思路。