简述激光熔覆在热力发动机中的应用现状

热力发动机作为人类不可或缺的主要动力机械，在电力、能源输送（西气东输、川气东送、陕京线等大型管道建设）、军事、航空、航海、舰船、轨道等陆用动力方面发挥着重要作用，支撑着各个国家的支柱经济产业。常用的热力发动机主要包括内燃机（含汽油机、柴油机和煤气机等），燃气轮机和蒸汽动力装置。

造成内燃机失效的原因可以说皆源于热负荷，但最终引发内燃机发生故障却是各影响因素的综合作用，如机械负荷，腐蚀以及摩擦磨损等。其失效模式主要有内部金属零部件的碎裂和开裂等、磨损或腐蚀严重至局部剥落等。文中所提到的金属零部件主要包含气缸套、活塞、活塞环、凸轮挺杆、曲轴等。这些零部件均不同程度地承受着燃气高温高压的考验，长期经受着腐蚀介质的作用，以及由体积负荷引起的机械应力作用，并且可以发现损伤多数发生在表面或者从表面开始，因此提高零部件表面性能对延长零部件使用寿命具有重要的作用，同时经过周期性检修及时发现的表面受损部位，还可以通过表面再制造技术对其进行补救。对于燃气轮机和蒸汽轮机来说，失效部位常发生在热端部件，如转子、叶片和喷嘴，这些部位的失效原因因不同的运行环境不同，大致可归结为热疲劳、外部侵蚀（气蚀、水蚀等）等。其发生在叶片根部的断裂是不可修复型，而发生在叶片顶端面或根部的损伤便可通过修复后实现再利用。再者，用于发电机组的叶片往往造价极高，将修复后的叶片重装再利用，将大大地降低电厂的发电成本。

不论是零件在服役前的表面强化，还是服役后发生故障进行修复，其传统的加工方式主要有表面淬火、表面渗碳或渗氮、热喷涂、堆焊等，其中热喷涂和堆焊在后期修复中的应用更加普遍一些。随着加工技术的不断升级和改进，一种具有划时代意义的加工技术迅速地成为制造业各大厂商争先引进的最新技术，即激光移动再制造技术（激光熔覆）。这种激光再制造技术不仅可以用于受损零部件的修复，还可以做激光表面淬火，与传统的热处理方式相比，激光淬火是一种快热快冷的加工技术，可在表面获得晶粒细小的淬硬层，淬硬层的深度最大可达1.5mm。并且，结合高 端多轴机床或者6+2式机械手，采用激光器还可对受损的三维复杂零部件进行修复，充分体现了激光再制造技术的柔性化以及先 进性。

下面就某发动机缸套的表面强化以及某汽轮机叶片的表面修复做一个简单分析。

图 1 发动机缸套激光淬火

   经激光淬火后的发动机缸套，几乎没有任何变形，表层硬度得到了明显的提升，较未处理之前提升了至少3倍。依据缸套的技术要求，获得了理想深度的硬化层，大幅度地提高了缸套的耐磨性能和使用寿命。这是因为激光束照射到缸套表面的能量密度可达104～105w/cm2,被照射的缸套表面急骤升温到相变温度，激光束离开的瞬间，热量经母体迅速散失，受热面急速冷却，表层获得了超细化的马氏体组织。

 

图 2 叶片修复前及修复后对比图：A 修复前；B 修复后

   从图2 A中看出，叶片的局部受损部位已经进行了疲劳层去除处理，处理后的表面起伏不平，不规则度很大。若使用传统的修复技术很难获得致密平整的填充效果，而激光熔覆技术是一种非接触式加工，在一定的范围内不会受制于工件形状或尺寸的影响。图2 A中的受损部位具有较深豁口，故需要多道多层搭接。激光熔覆技术在应用中的常见问题便是裂纹的滋生，多道多层的搭接会增发应力变化的复杂性，不利于从工艺角度控制裂纹的生成。因此在熔覆过程中，可通过调整光斑大小、扫描速度、激光功率来尽量在最少搭接道数目以及最少搭接层下完成豁口的修复，如图2 B中便是修复后的叶片，经过性能检测，完全满足其服役性能要求。

   激光熔覆，它是一个极其复杂的非平衡凝固动态过程，因此在工艺方面经常需要大量的试验，才能获得质量性能均有优异的涂层。另外，金属粉末的选取也是至关重要的一环，要在能保证熔覆层所需服役性能的同时，还需尽量选取与基材的热膨胀系数、熔点相近，熔体具有良好润湿性的金属粉末。虽然激光熔覆技术在应用中仍存在局限性，但随着工艺逐渐规范、标准化，待这个尚在雏形中的产业形成技术标准，结合如今激光光源不断朝着小体积大功率的发展趋势，今后利用激光来修复一些可再生零部件将发展地更加便捷。