关于浅谈激光熔覆技术在石化机械维修中运用

论文导读：。二、激光修理技术的开发与应用激光熔覆是一种先进的涂层技术，利用高能激光束在金属材料表面获得极好的表面耐磨、耐蚀、耐冲刷、耐疲劳、抗高温氧化、减磨等多种高性能涂层，其综合性能明显优于热喷涂、等离子喷涂、喷焊、堆焊等现有涂层技术。激光熔覆具有熔覆热量小、工件基本无变形的特点，在零部件的修复方面优势
摘要：本文首先对激光熔覆技术进行概述，然后分析了激光修理技术的开发与应用，最后列举了激光熔覆工业化应用实例。
关键词：激光熔覆技术，石化机械，维修，应用实例。

一、激光熔覆技术概述

1.1 激光熔覆技术的定义

激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、 抗氧化及电器特性等的工艺方法。激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术，是指激光表面熔敷技术是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自激冷却形成稀释率极低，与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法[.如对60#钢进行碳钨激光熔覆后，硬度最高达2200HV以上，耐磨损性能为基体60#钢的20倍左右。在Q235钢表面激光熔覆CoCrSiB合金后，将其耐磨性与火焰喷涂的耐蚀性进行了对比，发现前者的耐蚀性明显高于后者。
激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术，它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，降低成本，节约贵重稀有金属材料，因此，世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视。

1.2 激光熔覆的技术特点

激光熔覆技术的基本特点是覆层平整、稀释率低、与基材的冶金结合强度高。低稀释率有利于保证熔覆层的成分和性能，而覆层的表面均匀性将使后续加工量大大降低，也因此降低了后续加工成本。熔覆过程中工件肌体温度小、变形量小，对工件肌体原有性能影响小，因而能大大满足工件现场修复的需要，实现在较短的时间内恢复工件使用功能的要求，满足了石化生产中因设备故障而“应急”恢复功能的需求。

二、激光修理技术的开发与应用

激光熔覆是一种先进的涂层技术，利用高能激光束在金属材料表面获得极好的表面耐磨、耐蚀、耐冲刷、耐疲劳、抗高温氧化、减磨等多种高性能涂层，其综合性能明显优于热喷涂、等离子喷涂、喷焊、堆焊等现有涂层技术。激光熔覆具有熔覆热量小、工件基本无变形的特点，在零部件的修复方面优势明显。
随着大功率工业化激光加工机制造技术的不断完善，大功率激光工业化应用技源于：论文集www.7ctime.com
术也越来越被国内外各研究机构所重视，不断取得新成果。
目前，虽然已有大量关于激光熔覆的工业化应用的研究，如激光熔覆的特性，不同材料与基体组合的熔覆工艺、参数、熔覆层的微观组织结构和相分析、熔覆层的性能、熔覆层的缺陷，激光熔覆基础理论和模型建立，激光熔覆的应用，激光熔覆专用材料和装备等，但均处于未完全成熟阶段。激光熔覆涂层技术需进一步解决的问题有：大面积激光熔覆过程中的裂纹问题，激光熔覆专用材料体系，激光熔覆过程的检测与实施自动控制。

2.1 激光熔覆修理

主要是对原磨损机件进行表面堆焊，将因过度磨损、腐蚀、冲刷、氧化、刮伤、变形等原因而导致失效的零部件进行激光表面熔覆修复。它不仅能使损坏的零件恢复原有尺寸，而且可以提高或改善其性能，节约设备维护费用。虽然激光修理有熔覆层与零件母材冶金结合、堆焊热影响区小、零件变形量小等显著优点，但激光熔覆伴有传热、辐射、固化、分子取相及可能的结晶等物理变化，仍存在一定程度的零件变形。笔者认为，这些变形过程的控制取决于熔池的深度和温度区分布，并直接影响到熔池的形状和熔覆层的组织性能，因此，熔池的温度区分布控制与激光熔覆层质量（组织、性能、表面粗造度等）有关。经大量试验分析与模拟计算，可以确定，在给定条件下（激光功率、激光扫描速度、光斑直径、环境条件等）送粉率和熔覆层厚度是控制温度区变化的重要因素。

2.2 激光熔覆加工表面温度的影响和控制

激光注入热量的不均衡和加工时激光熔池温度区分布不稳定等因素，导致修复部位应力分布过于集中、稀释率太高，常常引起裂纹或强度不够。应控制好激光再制造工艺参数，保证激光熔覆的质量。这些参数包括激光功率、加工速度、送粉量、焦深、工件及粉末材料的倒热率等。

2.3 激光熔覆粉末的开发

由于激光熔覆工艺本身的特点，热喷涂粉末不能完论文导读：
全满足激光熔覆技术的要求，尤其是高硬度粉末，用于激光熔覆时涂层的开裂倾向很大，根本无法满足熔覆要求。相对于铁基和钴基，镍基材料的开裂敏感性较低，成本适中，能满足耐磨、抗热疲劳、耐腐蚀等性能需求，应用广泛，镍基材料的应用是激光熔覆粉末的开发研究方向。激光熔覆对粉末、工艺性能的要求主要有：
①粉末的熔点低，自熔性、浸润性好，涂层的成型美观、无缺陷。②粉末有良好的流动性，颗粒成型为球状，大小均匀。③粉末有较高的抗开裂能力和较小的收缩线性。④激光熔覆一般多用于零件的磨损修理，所以还要求熔覆层有较高的硬度和耐磨性。此外，在粉末的选用上，还要考虑石化设备的修理、熔覆层对工艺介质的耐腐蚀性要求等因素。
经过对大量自熔性合金粉末的试验和筛选，我们改进了镍基自熔性合金粉末的成分，收效良好。镍基自熔性合金粉末中的元素“B”（硼）和“Si”（硅）的含量对熔覆层的成型质量影响显著，用于激光熔覆的粉末应严格控制“B”和“Si”的合理比例。

三、激光熔覆工业化应用实例

例1：对热电厂吸风机转子的修复。该转子长4 930mm、直径420 mm，材质40Cr。以前采用刷镀、低温镀铁等工艺进行修复，使用寿命和效果不佳，更换新件费用高、浪费大。该转子修复前的情况是：支撑轴承部位大面积磨损，比标准尺寸小0.03~0.05 mm，并有多处宽1~2 mm、深0.3~0.5mm的环状沟痕。经分析，决定采用硬度HRC30 左右的镍基粉末对其磨损表面进行激光熔覆，根据熔覆部位直径，设定加工机的主轴S 轴的转速、送粉量应保证熔覆层厚度为0.4 mm 左右。激光熔覆后，该转子熔覆表面成型均匀，表面硬度检测为HRC25，复型后投入使用至今，效果良好。
例2：对炼油厂火炬气螺杆压缩机壳体及阴阳转子的修复。该压缩机采用双螺杆压缩模式，工作介质为硫化氢，设备修复前冲刷及硫化氢腐蚀严重，已无法使用，压缩机解体后发现其壳体、端盖及阴阳转子都因物料中含有大量的腐蚀性气体而出现不同程度的腐蚀。壳体、端盖都已冲刷减薄3 mm 以上，阴阳转子的直径减小了1mm 左右，壳体、端盖的材质为铸铁，转子材质为铸钢，材料可焊性极差，修复工艺难度较高。由于当时炼油厂无备台或备件可换，生产急需恢复该设备的功能。该设备的了修复采用了激光熔覆技术的多层熔覆工艺，熔覆层数达到了5 层，最厚熔覆层总厚度达到4 mm，大面积熔覆取得成功（壳体、端盖的熔覆采用了复合工艺）。由于螺杆的螺旋线沟巢狭小，无法进行自动送粉，熔覆过程采用了手工涂粉，粉末量保证熔覆层厚度在0.35~0.4 mm之间，激光光斑进行直线往复运动，最初设定加工机功率、线速度、运动横向进给，工作参数比较保守。熔覆后发现覆层表面存在大量的气孔的缺陷，经分析认为是由转子原表面凹坑中的氧化物及污垢未去除干净所致。将氧化物及污垢清理干净后再进行熔覆，将功率增加，其它参数不变，则熔覆层成形质量明显提高，只有少量气孔。在熔覆第二层时，保持功率等参数不变，将线速度提高，熔覆层质量基本与熔覆普通碳钢零件表面相同。照此方法对阳转子螺杆部份的外表面熔覆了两层，然后在自制的专用胎具上让其与阴转子互研，采用手工打磨的方法去除高点后，再进行熔覆，如此反复进行，直至阴阳转子啮合完好，间隙满足要求。修复后试运转表明，设备功能恢复良好，压缩量基本满足生产工艺要求。
四、结语
在利用激光熔覆技术进行石化机械修复过程中需要注意的几个问题。第一，必须确认被修复基体的材质，以便选择修复涂层的材料。第二，由于修复层只与基体表面发生冶金结合，故修复尺寸需要谨慎控制，否则会影响基体的机械强度。第三，被修复工件进行机加工时，必须结合工件的工作原理和工作特点进行基准选择，要做到基准正确可靠，否则形位公差难以控制，工件无法正常工作，带来修复负影响。第四，对大型重要设备的关键零件修复后，除宏观上考察熔覆层形状、表面不平度、裂纹、气孔及稀释率外，微观上还应检测是否形成良好的组织，能否提供所要求的性能，必要时要进行质量寿命检测。
随着激光熔覆技术基础理论研究的不断深入和发展、熔覆材料及相关设备的不断开发和研制、自动化程度的不断提高，该技术的技术经济效益将日益突出，是发展再生经济的重要途径。
参考文献：
刘录录，孙荣禄.激光熔覆技术及工业应用研究进展[J].热加工工艺，2007，（36）
郭景杰,傅恒志.合金熔体及其处理[M].机械工业出版社,2006，（3）