CN102031513B - 一种汽轮机末级叶片的修复方法 - Google Patents

Abstract

一种汽轮机末级叶片的修复方法，其特点是有以下步骤：1.汽轮机末级叶片修复前检测；2.汽轮机末级叶片形线样板制作；3.汽轮机末级叶片疲劳层清理；4.损伤部位激光仿形熔覆；5.钳修复形；6.修复后检测。本发明使得经维修过的汽轮机末级叶片不需要进行热处理和热校形，熔覆后只要利用做好的型线样板对叶片进行修形，就具有完好的形线，同时具有较高的使用寿命。

Description

一种汽轮机末级叶片的修复方法

技术领域：

本发明涉及一种汽轮机末级叶片的修复方法，特别是涉及一种采用激光熔覆的方式修复汽轮机末级叶片的方法，属于IPC国际专利分类表中的C23C24/10(2006.01)I技术领域。

背景技术：

汽轮机末级叶片是电厂汽轮机组的最末级叶片，是长度最长、重量最大的一组。汽轮机的工作介质是水蒸汽，当气流流到末级叶片时，水蒸汽中已含有一定量的液体水珠，这些水珠就会对高速旋转(汽轮机组大小不同，转数有1500rpm、3000rpm等几个等级)的末级叶片造成冲刷，使汽轮机末级叶片的强度、平衡状态、工作效率和寿命等受到很大影响。由于汽轮机末级叶片长度最长、重量最重，因此所受的离心力也就最大，若不及时修理，甚至会造成叶片的断裂，发生重大质量事故。由于其工作环境的特点，因此需要汽轮机末级叶片整体要有较好的耐冲刷性能、良好的持久强度和较好的抗热疲劳及断裂性能。

汽轮机所有的叶片的型线都是非常复杂的，包括末级叶片，而且叶身非常薄。因此，在很小的热应力下就会使叶片产生变形。而叶片的复杂形线是保证汽轮机工作效率的最为重要的参数，这就要求在维修汽轮机末级叶片时，一定要保证叶片的形线。如果叶片的形线无法保证，那汽轮机的工作效率会降低，甚至无法正常使用。因此，汽轮机末级叶片维修的关键点在于：在保证叶片使用寿命的前提下，保证汽轮机叶片的形线。

传统的汽轮机末级叶片修复方式主要采用电焊和氩弧焊两种，且焊材也是已被普遍采用的普通焊丝或焊条。这两种维修方式样比，氩弧焊的工艺特点要比电焊好很多。但是由于氩弧焊接的应力原因，必然要导致叶片变形。这就要求氩弧焊接修复的叶片必须经过热处理而消除大部份叶片的变形，小部份未能消除的变形要通过热校形的方法加以解决。而无论是热处理还是热校形(尤其是热校形)会大大降低汽轮机叶片的使用寿命。在汽轮机组正常工作的情况下甚至会出现末级叶片断裂的恶性质量事故，存在很大的安全隐患。

因此，选择适当的汽轮机末级叶片修复方法，保证修复后叶片的型线和空间位置不发生变化，使得经维修过的汽轮机末级叶片不需要进行热处理和热校形，修复后只要利用做好的型线样板对叶片进行修形，就具有完好的形线及较高的使用寿命，是当前亟待解决的课题。

激光熔覆成型技术作为一种先进的再制造技术，近年来得到了迅速推广和广泛应用。

激光熔覆成型技术利用高能量激光束聚集能量极高的特点，瞬间将在基材表面预置或与激光同步自动送置的、具有特殊物理、化学或力学性能的合金粉末完全熔化，同时基材部分熔化，形成一种新的复合型材料，激光束扫描后快速凝固，获得与基体冶金结合的致密覆层，以达到恢复几何尺寸和表面强化的目的。

目前，关于利用激光熔覆工艺进行设备部件修复的专利和报道很多：例如，

公开号为CN101109083的中国发明专利申请给出的《发动机曲轴激光熔覆修复工艺》，是按以下步骤进行：A.在室温对曲轴表面进行除油除锈处理；B.选用DL-HL-T10000型CO₂激光器，工作台为数控机床，利用激光器自动送粉装置把铁基或镍基自熔合金粉末送入熔池，在曲轴表面进行激光熔覆修复和强化；工艺参数为：熔覆功率P＝1000W～10000W；光斑直径D＝2mm～20mm；扫描速度V＝200～2000mm/min；搭接率20～40％。

公开号为CN101204757的中国发明专利申请给出的《一种薄壁圆筒件的激光熔覆工艺》，其工艺参数是：熔池尺寸直径为2～5mm、扫描速度是15～40mm/s，功率：2000～5000W；按螺旋线进行熔覆；其特征在于：每条螺旋线的始点按圆周分区交替进行，区域顺序保持尽量大的夹角。

公开号为CN101100746的中国发明专利申请给出的《渗碳类重载齿类件齿面激光熔覆粉末材料及修复方法》，该粉末材料包括以下质量百分数的物质：0.80-1.10％C，7.50-9.00％Mn，0.90-1.30％Cr，0.20-0.35％Mo，2.00-3.50％B，2.50-3.50％Si，杂质P≤0.06％，杂质S≤0.04％，其余未Fe；粉末粒度为-140目～+260目。激光熔覆单位时间作用能量密度为1.0×10⁸W/m²～10⁹Wm²。

现有技术给出的上述技术方案虽能利用激光熔覆工艺对部分设备部件进行修复，并通过配制适当的熔覆材料克服了激光熔层存在的裂纹、气孔和微观结构不均匀性的问题，取得一定的技术效果。但对其他特定的设备部件，尤其是在像汽轮机末级叶片这种关键部件，能否采用常规的激光熔覆成型工艺进行无裂纹和气孔缺陷、均质的修复，经本申请人检索查证：国内尚无先例，国外也没有见到相关报道，寻找出适当的采用激光熔覆的方式修复汽轮机末级叶片的方法仍需所属领域的技术人员进一步作出创造性的研究工作。

发明内容：

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，通过反复研究改进，给出了一种汽轮机末级叶片的修复方法，该修复方法使得经维修过的汽轮机末级叶片不需要进行热处理和热校形，熔覆后只要利用做好的型线样板对叶片进行修形，就具有完好的形线，同时具有较高的使用寿命。

本发明给出的技术方案是：这种汽轮机末级叶片的修复方法，其特点是有以下步骤：

1.汽轮机末级叶片修复前检测：确定维修样片，检测维修样片的原始数据(主要指尺寸)，作为维修的依据；

2.汽轮机末级叶片形线样板制作：根据维修样片的具体尺寸，制作3～15个形线样板，利用样片的尺寸及空间形线位置，用镀锌板手工制作出维修用尺寸和形线样板；

3.汽轮机末级叶片疲劳层清理：利用手工打磨的方法(主要采用角磨和直磨)对汽轮机末级叶片的损伤轴面进行机械清理，将损伤部位的疲劳层清理干净，为下一步激光仿形熔覆做准备；

4.损伤部位激光仿形熔覆：确定专用于修复汽轮机末级叶片的激光仿形熔覆工艺，在严格控制工艺条件下对汽轮机末级叶片损伤部位进行仿形熔覆，其中熔覆材料成分为C：0.4～0.9％；Cr：24～30％；W：6～10％；Ni：8～14％；Mn：0.3～0.8％；Si：0.5～1.0％；Zr：0.02～0.06％；Hf：0.25～0.5％；Co：余量。激光仿形熔覆的工艺参数如下：

功率、500～2000W，光斑直径、1～5mm，置粉厚度、0.2～0.8mm，

扫描速度、2～20mm/s，搭接率、30％～70％；

5.钳修复形：以制作的形线样板为样本，利用角磨、直磨的方法对熔覆后的汽轮机末级叶片熔覆区域进行手工加工，使汽轮机末级叶片的几何尺寸和空间尺寸达到形线样板的要求；

6.修复后检测：按照已制作的形线样板，对维修后的汽轮机末级叶片的几何尺寸和空间尺寸进行检测，使之达到形线样板的要求。

为更好的完成本发明的目的，控制在修复过程中对叶片的热输入引起的变形，使叶片变形尽可能减小，保证修复后叶片的型线和空间位置不发生变化，步骤4的激光仿形熔覆中采用的控制叶片变形的方法是：以被修复的叶片左右两侧的叶片作为基准，将修复叶片与不修复的叶片连接为一体，同时使修复叶片具有反向变形，以消除在修复过程中的热变形的影响。

为更好的完成本发明的目的，步骤4的激光仿形熔覆中采用梯度功能材料进行熔覆：即在熔覆区域的熔覆厚度方向上分为底层和表面功能层，其中底层采用与基材浸润性能好的材料，以恢复水蚀较重叶片的尺寸，恢复尺寸后，再磨削出硬化层要布置的位置和深度，然后进行表面功能层的熔覆，最后按形线样板进行复型，以保证叶片型线和效率。

本发明的激光熔覆修复的工艺特点如下：

热影响区：激光仿形熔覆的热影响区一般为0.1～0.2mm，氩弧的热影响区一般在1mm左右。

应力：激光仿形熔覆汽轮机末级叶片的应力一般情况下为10Mpa～50Mpa之间，不会造成叶片的变形，氩弧焊接的应力约在是200Mpa～450Mpa之间，会造成叶片的严重变形。

结合处金相组织：激光仿形熔覆基体与熔覆层结合处均为奥氏体组织，且熔铸层及其界面组织致密，无晶粒长大现象；氩弧焊的焊材与基体结合处组织成份复杂，会出现马氏体、屈氏体等有害组织，且晶粒粗大。

热处理：激光仿形熔覆修复后的汽轮机末级叶片不用热处理，氩弧焊修复的叶片由于存在严重变形，必须经过热处理才能使用，而热处理本身会使汽轮机末级叶片的自身性能下降20％～30％左右(不同的热处理制度会造成不同程度的性能下降)，且热处理后叶片的变形量也不能完全恢复，还需要通过校形处理才能使叶片的叶形得以恢复，而校形会使汽轮机末级时片自身的性能再次降低10％～50％不等。很多厂家在利用氩弧维修叶片后都不进行校形处理，因为叶片校形后很容易导致叶片断裂等恶性事故，但这又使汽轮机的工作效率大幅下降。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

热影响区小(一般为0.1～0.2mm，传统热加工工艺的热影响区都在1mm左右)、热源小(热源直径只有1～5mm)、能量密度高(可达到10³～10⁵J/mm²，是传统热加工方式的5～10倍)、应力小(一般情况下为10Mpa～100Mpa之间，是传统工艺的1/5～1/10)、热辐射面积小、变形小或基本不变形。

总之，经过本发明方法修复的汽轮机末级叶片激光熔铸层与基体为冶金结合，结合强度不低于原基材的90％；基体材料在激光加工过程中工件表面微熔，微熔层为0.05～0.1mm，基体热影响区极小，一般为0.1～0.2mm；熔铸层与基体均无粗大的铸造组织，熔铸层及其界面组织致密，晶粒细小，没有孔洞、夹渣、裂纹等缺陷；激光加工过程中汽轮机末级叶片的基体温度不超过30℃，激光加工后汽轮机末级叶片无热变形；激光熔铸技术可控性好，易实现自动化控制；汽轮机末级叶片的修复层表面有较高的耐冲刷性能、良好的持久强度和较好的抗热疲劳及断裂性能，可以满足汽轮机末级叶片的工作条件。

具体实施方式：

本发明采用激光熔覆的方式修复汽轮机末级叶片的修复工艺主要由下列工序组成：

汽轮机末级叶片修复前检测；

汽轮机末级叶片形线样板制作；

汽轮机末级叶片疲劳层清理；

损伤部位激光仿形熔覆；

钳修复形；

修复后检测；

以上工序通常是按时间先后的顺序依次进行。其中：

汽轮机末级叶片修复前检测指的是：一般情况下，厂家维修的汽轮机末级叶片都会有一个或几个样片，如果没有样片，厂家会规定以损伤量最小的一片叶片作为维修样片，检测的目的就是将维修后要达到的各组数据(主要指尺寸)检测出来，作为维修的依据。

汽轮机末级叶片形线样板制作指的是：根据样片的具体尺寸，制作3～15个形线样板。利用样片的尺寸及空间形线位置，用镀锌板手工制作出维修用尺寸和形线样板(一般情况下一套样板包括空间形线定位样板两个，进、排气边各一个，叶片形线与尺寸样板五个，横向三个、纵向两个)

汽轮机末级叶片疲劳层清理指的是：利用手工打磨的方法(此处主要采用角磨和直磨)对损伤轴面进行机械清理，将损伤部位的基疲劳层全部清理干净，为下一步激光仿形熔覆做准备。

损伤部位激光仿形熔覆指的是：利用激光仿形熔覆的这一工艺特点，在严格控制工艺条件下对汽轮机末级叶片损伤部位进行仿形熔覆。

钳修复形指的是：利用角磨、直磨、以制作的形线样板、塞尺、高度尺等设备对熔覆后的汽轮机末级叶片熔覆区域进行手工加工，使汽轮机末级叶片的几何尺寸和空间尺寸达到形线样板的要求。

修复后检测指的是：按照已制作的形线样板，对维修后的汽轮机末级叶片的几何尺寸和空间尺寸进行检测，达到形线样板的要求。

本发明在激光仿形熔覆中采用由同步送粉器、多关节机械手、光纤传导的全固态激光发生器组成的全固态柔性激光加工系统。该全固态柔性激光加工系统为现有的专业设备。该全固态柔性激光加工系统的柔性表现在多自由度的机械手通过编制程序可以实现任意空间位置和轨迹的激光辐照，同步送粉器可以保证在任何位置均能将粉末用气体吹送的方式送至光斑熔池之内，激光的传输是使用光纤，实现了光路的柔性。

实施例1

某20万kw汽轮机中压转子末级叶片修复

汽轮机末级叶片材质：1Cr13

激光加工系统及定型工装安装后，编制激光熔覆的程序，同时钳修打磨末级叶片的损伤区域，进行探伤检测，启动激光器和送粉器，进行熔覆，首先熔覆底层，C：0.4～0.9％；Cr：24～30％；W：6～10％；Ni：8～14％；Mn：0.3～0.8％；Si：0.5～1.0％；Zr：0.02～0.06％；Hf：0.25～0.5％；Co：余量。

激光仿形熔覆的工艺参数如下

功率：500W；光斑直径：2.5mm；置粉厚度0.4mm；扫描速度：18mm/s搭接率：50％

底层熔覆后，钳修打磨成型并修磨出表面层的熔覆区域，进行表面层熔覆，熔覆后钳修复型达到要求后，分解定型工装进行下一片叶片修复。

该转子修复后运行良好。

实施例2

某10万kw汽轮机低压转子末级叶片材质：2Cr13

激光仿形熔覆功率：1200W；光斑直径：2mm；置粉厚度0.5mm；熔覆材料成分：C：0.4～0.9％；Cr：24～30％；W：6～10％；Ni：8～14％；Mn：0.3～0.8％；Si：0.5～1.0％；Zr：0.02～0.06％；Hf：0.25～0.5％；Co：余量；扫描速度：15mm/s，搭接率：60％；熔覆厚度：根据损伤情况而定，要求熔覆后的尺寸比未损伤的基高高2mm左右。

修复后转子运行良好。

Claims (2)

1.一种汽轮机末级叶片的修复方法，其特征在于包括有以下步骤：

(1)汽轮机末级叶片修复前检测：确定维修样片，检测维修样片的原始数据，作为维修的依据；

(2)汽轮机末级叶片形线样板制作：根据维修样片的具体尺寸，制作3～15个形线样板，利用样片的尺寸及空间形线位置，用镀锌板手工制作出维修用尺寸和形线样板；

(3)汽轮机末级叶片疲劳层清理：利用手工打磨的方法对汽轮机末级叶片的损伤轴面进行机械清理，将损伤部位的疲劳层清理干净，为下一步激光仿形熔覆做准备；

(4)损伤部位激光仿形熔覆：确定专用于修复汽轮机末级叶片的激光仿形熔覆工艺，在严格控制工艺条件下对汽轮机末级叶片损伤部位进行仿形熔覆，其中熔覆材料成分为C：0.4～0.9％，Cr：24～30％，W：6～10％，Ni：8～14％，Mn：0.3～0.8％，Si：0.5～1.0％，Zr：0.02～0.06％，Hf：0.25～0.5％，Co：余量，激光仿形熔覆的工艺参数如下：

功率500～2000W，光斑直径1～5mm，置粉厚度0.2～0.8mm，

扫描速度2～20mm/s，搭接率30％～70％；

(5)钳修复形：以制作的形线样板为样本，利用角磨、直磨的方法对熔覆后的汽轮机末级叶片熔覆区域进行手工加工，使汽轮机末级叶片的几何尺寸和空间尺寸达到形线样板的要求；

(6)修复后检测：按照已制作的形线样板，对维修后的汽轮机末级叶片的几何尺寸和空间尺寸进行检测，使之达到形线样板的要求。

2.根据权利要求1所述的汽轮机末级叶片的修复方法，其特征在于步骤(4)的激光仿形熔覆中采用了控制叶片变形的方法：即以被修复的叶片左右两侧的叶片作为基准，将修复叶片与不修复的叶片连接为一体，同时使修复叶片具有反向变形，以消除在修复过程中的热变形的影响。