CN103469199A - 一种高性能汽轮机锅炉管的激光熔覆制造工艺 - Google Patents
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Abstract
一种高性能汽轮机锅炉管的激光熔覆制造工艺，包括以下工艺步骤：（1）汽轮机锅炉管表面预处理；（2）合金粉末的选择和自动送粉装置的调节；（3）光束调节；（4）耐磨涂层激光熔覆；（5）熔覆后探伤检验。本发明具有优良的耐磨性能，显著提高了轮机锅炉管的耐磨性能和使用寿命；用于汽轮机锅炉管制造和修复再制造；降低了生产成本以及提高了产品的质量。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆领域，具体为一种高性能汽轮机锅炉管的激光熔覆制造工艺。
背景技术
在火力发电厂中，锅炉是三大动力设备之一，是一种产生热交换的设备，它的主要作用是将燃料燃烧释放出的热能来加热锅炉给水，以产生具有一定的压力和温度的优良品质蒸汽，送到汽轮机做功。水冷壁管、再热器管、过热器管、省煤器管，简称锅炉“四管”，是锅炉的心脏部位。
锅炉管的工作温度不一样，非受热面锅炉管（如水冷壁管，省煤器管）工作温度较低，受热面锅炉管（如蒸汽导热管或过热器管）的工作温度较高，某些高温高压锅炉的温度可达600℃左右。锅炉“四管”表面磨蚀形式主要是由高温氧化和烟气中硫化氢等介质腐蚀形成的高温腐蚀、以及烟气流与灰粉颗粒形成的冲刷磨损。电站锅炉水冷壁区域高温腐蚀是燃煤发电厂普遍存在的问题，也是影响电力安全生产的主要因素之一。高温腐蚀即金属高温受热面在高温烟气环境下在管壁温度较高处所发生的烟气侧金属腐蚀，腐蚀可使水冷壁壁厚减薄，强度降低，容易造成爆管、泄漏等事故。
锅炉管失效形式有焊缝泄漏、短期超温爆管、长期超温爆管、管内氧腐蚀（腐蚀疲劳）、垢下腐蚀（塑性、脆性）、高温腐蚀、应力腐蚀、热疲劳等，导致机组发生非计划停运，严重影响火电机组运行的安全性、经济性以及整个电网的安全生产和调度。其主要失效方式是爆裂，它是由蠕变断裂引起的，因此锅炉管的材料应具有足够高的持久强度，蠕变断裂塑性及蠕变极限。高压锅炉管用钢是一种应用高温、高压锅炉领域的关键装备，因其长期在高温、高压下工作，收到炉水、燃气、应力等的作用，因此要求钢的质量在高温区域内具有较高的持久强度，较高的蠕变强度和较好的抗蒸汽、氢、碱等腐蚀以及抗氧化性能。目前我国高压锅炉管用钢主要是使用热轧圆坯，很少使用连铸圆坯。与热轧圆坯相比，连铸圆坯具有工艺简单、成材率高、能耗低等明显的优势，是高压锅炉管用钢的发展方向。目前国内生产连铸圆坯基本上采用的是电炉炼钢。
低碳钢管（20A）只能用于工作温度低于450℃的非受热面管，而12Cr1MoV的工作温度可以高于580℃。如果蒸汽的工作温度超过580℃甚至600℃，则必须选用更高级的材料，如12Cr3MoVSiTiB或奥氏体耐热钢Cr17Ni13W。这会使材料的价格大大提高，锅炉管的消耗是很大的，所以在经济上很不合算。因此目前在设计大容量锅炉时多趋向于把蒸汽温度降到540℃左右，尽管工作温度高可以提高热效率，但从总的经济性考虑，采用廉价的耐热钢更合理些，这是选材的经济性限制机械装置效率的一个很典型的例子。
表面强化技术可以在不限制锅炉工作温度的前提下，提高锅炉管的使用寿命。方法之一是表面喷涂保护技术，锅炉“四管”表面的喷涂预保护技术的研究和应用，被列入国家“八五”规划重大科技推广项目热喷涂技术的重要内容之一，它解决了电站锅炉长期存在的技术难题。对于高温腐蚀多发生在水冷壁管，采用超音速电弧喷涂工艺制备涂层，使用高铬合金丝（FeCrAl）涂层结合强度50Mpa，涂层厚度0.4 mm 左右，涂层硬度330 HV，具有较好的防腐性能，涂层寿命4年左右,材料价格适中，目前多采用这类材料。
但是热喷涂的涂层和基体结合强度低，而且涂层厚度有限，其中存在孔隙和残余应力，韧性差，切削加工性较差。另外热喷涂热效率低，材料利用率低，而且在操作过程中存在一些危害因素。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种高性能汽轮机锅炉管的激光熔覆制造工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种高性能汽轮机锅炉管的激光熔覆制造工艺，包括以下工艺步骤：
（1）汽轮机锅炉管表面预处理；室温下对汽轮机锅炉管表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净，采用着色探伤法对其进行检验，要求表面无裂纹、气孔、杂质；
（2）合金粉末的选择和自动送粉装置的调节；选用与基体冶金相容性良好的钴基合金粉末，调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到0.8～2mm；
（3）光束调节；选用10*1mm宽带积分镜，并调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸长*宽=（8～10）*（1～1.5）mm；
（4）耐磨涂层激光熔覆；选用二氧化碳激光器、数控激光加工机，采用同步送粉装置将合金粉末自动送入激光熔池，在汽轮机锅炉管表面形成均匀致密的激光熔覆层；
（5）熔覆后探伤检验；用着色探伤法对汽轮机锅炉管表面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔。
进一步的，步骤（2）中的钴基合金粉末化学成份有Fe、Mo、Si、W、Ni、Mn；其化学成份按重量百分比分别为：W：4%，Fe：3%，Ni：3%，Mo：1%，Si；1.1%，余量为Co。
进一步的，步骤（4）中的熔覆工艺参数如下：激光功率P＝3000～4000W；聚焦矩形光斑尺寸长*宽=（8～10）*（1～1.5）mm；扫描速度V＝300～600mm/min；搭接率40～60%；涂层厚度：0.8～2mm。
本发明的原理是：采用具有良好的耐磨性能、与汽轮机锅炉管基体具有良好冶金与力学相容的铁基合金粉末，在高功率激光束辐照工件表面的同时，采用自动送粉装置同步向激光熔池送入合金粉末，合金粉末在熔池内发生快速熔化和凝固，形成均匀致密的耐磨熔覆层，熔覆层与基体形成牢固的冶金结合，熔覆层厚度在0.8～2mm，且均匀分布。
与传统的技术相比，本发明有益效果如下：
1、采用同步送粉法，形成均匀、致密的激光熔覆层，且厚度可调控，调控范围较大；
2、与基体形成牢固的冶金结合，具有优良的耐磨性能，显著提高了轮机锅炉管的耐磨性能和使用寿命；
3、用于汽轮机锅炉管制造和修复再制造；降低了生产成本以及提高了产品的质量。
具体实施方式
为了使本发明的实现技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例一
一种高性能汽轮机锅炉管的激光熔覆制造工艺，包括以下工艺步骤：
（1）汽轮机锅炉管表面预处理；室温下对汽轮机锅炉管表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净；用着色探伤法对其加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔、杂质；
（2）合金粉末的选择和自动送粉装置的调节；选用与基体冶金相容性良好的钴基合金粉末，调节自动送粉头使粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量使涂层厚度达到1.0mm；
（3）光束调节；选用10*1mm宽带积分镜，并调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸长*宽=8*1.5mm；
（4）耐磨涂层激光熔覆；选用二氧化碳激光器、数控激光加工机，采用同步送粉装置将合金粉末自动送入激光熔池，在汽轮机锅炉管表面形成均匀致密的激光熔覆层；
熔覆工艺参数如下：激光功率P＝4000W；聚焦矩形光斑尺寸长*宽=8*1.5mm；扫描速度V＝400mm/min；搭接率45%；
（5）熔覆后探伤检验；用着色探伤法对汽轮机锅炉管表面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔。
实施例二
一种高性能汽轮机锅炉管的激光熔覆制造工艺，包括以下工艺步骤：
（1）汽轮机锅炉管表面预处理；室温下对汽轮机锅炉管表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净；用着色探伤法对其加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔、杂质；
（2）合金粉末的选择和自动送粉装置的调节；选用与基体冶金相容性良好的钴基合金粉末，调节自动送粉头使粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量使涂层厚度达到1.8mm；
（3）光束调节；选用10*1mm宽带积分镜，并调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸长*宽=10*1mm；
（4）耐磨涂层激光熔覆；选用二氧化碳激光器、数控激光加工机，采用同步送粉装置将合金粉末自动送入激光熔池，在汽轮机锅炉管表面形成均匀致密的激光熔覆层；
熔覆工艺参数如下：激光功率P＝4000W；聚焦矩形光斑尺寸长*宽=10*1mm；扫描速度V＝600mm/min；搭接率45％。
（5）熔覆后探伤检验；用着色探伤法对汽轮机锅炉管表面加工部位进行检验，加工部位无裂纹、气孔。
实施例三
一种高性能汽轮机锅炉管的激光熔覆制造工艺，包括以下工艺步骤：
（1）汽轮机锅炉管表面预处理；室温下对汽轮机锅炉管表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净，用着色探伤法对其加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔、杂质；
（2）合金粉末的选择和自动送粉装置的调节；选用与基体冶金相容性良好的钴基合金粉末，调节自动送粉头使粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量使涂层厚度达到1.5mm；
（3）光束调节；选用10*1mm宽带积分镜，并调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸长*宽=9*1mm；
（4）耐磨涂层激光熔覆
选用二氧化碳激光器、数控激光加工机，采用同步送粉装置将合金粉末自动送入激光熔池，在汽轮机锅炉管表面形成均匀致密的激光熔覆层。
熔覆工艺参数如下：激光功率P＝4000W；聚焦矩形光斑尺寸长*宽=9*1mm；扫描速度V＝500mm/min；搭接率45％。
（5）熔覆后探伤检验；用着色探伤法对汽轮机锅炉管表面加工部位进行检验，加工部位无裂纹、气孔。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种高性能汽轮机锅炉管的激光熔覆制造工艺，其特征是：包括以下工艺步骤：
（1）汽轮机锅炉管表面预处理；室温下对汽轮机锅炉管表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净，采用着色探伤法对其进行检验，要求表面无裂纹、气孔、杂质；
（2）合金粉末的选择和自动送粉装置的调节；选用与基体冶金相容性良好的钴基合金粉末，调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到0.8～2mm；
（3）光束调节；选用10*1mm宽带积分镜，并调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸长*宽=（8～10）*（1～1.5）mm；
（4）耐磨涂层激光熔覆；选用二氧化碳激光器、数控激光加工机，采用同步送粉装置将合金粉末自动送入激光熔池，在汽轮机锅炉管表面形成均匀致密的激光熔覆层；
（5）熔覆后探伤检验；用着色探伤法对汽轮机锅炉管表面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔。
2.根据权利要求1所述的一种高性能汽轮机锅炉管的激光熔覆制造工艺，其特征是：步骤（2）中的钴基合金粉末化学成份有Fe、Mo、Si、W、Ni、Mn；其化学成份按重量百分比分别为：W：4%，Fe：3%，Ni：3%，Mo：1%，Si；1.1%，余量为Co。
3.根据权利要求1所述的一种高性能汽轮机锅炉管的激光熔覆制造工艺，其特征是：步骤（4）中的熔覆工艺参数如下：激光功率P＝3000～4000W；聚焦矩形光斑尺寸长*宽=（8～10）*（1～1.5）mm；扫描速度V＝300～600mm/min；搭接率40～60%；涂层厚度：0.8～2mm。
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