CN104736292A - 用于修复涡轮机构件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于修复涡轮机构件(1)的方法(1)包括下列步骤：设置(50)激光熔覆机器；通过移除构件的受损体积来准备(11)待修复的涡轮机构件的部分；使涡轮机构件相对于激光熔覆机器旋转；通过激光熔覆来重建(12)受损体积，以便在受损构件中获得重建体积；对涡轮机构件的重建体积应用热处理(13)；精加工(14)重建体积的表面；无损测试(15)重建体积；其中，设置(50)激光熔覆机器的步骤包括一些子步骤以用于限定操作所述重建阶段的参数。

Description

用于修复涡轮机构件的方法
技术领域
本发明涉及用于通过激光熔覆(laser-cladding)修复涡轮机构件的方法。
背景技术
涡轮机的接近操作限制的越来越多的使用要求特定修复技术的开发，该修复技术设计为再现与新部件的状态接近的状态。旋转和非旋转部件二者经历由腐蚀引起的损坏并且/或者经历磨损。
例如，蒸汽涡轮轴通常在轴端部处在联接区域中并且在径向轴承区域中受损。在离心压缩机轴上，对于支承轴颈并且对于轴端部发生相同的情况，而且在压缩机检查期间很经常；叶轮通常被发现密封区域磨损。其他旋转或固定部件也可受损，例如蒸汽涡轮叶片、离心压缩机外壳、或燃气涡轮转子。
在上述领域中，常规修复技术，例如电弧或微等离子沉积焊接，显示了多个缺点，即，具体而言，高加热和冷却速率和低熔化体积。作为备选，已知通过激光堆焊的修复方法。后者超过备选堆焊处理的优点包括：
- 化学方面清洁，因为不涉及燃烧或离子轰击，
- 局部加热，其中最少的热传输至基底，从而导致构件的最少热损坏，
- 减少的加工后程序，
- 处理非常硬、脆或软的材料的可能性，
- 控制热渗透的可能性，
- 沉积更厚的层的可能性。
在激光堆焊方法之中，激光熔覆是众所周知的。激光熔覆使用激光束将具有期望特性的熔覆材料熔合到表面待修复的构件的基底材料中。激光熔覆提供形成具有纯度、同质性、硬度、结合和微结构方面的优良特性的表面层的可能性。
激光熔覆修复方法已用于修复固定构件，如在US20100287754中描述的，或沉积小体积的熔覆材料，如在US20090057275中描述的。
为了修复旋转构件的较大和较厚的受损区域和/或表面，必须正确地调整方法参数，以便最佳地恢复受损构件的外观和特性。具体而言，必须解决以下两个需求之间的冲突：获得重建受损部件所需的良好的冶金结合；和避免涂层与基底材料之间的混合，以便在表面上具有期望的涂层特性。通常，必须发现处理的所有变量之间的正确相关性。
因而将期望的是提供一种改进的激光熔覆方法，其允许以简单且可再现的方式为待修复的各涡轮机构件发现此种相关性，以便避免已知的现有技术的不便。
发明内容
根据第一实施例，本发明通过提供包括以下步骤的用于修复涡轮机构件的方法获得这种目的：
- 设置激光熔覆机器；
- 通过移除所述构件的受损体积来准备待修复的涡轮机构件的至少一部分；
- 使所述激光熔覆机器和涡轮机构件中的一个相对于所述激光熔覆机器和涡轮机构件中的另一个旋转；
- 通过激光熔覆重建所述受损体积，以便在所述构件中获得重建体积；
- 对所述涡轮机构件的至少所述重建体积应用热处理；
- 精加工所述重建体积的表面；
- 无损测试所述重建体积。
根据第一实施例的另一有利特征，设置激光熔覆机器的步骤包括下列子步骤：
- 识别一组激光熔覆处理参数，
- 识别样品；
- 在应用所述一组激光熔覆处理参数之后，通过所述激光熔覆机器在所述样品上焊接第一层；
- 将第一层的多个几何数据与相应的多个参考数据范围比较；
- 如果所述多个几何数据在所述多个参考数据范围中，那么通过所述激光熔覆机器在所述样品上焊接多个其他层；
- 通过显微照相检查来测试所述多个其他层，以用于限定操作所述重建阶段的参数。
根据第一实施例的另一有利特征，该多个几何数据包括：
- 所述第一层的边缘与所述样品的表面之间的至少一个角度(α)，具有150°至160°的值；
- 所述第一层的高度，
- 所述第一层的宽度，
- 所述第一层的所述宽度与所述高度之比大于5。
相对于其他已知修复方法，本发明的解决方案允许：
对于待修复的各涡轮机构件，简单地发现激光熔覆参数之间的正确的相关性，
- 通过沉积直到6mm的厚度的熔覆材料层，有效地重建更大的受损体积，而不降低修复后的构件的机械特性。
在第二实施例中，本发明提供一种用于修复涡轮机构件的移动设备，其包括车削机器和激光熔覆装置，该激光熔覆装置为以下类型，其包括用于形成激光束的激光装置、和用于朝所述激光束吹金属粉末的粉末给料器装置，其特征在于，所述激光熔覆装置能够固定至所述车削机器的刀具站。
通过该第二实施例实现在上面参照本发明的第一实施例描述的相同的优点。此外，后面的实施例允许直接现场执行本发明的方法，而不要求移走整个涡轮机或待修复的构件。
附图说明
根据本发明的实施例的结合下列附图作出的下列描述，本发明的其他目的特征和优点将变得显而易见。
- 图1是根据本发明的用于修复涡轮机的方法的总框图；
- 图2是图1中的方法的详细框图；
- 图3-4是分别对应于涡轮机的不同构件的图1中的方法的实施例的详细框图；
- 图5是图1中的方法的一部分的框图；
- 图3bis和图4bis是分别可应用图3和4中的方法的实施例的两个涡轮机构件的详细侧视图；
- 图6-12是根据本发明的在不同操作条件下的用于修复涡轮机的设备的透视图。
具体实施方式
参照附图1-5，总体用1指示用于修复涡轮机构件C的方法。
方法1包括设置激光熔覆机器100(即，“设备”)的第一步骤50，包括激光束装置101(即，“激光熔覆装置”)和粉末给料器。
激光束装置101是常规类型的，例如Rofin YAG激光器，2.2 kW或IPG纤维激光器，2.2 kW。一般而言，出于本发明的目的，如果达到均匀的功率密度，以便在激光轨迹的宽度上获得可接受的均匀温度分布和一致的覆层特性，则可使用其他激光束装置。
参照图6-12，激光熔覆机器100包括：
- 车床102，其具有主体102a和尾架体102b；
- 一对支撑件103，其用于在车床的主体102a与尾架体102b之间支撑待修复的构件C。在图6中的实施例中，构件C是涡轮压缩机的旋转轴，包括其安装的多个叶轮。本发明可用于修复旋转轴中的径向轴承区或叶轮。通常，本发明能够适用于修复经历腐蚀或侵蚀或磨损的多个区中的多个构件；
- 平衡装置104，包括一对平衡支撑件105，各自具有卷绕带106，以用于平衡构件C；
- 一对引导件110，其中，尾架体102b和支撑件103、104以与车床的主体102a对准的方式安装。尾架体102b和支撑件103、104能够沿引导件110朝主体102a或远离其移动。
参照图6-12，激光熔覆机器100还包括：
- 刀具站111，其中安装有激光束装置101。布置在圆形刀具保持器113中的多个车削刀具112也安装在刀具站111上，刀具站111因而可用作加工站且还可用作激光熔覆站；
- 研磨装置115，其用于熔覆之后的表面精加工；
- 水平焊后热处理站116，其用于在已执行通过激光熔覆进行的修复之后对构件C进行热处理。
如在上面还详述的，在各种构造中，刀具站111、研磨装置115和焊后热处理站116能够平行于引导件110移动。
激光熔覆机器100还能够构造为以便完全容纳在适于由卡车运输的受限体积V(尤其是标准装运集装箱)中。
设置激光熔覆机器的第一步骤50包括识别一组激光熔覆处理参数的第一子步骤51。
处理参数和相关范围包括：
- 粉末速率：1.5至6g/min，
- 激光束功率PS：900至1500，
- 扫描速度v：2至10mm/s，
- 隔开距离(即，粉末给料器的喷嘴与待修复部件之间的距离)：11至15mm，
- 覆盖气体流速：8至10 l/min，
- 粉末网目(mesh)：45至105微米，
- 能量密度E：110至120 J/mm2。
粉末类型在Inconel 625、Stellite 21或ASTM A 322类型4140之中选择。
必须取决于待修复构件的类型和几何形状、用来执行修复操作的特定激光熔覆机器、和环境(例如室温和湿度)来正确地调整上述参数。例如，后者对粉末网目的选择有影响。基于关系式A1、A2、A3、A4，通过应用下列程序，在第一子步骤51中由第一子步骤51限定第一试验值。
能量密度限定为
其中：
是特定功率且
是交互作用时间处理。AW和dS分别是焊接面积和点焊直径，取决于待修复区域和激光熔覆装置101的几何形状(例如光学，即，激光熔覆装置的透镜和焦距)。
通过将上述关系式A1、A2、A3结合在一起，获得关于E的下列表达式：
在上面，必须调整PL、ds、Aw和v，以便将能量密度限制在110和120 J/mm2之间。扫描速度v在2和10mm/s之间调整，以便避免高热残余应力。
设置激光熔覆机器的第一步骤50包括识别样品(例如与待修复构件为相同材料的缸)的第二子步骤52。
在第一步骤50的第三子步骤53中，在应用一组上述激光熔覆处理参数之后，通过激光熔覆机器100将第一层焊接在样品上。
在第一步骤50的第四子步骤54中，将第一层的多个几何数据与相应的多个参考数据范围比较。
几何数据包括：
- 第一层的边缘与所述样品的表面之间的角度α；
- 第一层的高度，
- 第一层的宽度，
- 层的渗透深度，
- 第一层热影响区域的宽度或深度。
参考数据范围为：
- 能量密度E在110和120 J/mm2之间
- 覆层纵横比(宽度/高度)大于5；
- 角度α包括在150°与160°之间。
如果该多个几何数据在指定范围内，那么使方法1的第一步骤50以第五子步骤55继续，该第五子步骤55通过激光熔覆机器100在样品上焊接多个其他层。
在第六子步骤56中，通过显微照相检查来测试该多个其他层，包括检验层间多孔性(inter-run porosity)，其中，参考参数是限定为重叠的覆层宽度百分比的重叠参数。
如果该多个几何数据在该多个参考数据范围外，那么设置激光熔覆机器100的第一步骤50包括修改所述一组激光熔覆处理参数的又一子步骤。例如，如果角度α大于所述相应的角度范围，则降低粉末速率。通常，所有参数都是相互关联的，因而必须考虑所有参数来限定正确的组。在改变处理参数后，重复第三和第四子步骤53、54。
为了执行激光熔覆机器100(尤其是激光束装置101)的设置，使用一个或(典型地)更多个附件；有利地，激光熔覆机器100与这些附件一起提供和装运。
方法1包括检查待修复涡轮机构件的第二步骤70。
在第二步骤70之后，方法1包括修复步骤11、12、13、14的集合10。修复步骤11、12、13、14的集合包括：
- 第三步骤11，其通过车削子步骤11a(图8)移除所述构件的受损体积，从而准备待修复涡轮机构件C的部分。当修复径向轴承时，必须形成周向凹槽(图3bis)，其具有深度S，深度S取决于在下列步骤中待通过激光熔覆沉积的材料的量。在车削子步骤11a之后，执行无损检测在之前的子步骤11a中准备的部分的随后的子步骤11b，以便核实涡轮机构件C的所有受损部分已移除。在准备待修复部分之后，再次使构件C相对于激光熔覆机器100旋转，以便可修复涡轮机构件C的圆形几何形状而不移动激光束装置101。
- 第四步骤12，其通过激光束装置101重建受损体积，以便在构件C中获得重建的体积(图7)。在第四步骤12中，根据在第一设置步骤50中限定的参数来操作激光束装置101；
- 第五步骤13，其对涡轮机构件C的重建的体积应用热处理。可通过使用加热站116(图9)水平地、或通过使用起重机117(图10)竖直地应用热处理。对于长构件(例如轴)，竖直热处理是更优选的。
- 第六步骤14，其通过进一步车削并然后可选地在径向轴承修复的情况下通过研磨装置115进行研磨(图11)，从而精加工重建体积的表面。
- 最终步骤15，其检查重建体积的表面和内部。
最终步骤15包括：
- 通过染色渗透剂检查来测试重建体积的表面的第一子步骤15a，而且可选地，在径向轴承修复的情况下，
- 通过涡电流检查来测试所述重建体积的内部部分的第二子步骤15b。
在方法1的末尾，步骤15后跟着又一步骤40，步骤40为最终核查涡轮机构件C，包括尺寸和几何形状核查41，和通过使用平衡装置104的平衡子步骤42。
在实施例1a(图3)中，将本发明的方法应用于涡轮机(例如涡轮压缩机)的旋转轴的径向轴承区(图3bis)。方法1a包括设置激光熔覆机器的第一步骤50(如上所述)，和检查待修复的涡轮机的旋转轴的第二步骤70。在第二步骤70期间，执行初步核查，以便决定修复径向轴承区是否要求拆卸旋转轴(即，从轴拆卸叶轮)，或者是否不需要拆卸旋转轴。在后者的情况下，在不拆卸叶轮的情况下修复径向轴承区，并且方法1a以包括下列步骤的修复步骤的集合10a继续：
- 第三步骤11，其准备梯形周向凹槽(图3bis)，该凹槽具有深度S，深度S取决于在之后的第四步骤12中待沉积的材料的量。第三步骤11包括车削径向轴承区以用于形成梯形周向凹槽的子步骤11a，和无损测试在之前的子步骤11a中获得的凹槽以用于核实径向轴承区的受损部分已完全移除的子步骤11b；
- 第四步骤12，其通过沉积具有大于S的整体厚度S1的一个或更多个材料层，从而通过借助激光束装置101填充梯形周向凹槽以重建受损体积；
- 第五步骤13，其对修复后的旋转轴应用热处理。
- 第六步骤14，其通过首先粗加工，并然后无损测试并最终通过研磨装置115研磨(图11)，从而精加工重建体积的表面；
- 最终步骤15，其通过分别应用染色渗透剂检查和涡电流检查的子步骤15a、b来测试重建体积的表面和内部二者。
在第二步骤70的初步核查识别出要求拆卸旋转轴的情况下，方法1a继续：拆卸步骤，通过该步骤从轴拆卸叶轮；和包括与集合10a相同的步骤的修复步骤集合10b。与集合10a不同，步骤集合10b应用在轴上。在测试的最终步骤15的末尾，重新装配叶轮和修复后的轴。
步骤集合10a和10b二者最后都跟随有最终核查涡轮机构件C的步骤40，其包括首先例如通过使用平衡装置104执行的平衡子步骤42，且然后包括尺寸和几何形状核查41。
在另一实施例1b(图4)中，本发明的方法应用于涡轮机的叶轮入口密封区(图4bis)，例如涡轮压缩机的叶轮。方法1b包括设置激光熔覆机器的第一步骤50(如上所述)，和检查待修复的涡轮机的叶轮入口密封区的第二步骤70。在第二步骤70期间，从轴拆卸叶轮。如果需要，则也通过例如使用上述实施例1a修复轴。在第二步骤70之后，方法1b继续包括下列步骤的修复步骤的集合10：
- 第三步骤11(图3bis)，其在叶轮入口密封受损区中准备平滑锥形表面S2。第三步骤11包括车削叶轮以用于形成锥形表面S2的子步骤11a，和无损测试在之前的子步骤11a中获得的表面以用于核实受损体积已完全移除的子步骤11b；
- 第四步骤12，其通过用激光束装置101重新形成阶梯状的入口密封区S3来重建受损体积；
- 第五步骤13，其对修复后的叶轮应用热处理；
- 第六步骤14，其通过车削来精加工重建体积阶梯状入口密封区S3；
- 最终步骤15，其通过应用染色渗透剂检查来测试入口密封区S3的表面。
步骤集合10最后跟随有最终核查涡轮机构件C的步骤40，其包括首先通过使叶轮旋转直至达到超速条件而执行的平衡子步骤42，并包括最终几何形状核查41。
通常，可通过使用如在上所述的激光熔覆机器借助本发明的方法修复许多其他涡轮机构件。
在所有情况下，实际上，通过正确地应用设置步骤50来正确地限定激光熔覆处理参数，从而允许实现在上面叙述的目的和优点。

Claims (12)

1. 一种用于修复涡轮机构件(C)的方法(1)，其包括下列步骤：
- 设置(50)激光熔覆机器；
- 通过移除所述构件的受损体积来准备(11)待修复的涡轮机构件的至少一部分；
- 使所述激光熔覆机器和涡轮机构件中的一个相对于所述激光熔覆机器和涡轮机构件中的另一个旋转；
- 通过激光熔覆重建(12)所述受损体积，以便在所述构件中获得重建体积；
- 对所述涡轮机构件的至少所述重建体积应用热处理(13)；
- 精加工(14)所述重建体积的表面；
- 无损测试(15)所述重建体积；
其中，设置(50)激光熔覆机器的步骤包括下列子步骤：
- 识别(51)一组激光熔覆处理参数，
- 识别(52)样品；
- 在应用所述一组激光熔覆处理参数后，通过所述激光熔覆机器在所述样品上焊接(53)第一层；
- 将所述第一层的多个几何数据与相应的多个参考数据范围比较(54)；
- 如果所述多个几何数据在所述多个参考数据范围中，那么通过所述激光熔覆机器在所述样品上焊接(55)多个其他层；
- 通过显微照相检查来测试(56)所述多个其他层，以用于限定操作所述重建阶段的参数。
2. 根据权利要求1所述的方法(1)，其特征在于，所述准备(11)的步骤的前面是检查(70)所述待修复的涡轮机构件的另一步骤。
3. 根据权利要求1或权利要求2所述的方法(1)，其特征在于，所述无损测试(15)的步骤包括下列子步骤：
- 通过染色渗透剂检查(15a)来测试所述重建体积的表面；
- 通过涡电流检查(15b)来测试所述重建体积的内部部分。
4. 根据任一前述权利要求所述的方法(1)，其特征在于，所述无损测试(15)的步骤后面跟着最终核查涡轮机构件的另一步骤。
5. 根据任一前述权利要求所述的方法(1)，其特征在于，所述激光熔覆机器是包括如下装置的类型：用于形成激光束的激光装置；和用于朝所述激光束吹金属粉末的粉末给料器装置。
6. 根据任一前述权利要求所述的方法(1)，其特征在于，在所述识别(51)的子步骤中识别的所述激光熔覆处理参数包括：
- 粉末速率，
- 激光束功率，
- 粉末类型，
- 扫描速度，
- 隔开距离，
- 覆盖气体流速，
- 粉末网目，
- 能量密度。
7. 根据任一前述权利要求所述的方法(1)，其特征在于，所述能量密度包括在110和120 J/mm2之间。
8. 根据任一前述权利要求所述的方法(1)，其特征在于，所述多个几何数据包括：
- 所述第一层的边缘与所述样品的表面之间的至少一个角度(α)；
- 所述第一层的高度，
- 所述第一层的宽度。
9. 根据任一前述权利要求所述的方法(1)，其特征在于，所述多个几何数据必须被包括在下列相应的多个范围中：
- 所述第一层的所述宽度与所述高度之比：大于5，
- 所述第一层的边缘与所述样品的表面之间的所述角度(α)：150°至160°。
10. 根据任一前述权利要求所述的方法(1)，其特征在于，如果所述多个几何数据在所述多个参考数据范围外，那么所述设置(50)激光熔覆机器的步骤包括其他子步骤：
- 修改所述一组激光熔覆处理参数；
- 在改变所述一组激光熔覆处理参数之后，通过所述激光熔覆机器在所述样品上焊接(53)第一层；
- 将所述第一层的所述多个几何数据与所述相应的多个参考数据范围比较(54)。
11. 根据任一前述权利要求所述的方法(1)，其特征在于，如果所述至少一个角度(α)大于所述相应的角度范围，那么降低粉末速率。
12. 根据任一前述权利要求所述的方法(1)，其特征在于，通过显微照相检查来测试(56)所述多个其他层包括检查层间多孔性。
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