激光熔覆技术在零部件修复中的应用分析
随着现代科学技术和工业不断发展，对零部件工作的环境也越来越趋于复杂化，表面性能的要求越来越高，因此零件报废率大大增多。通常因为表面失效而报废的零件有：转子叶片、辊轴类零件、齿轮类零件、接头类零件等。
在零部件整体性能满足工况的条件下仅是表面损伤的零部件都是可以修复。如果能对因误加工或服役损伤而致使报废的零件进行修复，不仅能够挽回巨大的经济和时间损失，还可以提高资源的利用率，符合我国可持续发展的战略。
目前零部件修复的方法有激光熔覆、真空钎焊、真空涂层法、钨极惰性气体保护焊（TIG）和等离子体熔覆修复等方法 。激光熔覆是根据工件的工况要求，熔覆各种设计成分的金属或者非金属，制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面覆层。激光熔覆是一种快速冷却的过程，熔覆过程中对修复工件的热输入量少，热影响区小，熔覆层组织细小，易于实现自动化等，因此使用激光熔覆的方法来修复转子等零部件比其它的方法具有更大的优势。激光熔覆技术解决了传统电焊、氩弧焊等热加工过程中不可避免的热变形、热疲劳损伤等一系列技术难题，同时也解决了传统电镀、喷涂等冷加工过程中覆层与基体结合强度差的矛盾，这就为表面修复提供了一个很好的途径。
本文综述了激光熔覆技术在表面修复中的应用，概括了国内外激光修复技术在不同零件和不同的失效情况上的研究发展，并对激光熔覆在表面修复中的应用前景进行了展望。
1 转子叶片的修复
转子叶片又称动叶，是随同转子高速旋转的叶片，通过叶片的高速旋转实现气流与转子间的能量转换。转子叶片承受很大的质量惯性力、较大的气动力和振动载荷，还要承受环境介质的腐蚀与氧化,以及高速运行微小粒子的冲蚀,但加工比较困难，涡轮转子叶片还要在高温状态下工作。转子叶片是直接影响发动机性能、可靠性和寿命的关键零件，并且其工作条件十分恶劣容易损坏，所以对材料性能的要求也大大的提高，同时提高了材料的经济成本，也为其做修复带来广阔的市场。激光熔覆工艺在转子叶片上的应用已经的到了很好的研究，这也为其在修复方面的应用提供了有利的前提。
1.1 航空发动机叶片的修复
目前航空发动机叶片大都采用铸造镍基高温合金和定向凝固镍基高温合金来制造。铸造镍基高温叶片和定向凝固叶片在生产过程中可能存在局部缺陷，如现缩松、缩孔等铸造缺陷。
激光熔覆具有局部加热和低热输入量等优点,同时,激光熔覆超高的温度梯度有利于材料的定向凝固生长 。因此国内外对激光熔覆技术修复高附加值的叶片开展了广泛的研究并在工业上已成功应用 。同时，对激光熔覆技术与堆焊、TIG焊和等离子体熔覆进行了比较研究。David W. Gandy等人的研究工作指出，在优化激光工艺条件下,实现了IN-738基体上激光熔覆逐层沉积IN-939,获得了质量良好的沉积层。德国Fraumhofer ILT 研究所对Ti-6Al-4V和Ti-17叶片进行了激光修复并取得了成功。L.Sexton等人采用Inconel 625 和Rene 142镍基高温合金进行激光熔覆修复叶片,指出激光熔覆层比TIG涂层具有较小的热影响区和稀释率,良好的微观组织、较高的硬度和较低的气孔率。L.shepeleva等通过试验比较了叶片激光熔覆层和等离子体熔覆层的优劣，指出激光熔覆层比等离子体熔覆层有更高的硬度，无裂纹和气孔，良好的结合界面。1981年Rolls-Royce公司对RB211飞机发动机高压叶片连锁。GE公司已将激光熔覆技术用于航空发动机镍基高温合金叶片的修复,并且获得了很好的效果。
1.2 汽轮机叶片的修复
汽轮机叶片在电力工业中将高温高压气体的线性运动转变成汽轮机轴的转动。汽轮机叶片的失效形式主要有两种：一种是叶片断裂，主要发生在叶片的根部，这种失效是不可修复的；另一种失效形式是气蚀，主要是发生在叶片顶端面或根部，气蚀损伤的叶片是可以修复再利用的。
激光熔覆在燃气轮机热端部件修复上的运用应首推GE公司，该公司在1990年采用5kw CO2 激光加工热层堆焊接长修复了高压涡轮叶片的叶尖，并称为该公司十大新技术之一。后来美国的Liburdi Engineering Limited也在JT8D发动机转子叶片的叶尖与叶冠修复上，研究发展了一套高自动化的激光熔敷系统。德国马达和燃气轮机联合公司(MTU)维修公司与汉诺威激光研究中心，发展了激光熔覆堆焊技术用于涡轮叶片冠部阻力面的硬面敷层或恢复几何尺寸。美国 Westinghouse 公司用该技术修复长1.2m的蒸汽机叶片前端的水蚀。Pratt& Whitney公司用6kW激光器，在镍基合金汽轮机叶片上成功熔覆钴基合金。在美国俄克拉马州Tinker空军基地的后勤维修中心，每年要有约1200台发动机进行大修，仅叶片修复一项每年可获得若干亿美元的效益。
国内的汽轮机叶片修复技术在近十年里也得到了大幅度的发展。从工艺的调配到熔覆材料的选择上都以取得长足进步。如兰州理工大学常年来对激光熔覆修复材料进行研究，在该领域取得了一定的成果，且与兰州长城机械厂合作对烟气轮机叶片等零部件的激光熔覆修复技术进行研究，并且取得了成功以规模化投入生产。如图1是叶片在修复前与修复后的对比。
2 辊轴类零件的修复
轧辊是使(轧材)金属产生塑性变形的工具，是决定轧机效率和轧材质量的重要大型消耗性部件。轧辊失效的最普遍原因是早期磨损失效。目前，轧辊由于磨损需要修复时多采用车削或磨削等“补救措施”修正辊型。采用激光熔覆修复轧辊表面已成为延长轧辊寿命的一个主要发展方向和途径[18]。该技术不仅可以修复轧辊，而且可以提高轧辊的耐磨性，延长轧辊的使用寿命，改善钢材的表面质量。
通常轴类零件主要失效的原因有轴变形、轴断裂、轴表面失效。研究表明，发电机转轴、各种传动轴等轴类零件的破坏主要是以磨损为主的。其中轴变形、轴断裂是不可以修复的，而以磨损为主的表面失效是可以修复的。采用大功率激光熔覆修复技术，可在轴类零件表面失效的部分，激光熔覆一层铁基合金材料，使得熔覆合金层的零件表面有良好的机械性能，将报废的零件再次使用。
北京工业大学的陆伟，姚宁娟等对高速线材轧辊、热轧辊进行激光熔覆Co-WC钴基合金试验研究，北京科技大学的张来启等在精轧NiCrMo无限冷硬白口铸铁热轧辊上激光熔覆NiCrSiBC镍基合金，并经现场轧制寿命评估实验，按磨损量计算，激光熔覆辊比未经激光处理辊寿命提高25.7%-37.4%。现在在国内，已经可以对高转速空压机转子、大型往复压缩机曲轴裂纹、泵轴、螺杆压缩机转子等轴类零件进行修复。应用激光熔覆技术，分别对柳钢烧结厂风机轴、鄂式液压保护破碎机主轴，柳钢转炉厂电机转子、上汽通用五菱的轴等进行了修复，修复后轴的各项性能均达到甚至超过原有的效果，使用情况良好。
3 模具类的修复
模具在铸造成型和塑料成型加工中起着重要作用，其制造工艺复杂，生产周期长，加工成本高。因此，对失效模具进行修复再利用，无疑有着显著的经济效益。模具使用寿命取决于抗磨损和抗机械损伤能力，一旦磨损过度或机械损伤，须经修复才能恢复使用。激光熔覆已成为修复模具的研究热点，备受国内外学者关注。
激光熔覆实现对模具的表面磨损进行修复的方法可以归结为：用高功率激光束以恒定功率P 与热粉流同时入射到模具表面上，一部分入射光被反射，一部分光被吸收，瞬时被吸收的能量超过临界值后，金属熔化产生熔池，然后快速凝固形成冶金结合的覆层。激光束根据CAD二次开发的应用程序给定的路线，来回扫描逐线逐层地修复模具。特别是经过修复后的模具几乎不需再加工[27]。
4 对其他零部件的修复
阀门在使用过程中，其密封面长期处于介质之中并受到介质的冲刷和腐蚀。利用激光熔覆工艺代替等离子喷涂和真空感应熔焊工艺，在内燃发动机排气阀密封面熔覆NiCrBSi和CoCrW合金涂层，不仅避免了涂层中的孔洞和微裂纹，而且涂层的显微硬度明显提高，排气阀密封面耐磨和耐蚀性能提高3～4倍。
汽轮机的中压蒸汽室喷嘴及部分隔板喷嘴，受蒸汽介质的冲蚀比较严重。其中压缸喷嘴承受温度为350℃，材质为ZG20GrMo，叶片排气端厚度平均只有0.02mm-0.05mm采用一般熔焊方式修补其损伤部位，极易造成基体热变形，产生裂纹。应用激光熔覆的工艺进行了修复，修复后的喷嘴达到了原设计要求，经过一段时间的运行效果良好[28]。
高速传动渗碳齿轮磨损齿面因残余渗碳层的存在给齿面修复造成很大的困难。这类齿轮的材料为20Cr2Ni4A或18Cr2Ni4WA钢，渗碳层深度为1.6~1.9 mm。应用激光熔覆的工艺进行了修复。这种熔覆层完全满足对齿轮修复的要求。经测试在接触应力2170 MPa 滑差为12.5 %和20号机油润滑条件下激光熔覆层的接触疲劳特征寿命比零件渗碳强化层提高了15 %。这种熔覆层完全满足对齿轮修复的要求。
烟气膨胀机(简称烟机)是炼油厂等工业部门余热发电的重要装置，轮盘是该装置的关键部件。目前对于烟机轮盘的修复主要是使用激光熔覆修复。通过修复的激光熔覆层是通过层-层堆铸方法形成的，由底层经过中间层到面层。兰州炼油厂、上海炼油厂和大连炼油厂等单位的烟机轮盘都使用激光熔覆修复。兰州理工大学与兰州长城机械厂合作已经对烟机轮盘进行修复，并且取得了成功以规模化投入生产，并在TH85-2、E-232烟机上应用。这进一步完善与发展了烟机轮盘激光熔覆修复系统工程，建立了质量保证体系，更好的完善了激光熔覆修复技术。
5 结语
激光熔覆技术对制造技术要求高、生产周期长、加工费用高,价格昂贵的工程构件进行修复具有广泛的工程需求，同时可以优化资源配置,节约贵重、稀有金属材料,降低能源消耗,节省资金。激光熔覆修复技术无污染、无公害,有很强的保护环境的作用，属于绿色再制造工程。从长远的角度看,激光熔覆技术以其独特的优势必将在精密修复中扮演重要的角色。
激光熔覆在表面修复中应用前景分析
随着现代科学技术和工业不断发展，对零部件工作的环境也越来越趋于复杂化，表面性能的要求越来越高，因此零件报废率大大增多。通常因为表面失效而报废的零件有：转子叶片、辊轴类零件、齿轮类零件、接头类零件等。
在零部件整体性能满足工况的条件下仅是表面损伤的零部件都是可以修复。如果能对因误加工或服役损伤而致使报废的零件进行修复，不仅能够挽回巨大的经济和时间损失，还可以提高资源的利用率，符合我国可持续发展的战略。
目前零部件修复的方法有激光熔覆、真空钎焊、真空涂层法、钨极惰性气体保护焊（TIG）和等离子体熔覆修复等方法 。激光熔覆是根据工件的工况要求，熔覆各种设计成分的金属或者非金属，制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面覆层。激光熔覆是一种快速冷却的过程，熔覆过程中对修复工件的热输入量少，热影响区小，熔覆层组织细小，易于实现自动化等，因此使用激光熔覆的方法来修复转子等零部件比其它的方法具有更大的优势。激光熔覆技术解决了传统电焊、氩弧焊等热加工过程中不可避免的热变形、热疲劳损伤等一系列技术难题，同时也解决了传统电镀、喷涂等冷加工过程中覆层与基体结合强度差的矛盾，这就为表面修复提供了一个很好的途径。
本文综述了激光熔覆技术在表面修复中的应用，概括了国内外激光修复技术在不同零件和不同的失效情况上的研究发展，并对激光熔覆在表面修复中的应用前景进行了展望。
1、转子叶片的修复
转子叶片又称动叶，是随同转子高速旋转的叶片，通过叶片的高速旋转实现气流与转子间的能量转换。转子叶片承受很大的质量惯性力、较大的气动力和振动载荷，还要承受环境介质的腐蚀与氧化,以及高速运行微小粒子的冲蚀,但加工比较困难，涡轮转子叶片还要在高温状态下工作。转子叶片是直接影响发动机性能、可靠性和寿命的关键零件，并且其工作条件十分恶劣容易损坏，所以对材料性能的要求也大大的提高，同时提高了材料的经济成本，也为其做修复带来广阔的市场。激光熔覆工艺在转子叶片上的应用已经的到了很好的研究，这也为其在修复方面的应用提供了有利的前提。
1.1 航空发动机叶片的修复
目前航空发动机叶片大都采用铸造镍基高温合金和定向凝固镍基高温合金来制造。铸造镍基高温叶片和定向凝固叶片在生产过程中可能存在局部缺陷，如现缩松、缩孔等铸造缺陷。
激光熔覆具有局部加热和低热输入量等优点,同时,激光熔覆超高的温度梯度有利于材料的定向凝固生长 。因此国内外对激光熔覆技术修复高附加值的叶片开展了广泛的研究并在工业上已成功应用 。同时，对激光熔覆技术与堆焊、TIG焊和等离子体熔覆进行了比较研究。David W. Gandy等人的研究工作指出，在优化激光工艺条件下,实现了IN-738基体上激光熔覆逐层沉积IN-939,获得了质量良好的沉积层。德国Fraumhofer ILT 研究所对Ti-6Al-4V和Ti-17叶片进行了激光修复并取得了成功。L.Sexton等人采用Inconel 625 和Rene 142镍基高温合金进行激光熔覆修复叶片,指出激光熔覆层比TIG涂层具有较小的热影响区和稀释率,良好的微观组织、较高的硬度和较低的气孔率。L.shepeleva等通过试验比较了叶片激光熔覆层和等离子体熔覆层的优劣，指出激光熔覆层比等离子体熔覆层有更高的硬度，无裂纹和气孔，良好的结合界面。1981年Rolls-Royce公司对RB211飞机发动机高压叶片连锁。GE公司已将激光熔覆技术用于航空发动机镍基高温合金叶片的修复,并且获得了很好的效果。
1.2 汽轮机叶片的修复
汽轮机叶片在电力工业中将高温高压气体的线性运动转变成汽轮机轴的转动。汽轮机叶片的失效形式主要有两种：一种是叶片断裂，主要发生在叶片的根部，这种失效是不可修复的；另一种失效形式是气蚀，主要是发生在叶片顶端面或根部，气蚀损伤的叶片是可以修复再利用的。
激光熔覆在燃气轮机热端部件修复上的运用应首推GE公司，该公司在1990年采用5kw CO2 激光加工热层堆焊接长修复了高压涡轮叶片的叶尖，并称为该公司十大新技术之一。后来美国的Liburdi Engineering Limited也在JT8D发动机转子叶片的叶尖与叶冠修复上，研究发展了一套高自动化的激光熔敷系统。德国马达和燃气轮机联合公司(MTU)维修公司与汉诺威激光研究中心，发展了激光熔覆堆焊技术用于涡轮叶片冠部阻力面的硬面敷层或恢复几何尺寸。美国 Westinghouse 公司用该技术修复长1.2m的蒸汽机叶片前端的水蚀。Pratt& Whitney公司用6kW激光器，在镍基合金汽轮机叶片上成功熔覆钴基合金。在美国俄克拉马州Tinker空军基地的后勤维修中心，每年要有约1200台发动机进行大修，仅叶片修复一项每年可获得若干亿美元的效益。
国内的汽轮机叶片修复技术在近十年里也得到了大幅度的发展。从工艺的调配到熔覆材料的选择上都以取得长足进步。如兰州理工大学常年来对激光熔覆修复材料进行研究，在该领域取得了一定的成果，且与兰州长城机械厂合作对烟气轮机叶片等零部件的激光熔覆修复技术进行研究，并且取得了成功以规模化投入生产。如图1是叶片在修复前与修复后的对比。
2、辊轴类零件的修复
轧辊是使(轧材)金属产生塑性变形的工具，是决定轧机效率和轧材质量的重要大型消耗性部件。轧辊失效的最普遍原因是早期磨损失效。目前，轧辊由于磨损需要修复时多采用车削或磨削等“补救措施”修正辊型。采用激光熔覆修复轧辊表面已成为延长轧辊寿命的一个主要发展方向和途径。该技术不仅可以修复轧辊，而且可以提高轧辊的耐磨性，延长轧辊的使用寿命，改善钢材的表面质量。
通常轴类零件主要失效的原因有轴变形、轴断裂、轴表面失效。研究表明，发电机转轴、各种传动轴等轴类零件的破坏主要是以磨损为主的。其中轴变形、轴断裂是不可以修复的，而以磨损为主的表面失效是可以修复的。采用大功率激光熔覆修复技术，可在轴类零件表面失效的部分，激光熔覆一层铁基合金材料，使得熔覆合金层的零件表面有良好的机械性能，将报废的零件再次使用。
北京工业大学的陆伟，姚宁娟等对高速线材轧辊、热轧辊进行激光熔覆Co-WC钴基合金试验研究，北京科技大学的张来启等在精轧NiCrMo无限冷硬白口铸铁热轧辊上激光熔覆NiCrSiBC镍基合金，并经现场轧制寿命评估实验，按磨损量计算，激光熔覆辊比未经激光处理辊寿命提高25.7%-37.4%。现在在国内，已经可以对高转速空压机转子、大型往复压缩机曲轴裂纹、泵轴、螺杆压缩机转子等轴类零件进行修复。应用激光熔覆技术，分别对柳钢烧结厂风机轴、鄂式液压保护破碎机主轴，柳钢转炉厂电机转子、上汽通用五菱的轴等进行了修复，修复后轴的各项性能均达到甚至超过原有的效果，使用情况良好。
3、模具类的修复
模具在铸造成型和塑料成型加工中起着重要作用，其制造工艺复杂，生产周期长，加工成本高。因此，对失效模具进行修复再利用，无疑有着显著的经济效益。模具使用寿命取决于抗磨损和抗机械损伤能力，一旦磨损过度或机械损伤，须经修复才能恢复使用。激光熔覆已成为修复模具的研究热点，备受国内外学者关注。
激光熔覆实现对模具的表面磨损进行修复的方法可以归结为：用高功率激光束以恒定功率P 与热粉流同时入射到模具表面上，一部分入射光被反射，一部分光被吸收，瞬时被吸收的能量超过临界值后，金属熔化产生熔池，然后快速凝固形成冶金结合的覆层。激光束根据CAD二次开发的应用程序给定的路线，来回扫描逐线逐层地修复模具。特别是经过修复后的模具几乎不需再加工。
4、对其他零部件的修复
阀门在使用过程中，其密封面长期处于介质之中并受到介质的冲刷和腐蚀。利用激光熔覆工艺代替等离子喷涂和真空感应熔焊工艺，在内燃发动机排气阀密封面熔覆NiCrBSi和CoCrW合金涂层，不仅避免了涂层中的孔洞和微裂纹，而且涂层的显微硬度明显提高，排气阀密封面耐磨和耐蚀性能提高3～4倍。
汽轮机的中压蒸汽室喷嘴及部分隔板喷嘴，受蒸汽介质的冲蚀比较严重。其中压缸喷嘴承受温度为350℃，材质为ZG20GrMo，叶片排气端厚度平均只有0.02mm-0.05mm采用一般熔焊方式修补其损伤部位，极易造成基体热变形，产生裂纹。应用激光熔覆的工艺进行了修复，修复后的喷嘴达到了原设计要求，经过一段时间的运行效果良好。
高速传动渗碳齿轮磨损齿面因残余渗碳层的存在给齿面修复造成很大的困难。这类齿轮的材料为20Cr2Ni4A或18Cr2Ni4WA钢，渗碳层深度为1.6~1.9 mm。应用激光熔覆的工艺进行了修复。这种熔覆层完全满足对齿轮修复的要求。经测试在接触应力2170 MPa 滑差为12.5 %和20号机油润滑条件下激光熔覆层的接触疲劳特征寿命比零件渗碳强化层提高了15%。这种熔覆层完全满足对齿轮修复的要求。
烟气膨胀机(简称烟机)是炼油厂等工业部门余热发电的重要装置，轮盘是该装置的关键部件。目前对于烟机轮盘的修复主要是使用激光熔覆修复。通过修复的激光熔覆层是通过层-层堆铸方法形成的，由底层经过中间层到面层。兰州炼油厂、上海炼油厂和大连炼油厂等单位的烟机轮盘都使用激光熔覆修复。兰州理工大学与兰州长城机械厂合作已经对烟机轮盘进行修复，并且取得了成功以规模化投入生产，并在TH85-2、E-232烟机上应用。这进一步完善与发展了烟机轮盘激光熔覆修复系统工程，建立了质量保证体系，更好的完善了激光熔覆修复技术。
结语
激光熔覆技术对制造技术要求高、生产周期长、加工费用高,价格昂贵的工程构件进行修复具有广泛的工程需求，同时可以优化资源配置,节约贵重、稀有金属材料,降低能源消耗,节省资金。激光熔覆修复技术无污染、无公害,有很强的保护环境的作用，属于绿色再制造工程。从长远的角度看,激光熔覆技术以其独特的优势必将在精密修复中扮演重要的角色。