胡成學，徐 進，楊 杰，關 博

(中國長江電力股份有限公司檢修廠，湖北 宜昌 443000)

水輪發(fā)電機組在長期運行過程中，過流部件轉輪室內(nèi)環(huán)鋼板受到空蝕、磨損、磨蝕，材料表面出現(xiàn)空蝕坑，鋼板厚度方向尺寸減薄，局部出現(xiàn)空鼓、穿孔現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)撕裂脫落。這些損壞將導致水輪機葉片與轉輪室鋼板間隙增加，水能利用率下降，機組發(fā)電效率下降，嚴重時將導致結構性破壞，影響機組的安全運行。

目前，轉輪室鋼板為鑄造不銹鋼，出現(xiàn)局部損壞常采用馬氏體不銹鋼焊條堆焊修復，修復變形大、易存在大量焊接裂紋、氣孔等缺陷，焊接部位使用壽命短，反復檢修堆焊。對于大面積的嚴重損壞，目前國內(nèi)外還沒有很好的修復方法，只能采用整體更換，拆除原轉輪室內(nèi)環(huán)鋼板，挖除原混凝土并填回，安裝新內(nèi)環(huán)[1]。整體更換的方法周期長，工程量大，一般需要200 d以上。國內(nèi)一些水電站嘗試采用熱噴涂WC硬質合金，以提高耐磨性，但涂層與基體結合強度不高，涂層厚度薄，內(nèi)環(huán)鋼板使用壽命低。因此，在未出現(xiàn)大面積空鼓和撕裂脫前，采用現(xiàn)場修復的方法有效提高轉輪室鋼板的耐空蝕、耐磨損、耐磨蝕性能[1]，從而提高轉輪室內(nèi)環(huán)鋼板的使用壽命，是目前國內(nèi)外水電站有待解決的問題。

激光熔覆技術可顯著改善金屬表面的耐磨、耐熱、耐蝕、抗氧化等性能[2]。與堆焊、熱噴涂、電鍍等傳統(tǒng)表面處理技術相比，它具有諸多優(yōu)點，如適用的材料體系廣泛、熔覆層與基體為冶金結合[3]、熱變形小、工藝易于實現(xiàn)自動化等。直接熔化同軸同步輸送于基體表面的合金粉末并快速凝固，從而獲得成分、組織及性能完全不同于零件基材并優(yōu)于基材的快速凝固非平衡組織[4]。修復微觀組織細小、致密，熔覆層與基材結合好，無氣孔、微觀裂紋、夾雜等缺陷，使用性能達到或超過新內(nèi)環(huán)鋼板的使用性能，節(jié)省了更換成本，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

1 應用目標

針對提高材料耐空蝕、耐磨損、耐磨蝕性能，研究開發(fā)適用于水輪發(fā)電機組現(xiàn)場激光熔覆修復的合金材料和工藝方法，能夠解決現(xiàn)有的堆焊或噴涂技術存在的大面積堆焊變形大、易產(chǎn)生裂紋、耐蝕和耐磨性差、噴涂結合強度低、厚度不足的問題。該合金材料和工藝，用于現(xiàn)場水平送粉激光熔覆修復，熔覆厚度大于0.5 mm，使用面硬度、耐空蝕性、耐磨性大大提高，無裂紋、氣孔缺陷。

2 實施方案

1)激光熔覆原理。以激光為熱源輻照使鋼板基體熔化形成熔池，粉末通過載氣輸送從噴嘴送出進入熔池迅速熔化凝固，在惰性氣體保護下熔覆層材料與基體材料成冶金結，從而顯著改善基體材料表面的耐磨性、耐空蝕、耐磨損性能[5-9]。

2)熔覆層粉末選擇。轉輪室鋼板為鑄造馬氏體不銹鋼材質，常用ZG0Cr13Ni4Mo、ZG0Cr13Ni5Mo。鋼板激光修復的粉末選擇除了考慮粉末自身特性外，還要考慮粉末與基體材料的熱膨脹系數(shù)、熔點等物理參數(shù)的匹配性。修復材料粉末包括一種鈷基，Co-Cr-W-C型合金粉末，該粉末優(yōu)點在于：與基材有良好的匹配性，無氣孔和裂紋產(chǎn)生，熔覆層耐空蝕性、耐磨性、耐沖蝕性、耐磨性好。所述鈷基合金粉末由如下按重量百分比分配的修復材料組成：鈷：55%～75%；鉻：15%～35%；鎢：1%～10%；碳：0.3%～5%；硅、硼：剩余。鈷基合金粉末粒度50～100 μm，粉末顆粒形狀為球型[10-14]。

3)現(xiàn)場修復設備?，F(xiàn)場修復系統(tǒng)主要包括控制柜、激光器、高精度六軸機械手、激光頭、噴嘴、工作導軌、水冷機、載氣送粉器。

3 現(xiàn)場激光熔覆工藝

3.1 修復步驟

轉輪室內(nèi)環(huán)鋼板激光修復步驟包括以下內(nèi)容[15-18]。

1)表面預處理和粉末準備：對待修復區(qū)域進行PT探傷，對缺陷和待修復表面區(qū)域進行打磨去除表面氧化層，再用丙酮和無水酒精清洗修復區(qū)域及周圍2 mm以上范圍內(nèi)的污質。其目的在于：排除基體殘留缺陷對熔覆層組織造成的不利影響；防止金屬氧化物和非金屬雜質對熔覆層組織造成的夾雜、氣孔、裂紋等缺陷，從而提高熔覆冶金質量。金屬粉末攪拌預熱，加熱至80～120 ℃保溫1 h，目的是為了除去粉末中的水份，提高粉末流動性，防止水份進入熔覆組織。

2)安裝高精度六軸機械手在可滑動工字鋼導軌上。

3)三維掃描和圖像、數(shù)據(jù)處理。采用三維掃描和圖像處理工具實現(xiàn)修復區(qū)域的尺寸檢測。

4)編制生成激光掃描路徑程序，并實現(xiàn)機器人路徑模擬仿真。

5)自動化修復。采用自主開發(fā)的自動化激光熔覆設備，實現(xiàn)水平送粉修復。為減小熱積累從而減小變形，采用分區(qū)對稱熔覆，分區(qū)大小300 mm×300 mm。

6)對熔覆層表面進行打磨拋光處理，表面粗糙度小于Ra0.6。

7)對熔覆層進行PT探傷檢測、變形量測試、硬度測試和厚度檢測，PT探傷無氣孔、裂紋缺陷；鋼板面曲翹變形量小于0.2 mm；表面洛氏硬度大于HRC48；修復厚度大于0.5 mm。

3.2 修復工藝參數(shù)

在此工藝中主要的修復參數(shù)有激光功率、掃描速度、送粉量、離焦量和送粉器的送粉速率、送粉氣流、保護氣流。具體工藝參數(shù)見表1。

表1 激光修復工藝參數(shù)表

3.3 試驗效果

采用激光熔覆工藝和新熔覆材料修復轉輪室內(nèi)環(huán)鋼板，從修復后的金相分析、耐空蝕、耐磨損、硬度測試方面說明使用此工藝方法的修復效果。

1)金相分析。采用金相顯微鏡對修復后的工件，分別對基體組織、過渡區(qū)組織、熔覆層組織進行金相檢驗，低倍下的金相組織見圖1，結果表明熔覆層材料與基體結合界面良好，粉材與基體材料結合良好。低倍下無未熔合、裂紋和夾雜等缺陷。高倍組織見圖2，高倍下無明顯氣孔，組織細小致密。說明此工藝可將焊接層和基材緊密結合，并具有良好的力學性能。

圖1 低倍金相組織圖(200倍)

圖2 高倍金相組織圖(500倍)

2)耐空蝕性能檢測。采用超聲波振動在試樣表面產(chǎn)生空泡現(xiàn)象的加速空蝕試驗方法，對熔覆層和基材進行對比試驗，試驗原理示意圖如圖3。通過對比證實，熔覆層比基材有更好的耐空蝕性能。這對延長轉輪室內(nèi)環(huán)鋼板使用壽命具有重要意義。

圖3 空蝕試驗裝置示意圖

3)耐磨損性能檢測。使用EG-EW-900沖蝕磨損試驗機，做抗沖蝕性能對比試驗。試驗結果表明，熔覆層的抗沖蝕性能是基材的3倍左右。

4)硬度檢測。使用特視顯微硬度計進行硬度檢測，檢測五組以上熔覆層，其硬度均在HRC50以上，滿足轉輪室鋼板的硬度要求。

4 結 語

在水電站轉輪室易空蝕、易磨損區(qū)域，應用激光熔覆技術強化涂層，提高過流面的抗磨、抗空蝕特性；經(jīng)一個汛期的運行檢驗，熔覆區(qū)域無空蝕、無磨損，表面光滑平順，與修復前對比無差異。激光熔覆表面強化技術可推廣至水電站其他過流部件使用，為今后的過流部件修復與防護提供一種工藝選擇。