CN103276391B - 一种末级长叶片耐水蚀涂层的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光熔覆领域，涉及一种末级长叶片耐水蚀涂层的制造方法，特别是涉及一种激光熔覆技术制备大型核电汽轮机末级长叶片耐水蚀涂层的方法。本发明提供一种末级长叶片耐水蚀涂层的制造方法，包括如下步骤：将合金粉末干燥，并将叶片夹持在平台上，叶片处于水平位置；选用半导体激光器；同轴聚焦式送粉系统调节；熔池大小设定；激光熔覆耐水蚀涂层。本发明可用于大型核电汽轮机末级长叶片的耐水蚀涂层的制造方法中，熔覆层硬度分布均匀，上下偏差在10%之内，硬度约为500HV；熔覆层热冲击性能与耐水蚀性能优良；激光熔覆后长叶片变形很小，型面公差符合核电长叶片加工制造技术要求。

Description

一种末级长叶片耐水蚀涂层的制造方法

技术领域

本发明属于激光熔覆领域，涉及一种末级长叶片耐水蚀涂层的制造方法，特别是涉及一种激光熔覆技术制备大型核电汽轮机末级长叶片耐水蚀涂层的方法。

背景技术

核电机组的末级及次末级长叶片在湿蒸汽条件下工作，由于低压缸的温度、压力相对较低，湿蒸汽在运行中易凝结形成小水滴，在很高的圆周速度及离心力作用下，水滴不断冲击叶片，容易造成叶片顶部进汽边的水蚀。叶片水蚀会导致叶片出现蜂窝状组织，严重时会使叶片进汽边边缘呈现锯齿状，形成很多细小的裂纹，甚至会使叶顶边缘形成缺口，造成叶片疲劳强度降低，水蚀发展到一定程度会改变叶片的振动特性，导致机组发生强烈振动，使级效率降低。核电汽轮机末级叶片的长度已经达到1710mm，叶片叶顶圆周速度达到500m/s以上，需要防水蚀区域的面积比常规汽轮机叶片大大增加，因此大排汽面积的核电低压末级叶片的水蚀问题亟待解决。

在叶片进汽边背弧侧钎焊司太立合金片是目前防止核电末级叶片水蚀最普遍采用的方法。由于核电末级叶片防水蚀区域面积增大，至少需要钎焊两片司太立合金片，大面积高温钎焊会造成焊接变形量大，叶片基体材料的疲劳强度下降；此外相邻司太立合金片的接缝处会产生应力腐蚀，导致叶片沿司太立合金片间隙处产生横向裂纹；末级叶片在高速运行过程中还可能发生合金片脱落，影响机组效率。由于钎焊司太立合金片防水蚀方法存在一定的缺陷，因此获得合格的耐水蚀涂层，进一步提高末级叶片防水蚀性能和安全可靠性，非常迫切和关键。

激光熔覆技术是一种先进的表面防护技术，近年来得到了迅速的推广和应用。

激光熔覆技术是在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层同时熔化，激光束扫描后快速冷却凝固，获得与基体冶金结合的具有稀释度小、组织致密的特殊熔覆层，以达到恢复体积和尺寸以及表面强化的目的。

经过对现有专利的检索发现，有以下利用激光熔覆工艺对汽轮机末级叶片进行修复的专利：

公开号为CN102031513A的中国发明专利申请给出的《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。该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。

公开号为CN102453896A的中国发明专利申请给出的《汽轮机末级叶片进汽边表面耐磨抗蚀合金涂层的制备方法》，其特点是激光熔覆层均匀、致密，与基体形成牢固的冶金结合，涂层具有良好的耐磨抗蚀性能，解决了传统方法焊接制造汽轮机叶片进汽边表面热影响区大、熔覆层厚度大、组织稀松且焊层易剥落的问题，具体实施方案用于燃气轮机末级叶片进汽边的修复。

现有技术给出的上述技术方案虽利用激光熔覆工艺对汽轮机末级叶片进行了修复，制备出组织致密，无裂纹、气孔等缺陷，耐蚀性能良好的熔覆层，取得了一定的技术效果；但上述技术仅用于叶片的修复，针对大型核电汽轮机长叶片这种关键部件，能否用常规激光熔覆工艺制备出稀释率低、均匀性好、变形小的耐水蚀层，经检索查证，国内尚无先例，国外也没有相关报道。因此，寻找大型核电汽轮机长叶片进汽边表面耐水蚀层的激光熔覆工艺，仍需所属领域的技术人员进一步做出创造性的研究工作。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大型核电汽轮机末级长叶片耐水蚀涂层的制造方法，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种末级长叶片耐水蚀涂层的制造方法，包括如下步骤：

1）将合金粉末干燥，并将叶片夹持在平台上，叶片处于水平位置；

2）选用半导体激光器，设定激光扫描轨迹，并调节离焦量，使聚焦激光光斑为矩形；

3）同轴聚焦式送粉系统调节：使送粉的焦点位置与激光光束的焦点位置重合；调节送粉气流量、送粉盘转速、保护气流量，使送粉均匀连续，并调节尾吹气流量；

4）熔池大小设定：通过红外增强CCD摄像机，实时拍摄熔覆过程中熔池温度场图像，温度超过合金粉末熔点的区域为熔池区域，熔池区域像素点总和反应熔池大小；并在激光熔覆前，设定反映熔池大小的熔池像素点为控制变量，调整激光器功率并闭环控制熔池大小；所述近红外增强CCD摄像机，采用特殊滤光片过滤可见光和激光，经校正后，拍摄图像的灰度值可反映相应点的温度值；所述温度场，近红外增强CCD摄像机拍摄的熔池的灰度图像，按灰度值转换成温度值后构造的熔池区域的温度图像；所述阀值，其值为涂层合金的熔点；所述像素点，温度高于阀值的像素点总和可反映熔池的大小；

5）激光熔覆耐水蚀涂层：激光束按矩形光斑的短边方向移动，采用同轴聚焦式送粉系统同轴同步送粉（即将合金粉末通过送粉器送入激光辐照形成的熔池中），在叶片表面凝固形成与叶片基体为冶金结合的熔覆层；熔覆过程中，将反应熔池大小的像素点作为控制变量，实时检测熔池温度场、调整激光器输出功率、闭环控制熔池尺寸。

所述矩形光斑的短边方向指平行于矩形光斑短边（宽）的方向，在激光熔覆时，一般情况下所述矩形光斑的短边方向与末级长叶片的长边方向一致。

优选的，所述合金粉末为钴基合金粉末。

所述钴基合金粉末其化学成分按重量百分比计，包括如下组分：C：0.9～1.4%、Si：1.0～1.5%、Ni：2.0～3.5%、Cr：26.0～32.0%、Fe：2.0～3.5%、W：3.0～6.0%，Mo：1.0～1.5%、Mn：0.5～1.0%，其余为Co。

更优选的，所述钴基合金粉末选自Stellite6号钴基合金。

优选地，所述叶片表面进行预处理，所述预处理过程包括如下步骤：叶面表面进行除油、除锈，并用溶剂清洗干净。

所述末级长叶片的长度可达1700mm以上，表面积可达0.45m²以上。

更优选的，所述溶剂为丙酮。

优选的，所述半导体激光器能量密度在慢轴上为顶帽分布、快轴上为高斯分布。

更优选的，所述半导体激光器为安装于机器人的3.5千瓦ROFINDL035Q激光器。

优选的，所述步骤2中，采用Fanuc轨迹规划与控制机器人系统设定激光的扫描轨迹。

所述Fanuc轨迹规划与控制机器人，可以调控激光的扫描轨迹，实现对大面积熔覆进行轨迹规划及优化。

优选的，所述步骤2中，光斑的尺寸为长×宽=（1.3～14.0）mm×（0.8～3.0）mm。光斑尺寸中的宽即对应上述的短边。更优选的，光斑的尺寸为长×宽=（3.2～3.3mm）×2.0mm。

优选的，所述步骤3中，保护气流量为10～20L/min，送粉汽流量为5～15L/min，尾吹流量为5～15L/min，送粉盘转速为6～15r/min。

优选的，所述步骤4中，熔池大小与光斑的尺寸大小相对应，其熔池大小约为[π*（长+宽）]/2。

优选的，所述步骤5中，激光功率为350～3500W；激光扫描速度V=10～20mm/s，搭接率为40～50%；熔覆层厚度为0.8～3.5mm。更优选的，熔覆层厚度为2.5～3.0mm。

优选的，所述步骤5中，熔覆过程中还进行扫描轨迹校调：熔覆层道间采用Fanuc轨迹规划与控制机器人系统对激光束的行走轨迹进行校调。

优选的，所述步骤5后还包括激光熔覆后探伤检验步骤，使用渗透与射线探伤方法对叶片熔覆层进行检查。显示尺寸不超过0.5mm，线性缺陷不允许。

本发明第二方面提供所述的末级长叶片耐水蚀涂层的制造方法在大型核电汽轮机末级长叶片制造领域的应用。

本发明可用于大型核电汽轮机末级长叶片的耐水蚀涂层的制造方法中，熔覆层硬度分布均匀，上下偏差在10%之内，硬度约为500HV；熔覆层热冲击性能与耐水蚀性能优良；激光熔覆后长叶片变形很小，型面公差符合核电长叶片加工制造技术要求。

与现有防水蚀技术相比，本发明的优点包括：（1）采用高功率半导体激光器，形成温度均匀的熔池，避免熔覆层趋于过热，熔覆层成分和组织均匀；（2）引入温度反馈控制系统，提高熔覆过程的稳定性和熔覆热量的可控性；（3）采用轨迹规划与机器人控制器系统，调整激光扫描轨迹，提高熔覆层质量；（4）熔覆层与叶片基体为冶金结合，无裂纹、气孔等缺陷，（5）熔覆层硬度均匀分布，约为500HV，具有良好的耐水蚀性能；（6）本发明解决了传统方法焊接制造汽轮机叶片进汽边热影响区大，叶片易变形，稀释率大且焊层容易脱落等问题；（7）本发明可用于大型核电汽轮机末级长叶片进汽边表面耐水蚀涂层的制造和修复再制造。

附图说明

图1为本发明中核电末级长叶片激光熔覆耐水蚀涂层制备过程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

本发明用于大型核电汽轮机低压末级长叶片的耐水蚀涂层的制造，叶片材料为0Cr17Ni4Cu4Nb～T6II（17～4PH）；叶片长度为1710mm，合金粉末为Stellite6号钴基合金。工艺按下列步骤进行：

合金粉末选取与粉干燥：选取Stellite6号钴基合金粉末，对粉末球磨1小时并在150℃干燥1小时。

叶片表面预处理：对叶片表面进行除油、除锈，并用丙酮清洗干净，要求叶片表面无裂纹、气孔、夹杂等缺陷。

夹持叶片：将叶片夹持在特定的移动式平台上，使叶片处于水平位置。

扫描轨迹设定：采用Fanuc轨迹规划与控制机器人系统，设定激光的扫描轨迹。

激光光束调节：调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸：长×宽=3.2mm×2.0mm。

同轴聚焦式送粉系统的调节：使送粉的焦点位置与激光光束的焦点位置重合；调节送粉气流量、送粉盘转速、保护气流量，使送粉均匀连续，并调节尾吹气流量。保护气流量为15L/min，送粉汽流量为7L/min，尾吹流量为10L/min，送粉盘转速为8r/min。

熔池大小设定：安装近红外增强CCD摄像机实时拍摄熔覆过程中熔池温度场图像；激光熔覆前，以熔池像素点为控制变量，像素点为600，所对应的熔池大小约为[π*（长+宽）]/2，调整激光器功率并闭环控制熔池大小。

激光熔覆耐水蚀涂层：选用3.5千瓦ROFINDL035Q半导体激光器，激光束按矩形光斑的短边方向移动，采用IWSCoax～8喷嘴同轴同步送粉，即将合金粉末通过送粉器送入激光辐照形成的熔池中，在叶片表面凝固形成与叶片基体为冶金结合的熔覆层。熔覆过程中，将反应熔池大小的像素点作为控制变量，实时检测熔池温度场、调整激光器输出功率、闭环控制熔池尺寸。

激光功率为1500W；

激光扫描速度V=17mm/s，搭接率为50%；

熔覆层尺寸范围为860mm×12mm×2.5mm。

扫描轨迹校调：熔覆层道间采用Fanuc轨迹规划与控制机器人系统对激光束的行走轨迹进行校调，校调取叶片上的15～16个点为基准。

熔覆后探伤检验：用渗透与射线探伤方法对叶片熔覆层进行检查。显示尺寸不超过0.5mm，线性缺陷不允许。

经过对上述实施例的长叶片进行变形测试，叶片型面公差符合核电长叶片加工制技术要求。对熔覆层进行硬度测试，平均硬度值为500HV，熔覆层内硬度均匀分布。经过80℃高压热水连续冲击24h水蚀试验，熔覆层无明显水蚀现象。热冲击实验结果得出熔覆层耐水蚀性能明显好于17～4PH不锈钢。

通过对核电末级长叶片进汽边熔覆司太立合金层，可取代钎焊硬质合金片防水蚀工艺，使长叶片在具有良好耐水蚀性能的同时，避免了钎焊硬质合金片脱落的隐患，使叶片运行更安全可靠。

实施例2

本发明用于大型核电汽轮机低压末级长叶片的耐水蚀涂层的制造，叶片材料为0Cr17Ni4Cu4Nb～T6II（17～4PH）；叶片长度为1710mm，合金粉末为Stellite6号钴基合金。工艺按下列步骤进行：

合金粉末选取与粉干燥：选取Stellite6号钴基合金粉末，对粉末球磨1小时并在150℃干燥1小时。

叶片表面预处理：对叶片表面进行除油、除锈，并用丙酮清洗干净，要求叶片表面无裂纹、气孔、夹杂等缺陷。

夹持叶片：将叶片夹持在特定的移动式平台上，使叶片处于水平位置。

扫描轨迹设定：采用Fanuc轨迹规划与控制机器人系统，设定激光的扫描轨迹。

激光光束调节：调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸：长×宽=3.3mm×2.0mm。

同轴聚焦式送粉系统的调节：使送粉的焦点位置与激光光束的焦点位置重合；调节送粉气流量、送粉盘转速、保护气流量，使送粉均匀连续，并调节尾吹气流量。保护气流量为10L/min，送粉汽流量为15L/min，尾吹流量为15L/min，送粉盘转速为6r/min。

熔池大小设定：安装近红外增强CCD摄像机实时拍摄熔覆过程中熔池温度场图像；激光熔覆前，以熔池像素点为控制变量，像素点为1200，所对应的熔池大小约为[π*（长+宽）]/2，调整激光器功率并闭环控制熔池大小。

激光熔覆耐水蚀涂层：选用3.5千瓦ROFINDL035Q半导体激光器，激光束按矩形光斑的短边方向移动，采用IWSCoax～8喷嘴同轴同步送粉，即将合金粉末通过送粉器送入激光辐照形成的熔池中，在叶片表面凝固形成与叶片基体为冶金结合的熔覆层。熔覆过程中，将反应熔池大小的像素点作为控制变量，实时检测熔池温度场、调整激光器输出功率、闭环控制熔池尺寸。

激光功率为2250W；

激光扫描速度V=10mm/s，搭接率为50%；

熔覆层尺寸范围为860mm×12mm×3.0mm。

扫描轨迹校调：熔覆层道间采用Fanuc轨迹规划与控制机器人系统对激光束的行走轨迹进行校调，校调取叶片上的15～16个点为基准。

熔覆后探伤检验：用渗透与射线探伤方法对叶片熔覆层进行检查。显示尺寸不超过0.5mm，线性缺陷不允许。

经过对上述实施例的长叶片进行变形测试，叶片型面公差符合核电长叶片加工制技术要求。对熔覆层进行硬度测试，平均硬度值约为450HV，熔覆层内硬度均匀分布。经过80℃高压热水连续冲击24h水蚀试验，熔覆层无明显水蚀现象。热冲击实验结果得出熔覆层耐水蚀性能明显好于17～4PH不锈钢。

通过对核电末级长叶片进汽边熔覆司太立合金层，可取代钎焊硬质合金片防水蚀工艺，使长叶片在具有良好耐水蚀性能的同时，避免了钎焊硬质合金片脱落的隐患，使叶片运行更安全可靠。

实施例3

本发明用于大型核电汽轮机低压末级长叶片的耐水蚀涂层的制造，叶片材料为0Cr17Ni4Cu4Nb～T6II（17～4PH）；叶片长度为1710mm，合金粉末为Stellite6号钴基合金。工艺按下列步骤进行：

合金粉末选取与粉干燥：选取Stellite6号钴基合金粉末，对粉末球磨1小时并在150℃干燥1小时。

叶片表面预处理：对叶片表面进行除油、除锈，并用丙酮清洗干净，要求叶片表面无裂纹、气孔、夹杂等缺陷。

夹持叶片：将叶片夹持在特定的移动式平台上，使叶片处于水平位置。

扫描轨迹设定：采用Fanuc轨迹规划与控制机器人系统，设定激光的扫描轨迹。

激光光束调节：调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸：长×宽=3.3mm×2.0mm。

同轴聚焦式送粉系统的调节：使送粉的焦点位置与激光光束的焦点位置重合；调节送粉气流量、送粉盘转速、保护气流量，使送粉均匀连续，并调节尾吹气流量。保护气流量为20L/min，送粉汽流量为5L/min，尾吹流量为5L/min，送粉盘转速为15r/min。

熔池大小设定：安装近红外增强CCD摄像机实时拍摄熔覆过程中熔池温度场图像；激光熔覆前，以熔池像素点为控制变量，像素点为1200，所对应的熔池大小约为[π*（长+宽）]/2，调整激光器功率并闭环控制熔池大小。

激光熔覆耐水蚀涂层：选用3.5千瓦ROFINDL035Q半导体激光器，激光束按矩形光斑的短边方向移动，采用IWSCoax～8喷嘴同轴同步送粉，即将合金粉末通过送粉器送入激光辐照形成的熔池中，在叶片表面凝固形成与叶片基体为冶金结合的熔覆层。熔覆过程中，将反应熔池大小的像素点作为控制变量，实时检测熔池温度场、调整激光器输出功率、闭环控制熔池尺寸。

激光功率为2250W；

激光扫描速度V=10mm/s，搭接率为40%；

熔覆层尺寸范围为860mm×12mm×3.0mm。

扫描轨迹校调：熔覆层道间采用Fanuc轨迹规划与控制机器人系统对激光束的行走轨迹进行校调，校调取叶片上的15～16个点为基准。

熔覆后探伤检验：用渗透与射线探伤方法对叶片熔覆层进行检查。显示尺寸不超过0.5mm，线性缺陷不允许。

经过对上述实施例的长叶片进行变形测试，叶片型面公差符合核电长叶片加工制技术要求。对熔覆层进行硬度测试，平均硬度值约为450HV，熔覆层内硬度均匀分布。经过80℃高压热水连续冲击24h水蚀试验，熔覆层无明显水蚀现象。热冲击实验结果得出熔覆层耐水蚀性能明显好于17～4PH不锈钢。

通过对核电末级长叶片进汽边熔覆司太立合金层，可取代钎焊硬质合金片防水蚀工艺，使长叶片在具有良好耐水蚀性能的同时，避免了钎焊硬质合金片脱落的隐患，使叶片运行更安全可靠。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种末级长叶片耐水蚀涂层的制造方法，包括如下步骤：

1)将合金粉末干燥，并将叶片夹持在平台上，叶片处于水平位置；

2)选用半导体激光器，设定激光扫描轨迹，并调节离焦量，使聚焦激光光斑为矩形；

3)同轴聚焦式送粉系统调节：使送粉的焦点位置与激光光束的焦点位置重合；调节送粉气流量、送粉盘转速、保护气流量，使送粉均匀连续，并调节尾吹气流量；

4)熔池大小设定：通过红外增强CCD摄像机，实时拍摄熔覆过程中熔池温度场图像，温度超过合金粉末熔点的区域为熔池区域，熔池区域像素点总和反应熔池大小；并在激光熔覆前，设定反映熔池大小的熔池像素点为控制变量；

5)激光熔覆耐水蚀涂层：激光束按矩形光斑的短边方向移动，采用同轴聚焦式送粉系统同轴同步送粉，在叶片表面凝固形成与叶片基体为冶金结合的熔覆层；熔覆过程中，将反应熔池大小的像素点作为控制变量，实时检测熔池温度场，调整激光器输出功率，闭环控制熔池尺寸恒定在设定的熔池大小；

所述半导体激光器能量密度在慢轴上为顶帽分布、快轴上为高斯分布；所述步骤2中，光斑的尺寸为长×宽＝(1.3～14.0)mm×(0.8～3.0)mm；所述步骤3中，保护气流量为10～20L/min，送粉汽流量为5～15L/min，尾吹流量为5～15L/min，送粉盘转速为6～15r/min；所述步骤5中，激光功率为350～3500W，激光扫描速度V＝10～20mm/s，搭接率为40～50％，熔覆层厚度为0.8～3.5mm；

所述末级长叶片的长度为1700mm以上，表面积为0.45m²以上；

所述合金粉末为钴基合金粉末。

2.如权利要求1所述的一种末级长叶片耐水蚀涂层的制造方法，其特征在于，所述钴基合金粉末其化学成分按重量百分比计，包括如下组分：C：0.9～1.4％、Si：1.0～1.5％、Ni：2.0～3.5％、Cr：26.0～32.0％、Fe：2.0～3.5％、W：3.0～6.0％，Mo：1.0～1.5％、Mn：0.5～1.0％，其余为Co。

3.如权利要求1所述的一种末级长叶片耐水蚀涂层的制造方法，其特征在于，所述钴基合金粉末选自Stellite6号钴基合金。

4.如权利要求1所述的一种末级长叶片耐水蚀涂层的制造方法，其特征在于，所述叶片表面进行预处理，所述预处理过程包括如下步骤：叶面表面进行除油、除锈，并用溶剂清洗干净。

5.如权利要求1-4任一权利要求所述的末级长叶片耐水蚀涂层的制造方法在大型核电汽轮机末级长叶片制造领域的应用。