表面损伤叶轮激光增材再制造研究*

许 磊, 杜彦斌, 张 磊

(1.重庆工商大学 制造装备机构设计与控制重庆市重点实验室，重庆 400067； 2.重庆水泵厂有限责任公司，重庆 400003)

0 引 言

叶轮是泵设备、发电机组等的核心零部件，选材时一般采用耐磨、耐蚀和抗裂性优秀的不锈钢[1]，如06Cr13系列材料等[2]。由于服役工况恶劣，常出现气蚀、腐蚀、冲蚀和掉块等损伤形式，严重影响机组的使用寿命和安全。激光再制造能够恢复损伤叶轮原有功能，赋予叶轮新的寿命，延长设备安全服役年限，降低企业停机损失和新件进购成本，节能、节材、环境友好。

由于激光熔覆热成形机理复杂难控[3-5]，工艺控制不当极易引起成形质量问题(如微裂纹、结合强度低、熔深小等)，不同的型号设备、工艺参数和粉末/基体材料成形性能也差异性大，因此有必要对激光熔覆成形机理和工艺进行研究。如贾文鹏等[6]通过模拟TC4 钛合金空心叶片激光熔覆成形过程温度场并分析热成形机理，结果表明随着熔覆高度的增加，成形叶片表面换热作用加强，散热方向从熔池到基座。FARAHMAND P等[7]通过数值模拟与实验分析了激光熔覆单道与多道的热成形温度场与应力场，研究表明激光熔覆区域由于急冷急热过程产生了的较大的热应力。刘子武等[8]分析了叶片材料再制造熔覆层冲蚀损伤行，并利用激光熔覆和钨极氩弧(TIG)熔覆技术制备了相同的熔覆层，获取了熔覆层微观组织、抗冲蚀能力等。GUO S R等[9]通过制备不同宽度激光熔覆层，分析研究汽轮机转子综合跳动的影响规律，优化了汽轮机转子的激光熔覆工艺参数。许明三等[10]研究了激光熔覆粉末与工艺参数对熔覆层结合强度的影响规律，对相关参数进行了优化。王浩[11]和封慧等[12]分别对航空发动机损伤叶片和曲轴轴颈损伤表面进行激光熔覆修复，均获得了满意的效果。上述诸多研究成果为叶轮激光增材实践提供了重要的理论支撑，但目前叶轮研究多集中于热处理[13]、凝固相变[14]等方向，关于叶轮激光熔覆文献较少。

鉴于此，以表面损伤叶轮为研究对象，首先分析叶轮的再制造方法与流程；然后通过在基体材料激光熔覆Fe基粉末的模拟试验，分析熔覆层的微观结合状态、显微硬度与屈服强度；最后对再制造叶轮进行着色探伤检测，工业CT检测、动平衡测试及安装调试，验证损伤叶轮激光熔覆再制造的可靠性与安全性。

1 损伤叶轮增材再制造方法

1.1 激光熔覆技术原理

激光熔覆技术也称为激光增材技术[15]，是利用激光头输出的高能激光束，实现粉末与基材表面薄层的熔凝，形成具有冶金结合的熔覆层，熔覆过程中吹送保护气体防止熔覆层的氧化，具有热影响区小和变形量低等优点。根据合金粉末的不同性质，可形成具有耐磨性、耐热性、耐腐蚀性和抗氧化等不同性能的熔覆层。基本原理如图1所示。

图1 送粉式激光熔覆示意图Fig. 1 Schematic diagram of powder feeding laser cladding

1.2 叶轮激光再制造方法与流程

叶轮表面失效形式主要包括:粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和表面疲劳等类型[16]，图2为重庆水泵厂有限责任公司某型号表面损伤叶轮，其损伤形式表现为表面磨损。从图中可以看出被磨表面产生了较深的沟槽，主要原因为叶轮在服役中，外来颗粒或者磨损脱落的磨屑与基体形成了相对运动，产生的高应力碰撞造成了基材表面材料的损失。

(a)表面损伤叶轮 (b)损伤局部区域

损伤叶轮再制造是一个复杂的系统问题，从关键技术方面来说，包括再制造性评估技术、激光熔覆再制造工艺技术、服役安全验证技术[17]等。按工艺流程可分为设备拆解、清洗、检测、再制造加工、零件测试、装配、喷涂包装等步骤，如图3所示。首先进行泵设备检修与拆解，从外观上检测叶轮是否能够再制造，不符合要求的叶轮进行报废处理；其次进入叶轮清洗阶段，进一步分析其再制造成本、剩余寿命、环境友好性等因素，确定叶轮是否值得、能够再制造；然后对筛选符合要求的损伤叶轮进行激光熔覆工艺修复，进行表面熔覆层的精加工和再制造叶轮的质量检测(动平衡测试、工业CT等)，最后将再制造叶轮装配到泵设备上，测试其安全性与稳定性，符合要求的包装出厂。

图3 叶轮激光熔覆工艺流程Fig. 3 Laser cladding process of impeller

2 单道激光熔覆试验分析

2.1 激光设备与工艺参数

实验采用湖南株洲辉瑞再制造公司半导体光纤激光熔覆设备，如图4所示。选用优化后的激光成形参数:激光功率700 W，光斑直径 1.0 mm，送粉量 3 g/min～5 g/min，扫描速度4 mm/s～5 mm/s。增材再制造过程中采用氮气(N2)保护，同轴送粉和水冷降温。粉末粒度为145目～320目，试验前，Fe基合金粉末150 ℃真空箱干燥2 h，损伤区域打磨除锈及氧化膜，丙酮清洗并烘干。粉末与基材的主要成分如表1和表2所示。

图4 激光熔覆再制造实验设备Fig. 4 Equipment for laser cladding remanufacture

表1 Fe基粉末主要成分Table 1 Chemical composition of Fe-based powder (wt.%)

表2 06Cr13主要成分Table 2 Chemical composition of 06Cr13 (wt.%)

2.2 冶金结合形态分析

图5为单道与多道激光成形工艺试验。从宏观上看，激光增材层成形表面质量较好，未出现局部起球、孔洞等外观缺陷，熔覆宽度和高度稳定性好，如图5(a)、图5(b)所示。进一步采用光学显微镜和线切割设备，通过切割、腐蚀等步骤观察截面微观形貌。试样用不同粒度砂纸打磨并机械抛光，抛光后腐蚀，腐蚀剂为3 HCl+HNO3(约10mL)，腐蚀时间约30 s。图5(c)为熔覆结构微观形貌，从上到下依次分为增材层、热影响区与基体三部分。其中，增材层组织致密，未出现气孔、裂纹等缺陷，中间的白亮带为热影响区，可以看到增材层与基体之间结合界面平整，未出现裂纹及夹渣现象，说明熔覆层与基体间形成了良好的冶金结合。利用数值模拟技术，可以很清楚地分析出3个区域。

(a) 激光增材再制造实验

(d) 单道温度场云图 (c) 截面微观形貌 图5 激光熔覆成形工艺测试试验Fig. 5 Laser cladding forming process test

图6(a)为激光熔覆层微观形貌，在熔覆层顶部和底部由于散热速度快和基体的激冷作用导致结晶速度最大，组织主要表现为长条状的柱状晶和树枝晶，熔覆层中部由于各方向温度梯度小，主要为细小的等轴晶组织；图6(b)为基体组织，主要由铁素体构成；图6(c)和图6(d)为熔覆层区域出现了未熔化粉末颗粒，研究表明两方面原因造成颗粒未熔化:送粉气压过大，造成出粉速度过快，极少数颗粒受热时间短，未完全熔化；粉末干燥后，实验时空气湿度较大，造成粉末回潮现象。经过工艺参数改进和粉末干燥后，解决了该缺陷问题。

(a)熔覆层微观组织

(c)熔覆层含颗粒区域 (d)局部放大区域

2.3 显微硬度与拉伸性能

使用显微硬度计对熔覆层与基体材料进行显微硬度测试，增材层硬度平均值为625.7 HV，06Cr13不锈钢平均硬度为398.3 HV，增材层硬度为基体材料硬度1.57倍。基体与增材层结合处硬度值有一个下降过程，主要是因为激光熔覆区域的冷却方式为热传导，熔池底部先凝固，然后慢慢扩散向上，熔池顶部的热传导会对底部凝固区域再次加热，促进了结合区域的组织生长，晶粒变得粗大，降低了硬度值。

为了进一步验证熔覆层与基材的结合强度，采用拉伸实验获取其屈服强度，并观察断裂区域。拉伸试样共计5根。采用与单道工艺相同的参数熔覆坡口处，坡口填满后利用精加工车床精加工试样，利用万能试验机进行拉伸实验，计算机自动获取强度结果。拉伸实验结果显示断裂处均为非熔覆区域，拉伸强度结果分别为655 MPa、631 MPa、598 MPa、649 MPa、674 MPa，无异常波动值，算术平均值为641.4 MPa。

3 叶轮激光熔覆试验及安全验证

3.1 损伤叶轮表面激光熔覆

拆卸清洗的叶轮经再制造性评估分析，结果表明图2所示的失效叶轮剩余寿命满足规定要求，满足再制造条件。对于可再制造叶轮的待熔覆区域做表面除锈等处理，进行叶轮单层再制造，如图7(a)所示的。参数设置为激光功率700 W，光斑直径 1.0 mm，送粉量3 g/min～5 g/min，扫描速度4 mm/s，搭接率为0.4。图7(b)为激光熔覆叶轮，从宏观上看其熔覆层表面平整无缺陷，层高稳定。

(a)激光熔覆中叶轮 (b)完成表面熔覆的叶轮

3.2 再制造叶轮质量评估

再制造后叶轮需通过产品质量检测，才能进行装配测试与包装出厂。修复后的叶轮重点检测内容为修复区域是否存在裂纹、气孔、夹渣等缺陷，整体动不平衡量是否满足产品要求。

(1) 着色探伤。叶轮着色渗透探伤是采用带有红色染料(图8(a))渗透剂的渗透作用，利用液体对固体表面小空隙的渗透作用，使渗透液渗透到叶轮微小裂纹处，待清洗干净并干燥后把显像剂涂在工作表面，通过显像剂与渗透液的置换作用，显示再制造叶轮的缺陷，根据国家关于焊接裂纹的评价标准，来评价其熔覆质量[18]。图8(b)为添加显像剂之后的熔覆区域，从宏观上看无微小裂纹，无气孔与夹渣，着色探伤表明激光熔覆区域质量较好。

(a)染色后叶轮 (b)喷显像剂后叶轮

(2) 工业CT测试。叶轮为高速旋转零部件，其质量安全性关系到设备甚至整个机组的安全。为了进一步测试其安全性，在着色探伤检测的基础上采用工业CT(Industrial Computerized Tomography)进行检测。基本原理是根据辐射在再制造叶轮内的减弱和吸收特性，利用放射性核素源发射出的、具有一定能量和强度的X射线或γ射线，通过分析衰减规律及分布情况，获取熔覆区域的内部信息，利用计算机信息处理和图像重建技术，以图像形式显示出来。

(3) 叶轮动平衡测试与分析。叶轮动不平衡量关系着机组运行稳定性与安全性，其值需严格控制。动平衡测试按照GB9239标准进行，动不平衡量由式(1)计算获得，精度等级为G2.5。

(1)

其中，m为允许不平衡量 (g)；M为转子的自身重量(kg)；G为转子平衡精度等级 (mm/s)；r为转子校正半径(mm)；n为转子转速 (rpm)。

表3为动不平衡初始值与残余不平衡检测值，采用去重方法平衡，在2 980 r/min的转速下，动平衡检测值均小于新品规定值750 g.mm，满足要求。

表3 叶轮动平衡检测Table 3 Dynamic balance detection of impeller

最后对再制造叶轮进行安装。开机测试一次成功，性能指标满足各项要求，验证了叶轮激光熔覆再制造工艺的可靠性与稳定性。

4 结束语

提出了叶轮激光增材再制造方法与流程，主要包括设备拆解、清洗、检测、再制造加工、零件测试、装配、喷涂包装等内容。粉末与基体产生了良好的冶金结合，组织致密且无未熔化粉末颗粒，熔覆层硬度达到625.7 HV，约为基体材料硬度的1.57倍，屈服强度为641 MPa。激光熔覆再制造叶轮经着色探伤检测和工业CT检测等显示再制造熔覆区域无裂纹、气孔等质量问题；采用去重式平衡，动不平衡量小于标准值750 g.mm；叶轮安装调试一次成功，各项指标满足要求。