CN108220955A - 一种用于水电站转轮室激光熔覆修复的材料及修复工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于水电站转轮室激光熔覆修复的材料及修复工艺，该材料包括按重量百分比计的以下组分：钴：55%～75%；铬：15%～35%；钨：1%～10%；碳：0.3%～5%；剩余为硅和硼。通过采用激光熔覆工艺，替代传统的焊接工艺和喷涂技术，得到性能更好的熔覆层，并提高了工作效率，适用于水电站转轮室内环钢板的修复，可使熔覆层具有更好的空蚀性能、冲蚀性能，同时可提高熔覆层和基材的结合强度，形成更细密的组织结构。
Description
技术领域
本发明属于激光熔覆修复领域，具体涉及一种用于水电站转轮室激光熔覆修复的材料及修复工艺。
背景技术
轴流转浆水轮发电机组在长期运行过程中，过流部件转轮室内环钢板受气蚀、磨蚀、冲蚀的联合作用，出现气蚀坑，钢板厚度方向尺寸减薄，局部出现空鼓、穿孔现象，甚至出现撕裂脱落。这些损坏将导致水轮机叶片与转轮室钢板间隙增加，水能利用率下降，机组发电效率下降，严重时将导致结构性破坏，影响机组的安全运行。
目前，转轮室钢板为铸造不锈钢，出现局部损坏常采用马氏体不锈钢焊条堆焊修复，修复变形大、易存在大量焊接裂纹、气孔等缺陷，焊接部位使用寿命短，反复检修堆焊。对于大面积的严重损坏，目前国内外还没有很好的修复方法，只能采用整体更换，拆除原转轮室内环，挖除原混凝土并填回，安装新内环。整体更换的方法周期长，工程量大，一般需要200天以上。国内一些发电厂企业尝试采用热喷涂WC硬质合金，以提高耐磨性，但涂层与基体结合强度不高，涂层厚度薄，内环钢板使用寿命低。因此，在未出现大面积空鼓和撕裂脱前，采用现场修复的方法有效提高转轮室钢板的耐气蚀、耐磨蚀、耐冲蚀性能，从而提高转轮室内环钢板的使用寿命，是目前国内外水力发电企业有待解决的问题。
发明内容
本发明的目的提供一种用于水电站转轮室激光熔覆修复的材料及修复工艺，能够解决现有的堆焊或喷涂技术存在的大面积堆焊变形大、易产生裂纹、耐蚀和和耐磨性差、喷涂结合强度低、厚度薄的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于水电站转轮室激光熔覆修复的材料，其特征在于，包括按重量百分比计的以下组分：钴：55～75份；铬：15～35份；钨：1～10份；碳：0.3～5份；该配方具有良好的耐磨耐蚀性，激光熔覆性能好。
优选地方案中，还包括硅0～2份和硼0～2份。
进一步地，各组分均为球形粉末状，粒度在50～100微米。流动性好。
本发明还涉及采用所述材料进行水电站转轮室激光熔覆修复的工艺，包括以下步骤：
1)对待修复区域进行探伤，对缺陷和待修复表面区域进行打磨去除表面氧化层，然后清洗上述区域的污质；熔覆修复材料进行混合搅拌并预热后备用；
2)采用激光熔覆设备对待修复区域进行现场水平送粉激光熔覆修复；
3)对熔覆层表面进行打磨抛光处理；
4)对熔覆层进行探伤检测、变形量测试、硬度测试和厚度检测，符合要求后即可完成水电站转轮室激光熔覆修复。
进一步地，探伤时为PT探伤，清洗污质时采用丙酮和无水乙醇进行清洗，清洗范围包括缺陷和待修复表面区域及其周围2mm的区域。
进一步地，步骤1)中熔覆修复材料混合后，加热至80～120℃保温1小时。除去粉末中的水份，提高粉末流动性，防止水份进入熔覆组织。
进一步地，步骤2)中熔覆修复过程中，激光功率为1000～8000W，送粉量为10～250g/min；采用分区对称熔覆，以减小热积累从而减小变形，分区大小300mm*300mm。
进一步地，步骤3)中打磨后熔覆层表面粗糙度小于Ra0.6。
进一步地，所述探伤检测确保探伤无气孔、裂纹缺陷；变形量测试钢板面曲翘变形量＜0.2mm，硬度测试表面洛氏硬度＞HRC48，厚度检测修复层厚度＞0.5mm。
本发明的有益效果：
1)转轮室钢板为铸造马氏体不锈钢材质，常用ZG0Cr13Ni4Mo、ZG0Cr13Ni5Mo。钢板激光修复的粉末选择除了考虑粉末自身特性外，还要考虑粉末与基体材料的热膨胀系数、熔点等物理参数的匹配性。本发明所述修复材料粉末包括一种钴基，Co-Cr-W-C型合金粉末，该粉末优点在于：与基材有良好的匹配性，无气孔和裂纹产生，熔覆层耐气蚀性、耐磨性、耐冲蚀性、耐磨性好。同时可提高熔覆层和基材的结合强度，形成更细密的组织结构。所述合金材料与基体材料在激光作用过程中的热膨胀性、润湿性、熔点等物理化学性能满足激光熔覆成型工艺条件，成型后无气孔、裂纹等缺陷。即从材料理化角度，工艺可达性好、工艺可控性好。
2)激光熔覆技术可显著改善金属表面的耐磨、耐热、耐蚀、抗氧化等性能。与堆焊、热喷涂、电镀等传统表面处理技术相比，它具有诸多优点,如适用的材料体系广泛、熔覆层与基体为冶金结合、热变形小、工艺易于实现自动化等。直接熔化同轴同步输送于基体表面的合金粉末并快速凝固，从而获得成分、组织及性能完全不同于零件基材并优于基材的快速凝固非平衡组织。修复微观组织细小、致密，熔覆层与基材结合好，无气孔、微观裂纹、夹杂等缺陷，使用性能达到或超过新内环钢板的使用性能，节省了更换成本，产生巨大的经济效益。
3)本发明以激光为热源辐照使钢板基体熔化形成熔池，修复用材料粉末通过载气输送从喷嘴送出进入熔池迅速熔化凝固，在惰性气体保护下熔覆层材料与基体材料成冶金结，从而显著改善基体材料表面的耐磨性和耐蚀性能。具体体现在提高材料耐气蚀、耐磨蚀、耐冲蚀性能，该工艺用于现场水平送粉激光熔覆修复，熔覆厚度大于0.5MM，使用面硬度、耐气蚀性、耐磨性大大提高，无裂纹、气孔缺陷。
附图说明
图1是修复后工件在低倍下的金相组织图。
图2是修复后工件在高倍下的金相组织图。
图3是空蚀试验装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
实施例1：
一种用于水电站转轮室激光熔覆修复的材料，包括按重量份计的以下组分：
钴：63.5份；铬：30份；钨：5份；碳：0.8份；硅0.2份和硼0.1份。
实施例2：
一种用于水电站转轮室激光熔覆修复的材料，包括按重量百分比计的以下组分：
钴：68.5份；铬：27份；钨：4份；碳：1份。
实施例3：
一种用于水电站转轮室激光熔覆修复的材料，包括按重量百分比计的以下组分：
钴：65.3份；铬：25份；钨：7份；碳：0.3份；硅1份和硼1.4份。
上述材料中各组分均为球形粉末状，粒度在50～100微米。
实施例4：
采用上述材料进行水电站转轮室激光熔覆修复的工艺，包括以下步骤：
1)对待修复区域进行PT探伤，对缺陷和待修复表面区域进行打磨去除表面氧化层，然后采用丙酮和无水乙醇清洗上述区域的污质；熔覆修复材料进行混合搅拌并在80℃预热1小时后备用；
2)采用激光熔覆设备对待修复区域进行现场水平送粉激光熔覆修复；激光功率为1000～3000W，送粉量为10-50g/min；采用分区对称熔覆，分区大小300mm*300mm。
3)对熔覆层表面进行打磨抛光处理；打磨后熔覆层表面粗糙度小于Ra0.6。
4)对熔覆层进行探伤检测、变形量测试、硬度测试和厚度检测，符合要求后即可完成水电站转轮室激光熔覆修复。确保探伤无气孔、裂纹缺陷；变形量测试钢板面曲翘变形量＜0.2mm，硬度测试表面洛氏硬度＞HRC48，厚度检测修复层厚度＞0.5mm。
本发明涉及的激光熔覆材料和工艺，适用于现场修复***，该修复***还可设置为自动化修复***，主要包括控制柜、激光器、高精度六轴机械手、激光头、喷嘴、工作导轨、水冷机、载气送粉器。通过在待修复区域附近安装工字钢导轨和高精度六轴机械手，使得待修复区域在高精度六轴机械手的有效工作范围之内，通过采用三维扫描和图像处理工具实现修复区域的尺寸检测，编制生成激光扫描路径程序，并实现机器人路径模拟仿真，最后通过激光熔覆设备，实现水平送粉修复。
另外，在修复过程中，还涉及控制的参数有：扫描速度、离焦量和搭接率、送粉气流和保护气流。具体参数如下表1所示：
表1
为了证明本发明的修复效果，在采用实施例4中的工艺对水电站转轮室进行激光熔覆修复后，从修复后的金相分析、硬度测试耐冲蚀、耐气蚀性方面来进一步说明。
金相分析
采用金相显微镜对修复后的工件，分别对基体组织、过渡区组织、熔覆层组织进行金相检验，低倍(50倍)下的金相组织见图1，结果表明熔覆层材料与基体结合界面良好，粉材与基体材料的匹配性好，低倍下无未熔合、裂纹和夹杂等缺陷。高倍(500倍)组织见图2，高倍下无明显气孔，组织细小致密。说明此工艺和材料可以焊接层和基材的结合强度，并具有良好的力学性能。
耐空蚀性能
采用超声波振动在试样表面产生空泡现象的加速气蚀试验方法，对熔覆层和基材进行对比试验，试验原理示意图如图3。通过对比证实，熔覆层比基材有更好的耐空蚀性能。这对延长转轮室内环钢板使用寿命具有重要意义。
冲蚀性能检测
使用EG-EW-900冲蚀磨损试验机，做抗冲蚀性能对比试验。试验结果表明，熔覆层的抗冲蚀性能是基材的3倍左右。
硬度检测
使用特视显微硬度计进行硬度检测，检测五组以上熔覆层，其硬度均在HRC 50以上，满足转轮室钢板的硬度要求。
实施例5：
采用上述材料进行水电站转轮室激光熔覆修复的工艺，包括以下步骤：
1)对待修复区域进行PT探伤，对缺陷和待修复表面区域进行打磨去除表面氧化层，然后采用丙酮和无水乙醇清洗上述区域的污质；熔覆修复材料进行混合搅拌并在100℃预热1小时后备用；
2)采用激光熔覆设备对待修复区域进行现场水平送粉激光熔覆修复；激光功率为2000-5000W，送粉量为50-100g/min；采用分区对称熔覆，分区大小300mm*300mm。
3)对熔覆层表面进行打磨抛光处理；打磨后熔覆层表面粗糙度小于Ra0.6。
4)对熔覆层进行探伤检测、变形量测试、硬度测试和厚度检测，符合要求后即可完成水电站转轮室激光熔覆修复。确保探伤无气孔、裂纹缺陷；变形量测试钢板面曲翘变形量＜0.2mm，硬度测试表面洛氏硬度＞HRC48，厚度检测修复层厚度＞0.5mm。
实施例6：
采用上述材料进行水电站转轮室激光熔覆修复的工艺，包括以下步骤：
1)对待修复区域进行PT探伤，对缺陷和待修复表面区域进行打磨去除表面氧化层，然后采用丙酮和无水乙醇清洗上述区域的污质；熔覆修复材料进行混合搅拌并在120℃预热1小时后备用；
2)采用激光熔覆设备对待修复区域进行现场水平送粉激光熔覆修复；激光功率为5000-8000W，送粉量为100-250g/min；采用分区对称熔覆，分区大小300mm*300mm。
3)对熔覆层表面进行打磨抛光处理；打磨后熔覆层表面粗糙度小于Ra0.6。
4)对熔覆层进行探伤检测、变形量测试、硬度测试和厚度检测，符合要求后即可完成水电站转轮室激光熔覆修复。确保探伤无气孔、裂纹缺陷；变形量测试钢板面曲翘变形量＜0.2mm，硬度测试表面洛氏硬度＞HRC48，厚度检测修复层厚度＞0.5mm。
Claims (9)
1.一种用于水电站转轮室激光熔覆修复的材料，其特征在于，包括按重量百分比计的以下组分：钴：55～75份；铬：15～35份；钨：1～10份；碳：0.3～5份。
2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：还包括硅0~2份和硼0~2份。
3.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：各组分均为球形粉末状，粒度在50~100微米。
4.采用权利要求1-3任意一项所述材料进行水电站转轮室激光熔覆修复的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1）对待修复区域进行探伤，对缺陷和待修复表面区域进行打磨去除表面氧化层，然后清洗上述区域的污质；熔覆修复材料进行混合搅拌并预热后备用；
2）采用激光熔覆设备对待修复区域进行现场水平送粉激光熔覆修复；
3）对熔覆层表面进行打磨抛光处理；
4）对熔覆层进行探伤检测、变形量测试、硬度测试和厚度检测，符合要求后即可完成水电站转轮室激光熔覆修复。
5.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于：探伤时为PT探伤，清洗污质时采用丙酮和无水乙醇进行清洗，清洗范围包括缺陷和待修复表面区域及其周围2mm的区域。
6.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于：步骤1）中熔覆修复材料混合后，加热至80～120℃保温1小时。
7.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于：步骤2）中熔覆修复过程中，激光功率为1000～8000W，送粉量为10～250g/min；采用分区对称熔覆，分区大小300mm*300mm。
8.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于：步骤3）中打磨后熔覆层表面粗糙度小于Ra0.6。
9.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于：所述探伤检测确保探伤无气孔、裂纹缺陷；变形量测试钢板面曲翘变形量＜0.2mm，硬度测试表面洛氏硬度＞HRC48，厚度检测修复层厚度＞0.5mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180629 |
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