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试析汽轮机叶片制造过程中激光加工的运用

2020-05-25 169 上传者：管理员

摘要：本文对激光加工在汽轮机叶片制造中的应用进行了探讨。首先，对激光加工技术进行分析，主要为激光加工技术的原理及特性；然后，对技工加工技术的分类进行探讨；最后，对激光加工技术在汽轮机叶片制造中的应用进行了阐述，以期为现代汽轮机叶片制造提供借鉴。

关键词：
光学
制造
应用
汽轮机叶片
激光加工技术
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激光技术是现代前沿科技，在工业中的应用使工业技术得到了历史性的发展。汽轮机叶片本身具有造价高、易耗损的特点，激光加工技术能够有效改善这一问题，以突破性的技术实现汽轮机叶片的加工、强化、修复，促使汽轮机叶片抗气蚀性能得到有效提升。

1、激光加工技术概述

1.1激光加工的原理

激光加工技术是指运用激光束将其投射至加工件表面层，通过激光作用使工件发生融化，进而可以进行塑型、切割等加工，是能够对材料表面性能进行改变的加工方法。整体加工过程中，一方面，加工工具和加工物体表面层不会产生任何的直接接触，因此，也不会产生摩擦力，所以激光加工技术加工精准且高效。另一方面，工件加工是基于受热，而这一影响是局部的，范围非常有限，因此，也不会像传统加工有噪声问题。激光加工操作人员可以对激光束能量大小、移动速度展开调节，不同类型工件加工都能实现良好的应用效果。

1.2激光加工技术特性

激光加工技术是现代激光技术基础上发展而来的先进生产工艺，较之传统工业加工技术，其具备以下方面的优势：首先，该技术中的激光束可以进行调节，具有良好的灵活性，在多类工件加工中都能发挥良好的效果；其二，该技术对于非金属材料及绝大多数金属实施加工时，尤其是熔点、硬度、脆性都较高的材料，具有明显的优势；其三，加工时不会有刀具磨损，因为传统加工才会使用刀具，这一技术中不是运用传统切削作用进行加工的方式；其四，加工的过程中，激光束能量在密度上极高，因此，操作速度很快。局部加工时，不会对未被激光照射的加工件表面产生过大影响，热影响的范围小，使加工操作更精准；其五，可以通过透明介质对密闭空间中的工件实施加工；其六，激光束具有易导向、易聚集的特性，在各个方向都能实现自由转换，和数控系统能够完美地协调，实现复杂工件的高效加工；其八，使用激光技术展开加工工作，效率高的同时质量也可得到保证。

2、激光加工技术的类别

2.1激光切割

轮船、汽车等大型加工企业中，会常常使用连续性激光器展开激光切割作业，能够保证其加工规格一如设计，同时，也能够有效使作业效率提升，能够帮助企业达到规模化生产。激光加工切割技术在刻字、划片加工中应用也很广泛。

2.2激光打孔

一般应用脉冲激光器实现工件打孔，激光脉冲宽度约计为0.1～1毫秒，在异形孔及微型孔的加工中较为适用。一般而言，激光打孔孔径一般为0.005～1毫米。现阶段中，这一技术在珠宝、钟表、精密仪器等行业生产加工中应用广泛。

2.3激光焊接

激光焊接焊接强度高、热变形小，同时，密封性好，能够在尺寸和性质悬殊的工件焊接过程。同时，易氧化且熔点高的材料，比如，陶瓷等具有良好焊接效果。

2.4激光微调

使用中小型激光器，能够对电子小型元件上一些材料进行去除，因此，能够对电参数进行实际作用。该技术的精度高、速度快，大规模投产应用更为适合。在缺陷基层电路中，该技术还能够对此进行修补，实现人工操作不可能完成的作业内容。

2.5强化处理及热处理

除以上各方面外，使用激光技术能够达成强化处理、热处理的效果。具体而言，运用激光束照射材料，能够使材料表面发生融化而再结晶，实现淬火和退火效果，最终实现对加工件的强化处理及热处理。

3、汽轮机叶片制造中激光加工技术的应用

汽轮机叶片是火力发电厂中极为重要的构件，在汽轮机的主轴高速旋转的过程中，叶片边缘线速度能够超音速。其速度也导致其受到的冲击更为剧烈，高温高压蒸汽会加大速率冲击叶片表面，在汽轮机叶片本身做功疲劳、蒸汽冲蚀等条件下，叶片在从进气边出现损坏情况，在损坏达到相当地步后，叶片整体也就报废了，这也需要及时进行叶片的更换，保证发电厂的正常运行。但是，汽轮机叶片成本高，一次性使用会导致工厂的生产成本急剧增高，为了保证汽轮机叶片的使用期限，可以对汽轮机叶片的生产进行重视，保证汽轮机叶片的质量达到使用要求的同时，能够有效提升汽轮叶片的使用期限。

3.1激光合金化

激光合金化指的是高能量激光束辐照下，使工件材料表面根据相应的要求加入元素，同时，迅速发生熔化和混合，材料表面能够在短时间内完成原材为基体，达到深度要求和化学成分的表面合金化层。在应用中，通过使用联动多功能激光器系统达成激光合金化，高功率激光作用下，将合金元素和吸光材料填入叶片的表面层，从而使其成为深度达成要求的合金化表面层。

经过激光合金化处理，叶片表层硬度增加的极为明显，在合金化层深中，硬度随层深加深而减小，在激光合金化处理之后，基材表面硬度提升1.8倍多。对于叶片进行激光合金化处理后，会产生组织致密的合金化层，没有裂纹，也没有气孔问题，能够和集体形成冶金结合。组织变化的原因在于合金化时，因为激光束能量较高，叶片的表面材质在激光束作用下容易形成熔池，合金粉末在短时间内迅速地熔入叶片表层，进而发生化学反应，形成碳化物。合金粉末中的材料具有规避第二相粒子形成的作用，并且能够对合金层组织耐腐蚀性进行提升；激光的作用是极为迅速的，加热迅速，冷却也迅速，融化层中部分奥氏体未能转化，仍以奥氏体形式在表层中存在，这也使得合金化层硬度大之余，具有相当的塑韧性。

将汽轮机叶片进行激光加工，根本目的是提升叶片的抗气蚀性，因此，要着重检验经过加工后的叶片抗气蚀性能。在完成激光合金化以后，对叶片进行气蚀试验模拟，发现基体中量较合金化试样明显更高，这也说明同等条件下，激光合金化后材料抗气蚀性能得到了提升。未经过激光加工的叶片表面，在工作一定时间后，会出现气蚀面，气蚀面具有分布均匀、深度较大的气蚀坑，从其形貌上分析，是叶片表面金属剥落导致的。气蚀面并没有裂纹情况，但是，非气蚀与气蚀交界处局部，有着明显的微裂纹情况。经过激光合金化后，与常规应用同等时间后，发现叶片表面气蚀坑更浅显，在分布上更加均匀，交界处也未有裂纹的情况，这说明激光合金化使得叶片表面硬度提升、组织细化，表面有大量弥散碳化硬质相，这使得裂纹发展受到抑制，整体表面也不会发生大块剥落，使整体叶片表面抗气蚀性能提升一倍。

3.2激光固溶强化

激光固溶对于沉淀硬化材料更具有针对性，指在同束激光加工时，利用不同区域间的温度差异，通过元素固溶的扩散及析出作用，达到固溶强化的效果。这一技术针对的是沉淀硬化性的材料，因此，在叶片强化中具有一定选择性，比如17-4PH，该型号的汽轮机叶片是为沉淀硬化不锈钢材料。对该类叶片先进行保温时效操作，原本通过激光加热过饱和过程在铁素体及马氏体中存在的溶质元素，将其析出，并使其在叶片基层上弥散分布，最后，使材料整体性能得到较大提升。经过激光固溶强化，材料表面耐气蚀性能较之叶片的基体提升一倍或更多。完成气蚀后，对基材和强化后的基材气蚀后表面进行查看。相同条件下的气蚀试验中，固溶强化层表面气蚀坑呈现网状分布形式，坑深度相对较为前，同时，分布比较均匀，气蚀面与非气蚀面没有出现裂纹情况。根据这些条件显示，激光强化中因为非平衡快速凝固过程，叶片表层与组织细化、强度高的颗粒间形成的结合面相对较多，晶粒的分布相对较为均匀，有大量细小的晶粒边界，能够对应力起到缓冲的效果。疲劳裂纹的扩展性较差，对于其他晶粒影响也相对更小，以此使得材料的韧性及塑性得到提升，因此，在抗气蚀性能上较为良好。

3.3激光叶片修复

激光直接金属堆积成形系统，选用同轴送粉技术，以氩气作为粉末载气和保护气体，将合金粉末经过这一技术送入熔池，通过三维联动系统实施叶片的修复，完成修复后对表面实施合金化处理。经过处理后，叶片基体上存在固溶体枝晶与枝晶空隙中的碳化物与硼化物等多元共晶结构，分布极为均匀，同时，无气孔及裂纹等问题，从而达到了良好的冶金结合。因为修复完成后的基体表面为多层堆积，因此，在新一层修复过程中熔深更大，所以，前一层具有较高硬度的淬火区。

4、结语

通过本文对汽轮机叶片运用激光技术，使汽轮机叶片的抗气蚀性能得到有效的提升。应用激光合金化层能够使叶片表层硬度得到有效提升，抗气蚀性能提升一倍以上；在沉淀硬化物中使用固溶处理技术，能够有效提升叶片表层抗气蚀性能一倍以上，同时，能够预防裂纹发展；激光修复则能够使元素的分布更加均匀，同时，不会有裂纹及气孔等缺陷，耐磨损性及基体硬度明显提高。

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