大型铸锻件的激光熔覆修复技术研究现状

闫晓孟 齐欢 阳义

(1.四川大学 机械工程学院，四川 成都 610065；
2.成都青石激光科技有限公司，四川 成都 610213)

大型铸锻件行业的发展是国家工业基础建设中十分重要的一环，其发展水平无疑极大地彰显了国家的重工业实力，其特殊性和重要性关系到国家安全和国民经济命脉。我国一直致力于大型铸锻件产品的研发制造，特别是改革开放以来，通过多种形式的技术升级，从技术引进，技术改造，进口设备，合作生产再到后来的自主技术创新，设备开发，经过四十余年的发展我国大型铸锻件的生产规模和能力得到了显著的提升，已逐步形成了一套比较完善的国产化研发制造体系[1]。结合我国重工行业的特点，大型铸锻件行业为航空航天、石油化工、钢铁冶金、铁路交通、核电水利等多个领域的迅速发展提供了大量优质的产品、设备及服务，为重大装备制造业奠定了基础，刺激了国产高端动力装备的行业需求。

然而，高端动力领域重大装备还面临着一个共同的行业技术瓶颈，即所需的大型铸锻件在长时间的交变载荷、极端工况条件下的零件修复问题。2018年三峡机组首次大修，发现严重气蚀问题，因检修每天每台机组的损失高达500万元。大型铸锻件的传统修复不仅难拆卸、难搬运，拆旧换新成本高，而且返厂维修耗时长，此外还可能会造成降准修复从而达不到设备构件使用需求，具有一定风险。为了解决上述问题，我们迫切地需要高效率、高性能、适应性强、智能化程度高的新型修复技术，从缩减检修/停机时间、延长零件的服役寿命、适应复杂环境、成型精度高、可控性强等多个方面满足高端动力装备的修复需求。作为3D打印技术的先进代表之一，激光熔覆为大型铸锻件的修复提供了新的方向，在一定程度上解决了传统修复技术的难度大、时间长和成本高等问题。本文通过简要介绍激光熔覆技术的工作原理和特点，结合国家战略需求和有关行业实际诉求的案例，回顾并总结了激光增材修复技术在大型铸锻件行业取得的进展，最后对其未来的发展趋势进行了展望。

1.1 激光熔覆技术的原理和特点

随着激光技术的快速发展，在过去的几十年中，利用激光技术开展材料加工已逐渐成为一个新的研究热点，具有广阔的应用前景和应用范围。激光加工技术实质上可以简单概括为利用高能量密度的激光束与选定材料(主要为金属和非金属材料)产生相互作用，完成熔焊、切割、贯孔、表面熔覆等微加工操作，是由计算机学、数控学、机械学等学多科交叉集成的一种先进材料成形技术[2]。作为激光加工技术的典型代表，激光熔覆(Laser cladding technology)是一种新兴的材料加工方法，属于激光加工领域的一个重要的应用方向。具体而言，激光熔覆加工是将高能量密度的激光束辐照到基体材料表面，使金属粉末或涂层熔化，经过快速冷却后形成熔覆层并能与基体材料产生良好冶金结合的一种快速增材加工技术。

激光熔覆加工的工艺流程可简述如下：1)根据零件外观尺寸通过计算机辅助设计建模和数控系统来确定加工区域和坐标范围；
2)制定熔覆工艺参数(如激光功率、送粉量、粉体材料等)开始逐线、逐层堆积材料，直接预生成或修复金属零部件或大型铸锻件；
3)对修复后的大型铸锻件和零部件产品进行探伤和检测，经过机加工后最终成形，其工作原理和工艺步骤如图1所示。激光熔覆技术最终加工或修复的大型铸锻件拥有良好的材料综合性能，在满足原本性能的基础上，甚至能够实现基体材料表面的抗腐蚀性、耐磨性、导电性和抗拉强度等物理、化学或力学性能的进一步提高。目前而言，激光熔覆系统主要由计算机(含软件操作系统)、送粉系统(含多轴机器人，喷嘴和保护气设备)、激光头及数控工作台(包含环境箱及变位机)四大板块组成。随着我国激光增材设备制造行业的技术提升，如今已朝着集成式、可定制式的智能化移动激光增材系统的方向发展，如图2所示为南京辉锐集团生产的移动式激光熔覆设备。

(a)成形原理

图2 第二代移动式激光熔覆设备MobiMRO-2®

激光熔覆可以应用于表面改性，同传统的表面改性技术(如化学镀、热喷涂、堆焊、气相沉积等)相比，激光熔覆技术的优点如下所示[3]：

(1)材料应用范围广泛，高能激光束能对目前市面上常见的金属粉末和陶瓷材料等进行激光表面熔覆。

(2)冷却速度快，熔覆组织为典型的快速凝固特征；
可根据实际需求调配涂层材料成分，获得优异的材料特性。

(3)得益于激光的快速加热特性，基体材料的输入能量和热变形较小，熔覆层稀释率低，与基材呈良好的冶金结合，可提高粉末使用率和工件成型率。

(4)可实现熔覆层的精确控制，自动化程度高，可对废旧工件进行局部打印或修复处理。

在二十世纪八十年代后期，在激光熔覆技术被列为国家重点技术攻关项目以来，得到了社会各界和科研人员的大量关注和研究，已经成功地为我国航空航天、水利水电等行业大型铸锻件的表面工程加工和修复提供了实际验证和解决方案，并取得了相当大规模的技术和经济效益。如图3所示为滑动轴承巴氏合金轴瓦的制备和修复，巴氏合金熔点仅240～370℃，在熔点1100℃以上的铁基瓦体表面增材巴氏合金层，需要工艺、设备的创新设计。这是由于传统的浇铸法存在固有缺陷(包括气孔疏松、晶粒粗大甚至裂纹损伤)，即无法制备出生产结合强度高、无元素损伤、无成分偏析的具有良好成形表面的巴氏合金层；
此外浇铸工艺步骤繁琐且存在铁水浇不到及浇不满等现象，导致加工成本比重过高[4]。然而，通过激光熔覆技术来表面增材巴氏合金，是以激光作为热源，在基板上形成熔池，再将巴氏合金粉末以一定方式送入熔池中快速熔化再快速凝固成型的过程，所得到的锡基巴氏合金微观组织均匀细小并与基体间形成冶金结合，结合强度优于传统铸造工艺。

(a)传统浇注 (b)激光熔覆成形

表1[5]所示为几种利用激光熔覆成形和锻造成形的合金零件的室温下力学性能对比，由此可看出，激光熔覆成形具有凝固速度快的优势，使得材料内部组织细小，细化晶粒，提高了材料的综合力学性能。此外激光熔覆技术成形过程中无污染排放、绿色清洁，不会产生多余的边角料，而且对于行进过程中未熔的金属粉末可实现部分回收再利用，相较于传统的切削加工来说，材料利用率高、研发周期短、制造成本低。

表1 几种激光熔覆成形和锻造成形的金属零件力学性能(室温下)

得益于逐层重叠的成形加工方式和精确化的送粉控制系统，激光熔覆可制造成形几何形状复杂的薄壁金属零部件，通过调整不同粉筒的工作状态和送粉速率，可以在零件任意位置熔覆具有不同性能和成分的金属粉末，从而实现梯度功能材料的快速制备，使材料的物理化学性能具备“各向异性”，即不同位置和方向具有不同的抗氧化性、耐高温性、抗冲击或抗水蚀等性能，这是以往的大型铸锻件制备方法所不能比拟的，利用这一特性可实现旧零件的“修旧超新”，图4所示为利用激光熔覆技术修复和成形的具有复杂形状的汽轮机叶片和梯度功能零件。

图4 激光熔覆制备几何形状复杂和梯度零部件

1.2 激光熔覆材料体系及熔覆层性能研究概况

由于激光熔覆技术所使用的是具有高能量密度的激光器，目前光纤式激光器的功率甚至可以达到4000～6000 W，因此可以轻松完成金属粉末、合金涂层等的熔覆，甚至还能实现一些高熔点的陶瓷材料的熔覆成形。目前，应用于激光熔覆的材料大部分还是以喷涂所用的粉末状材料为主体，大致可分为金属粉末、合金粉末以及陶瓷粉末等，常用的纯金属粉末有W，Cu，Ni，Al，Fe，Ti等；
合金粉末一般采用与基底材料相近的成分，常见的合金粉末有Co-Cr-W、Ni-Ti、Fe基、Ni基合金等；
陶瓷粉末包括Al2O3、ZrO3、TiO2等氧化物陶瓷粉末，WC，TiC等碳化物陶瓷粉末，以WC-Co为代表的金属陶瓷粉末。随着大型铸锻件的服役要求愈来愈高，近些年来复合材料课题的热度持续攀升，激光熔覆材料由之前单一的粉末喷涂如纯金属粉末、合金粉末等逐渐向复合材料转变，典型的例子为纯金属粉末+合金粉末或纯金属粉末+陶瓷粉末[6]。例如，Kunt等[7]在哈氏合金X(镍基高温合金)上激光熔覆了NiCrAlY耐高温涂层，在1100℃、450 h条件下评估了该涂层的氧化行为。高温氧化实验结果表明，该涂层成功实现了一种双层氧化膜(内膜为连续的氧化铝，外膜为混合尖晶石型氧化物)，有利于阻止氧气的扩散，实现了长时间的持续耐高温性能。张杰等[8]基于正交试验设计确定了时效态IN718合金表面激光熔覆修复合金涂层的最优工艺条件，并研究了该条件下IN718熔覆层的界面组织特征及力学性能，结果表明，工艺参数为激光功率900 W、扫描速度6 mm/s、送粉量10 g/min下的熔覆层组织呈现典型树枝晶形态，熔合区与基体呈现良好的冶金结合，形态上不同于熔覆层和基体且没有出现平面晶。

激光熔覆技术作为一种组织成分和性能可控的表面改性技术，其涂层不仅可以很大程度上提高工件的抗疲劳、硬度、耐磨性、抗拉强度等力学性能，还能极大地延长零部件的使用寿命，尤其是在工业级别大型铸锻件的维修方面具有重大应用前景和研究意义。目前已被广泛应用于核电水电、石油化工、航空航天、医疗器械等众多领域。Chao Mingju[9]等采用激光熔覆掺杂(Ta2O5+C)的Ni60合金粉末混合物，在低碳钢表面原位合成了TaC颗粒增强的镍基复合涂层。结果表明，涂层与基体呈冶金结合，在γ(Ni)固溶体和Cr3C2、Fe2B与γ(Ni)共晶的双相基体中均分布有近似立方的TaC颗粒和针状的铬碳化物；
与Ni60涂层相比，TaC/Ni60复合涂层的硬度提高了1.38倍，对淬硬钢的块环磨损率降低了5倍，这主要归因于原位合成TaC颗粒的存在及其在涂层中的良好分布。Guo Baoguang等[10]报道了一种在纯金属钛基底上原位合成的TiN增强Ti3Al金属间化合物基复合涂层(TiN/Ti3Al IMC)，是以钛和铝混合金属粉末为熔覆材料，在氮气气氛中利用激光熔覆法和激光固氮法制备而成；
研究发现，氮气流速会影响复合材料涂层中的TiN增强相形貌，即高流速下呈现粒状、发育良好的枝晶，低流速下呈现颗粒状、片状及未发育好的枝晶。此外相关实验结果表明，TiN/Ti3Al IMC的硬度和耐磨性均高于Ti3Al涂层。

由此可见在工程材料领域，激光熔覆加工和修复技术经过研究者们不断地探索与发展，对于提升传统防护涂层的耐磨性、抗氧化性、耐高温性、耐磨损性等性能提供了大量的实验案例。值得注意的是，除了上述以外，还可以利用激光熔覆的强适应性获得一些特种功能防护涂层，如生物-陶瓷涂层、功能梯度涂层(材料)等，近些年来也逐渐成为表面加工领域的研究热点。

进入二十一世纪以来，激光熔覆技术凭借其在材料表面改性方面的独特优势和前期大量的实践基础，与重工领域中以金属材料为主体的大型铸锻件的成形关系愈加紧密，已成功走出了坚实的一步，下面简要介绍和总结一些重要工业领域中利用激光熔覆技术修复工件的实际案例。

2.1 大型民用飞机起落架的激光熔覆修复

研制长寿命的大型超高强度钢起落架对于单通道大型民用客机的低成本、高安全的发展具有重要的研究价值。以某民用客机的超高强度300M钢(大型模锻件)起落架主支柱为例[11]，开展疲劳实验(大于100 000周应力循环时)在其主要传力部位出现明显的约30 mm裂纹，见图5。

(a)主起落架示意图 (b)主起落架支柱排水孔处疲劳裂纹形貌

通过后续的失效分析，确定原因是小孔四周的粗糙度下降后，排水孔承载高应力交变载荷大于300M钢的疲劳强度。修复之前通过机加工对裂纹处进行打磨预处理，形成一条长条形直通槽。工艺修复方案确定为：激光送粉熔覆修复(含机械手臂)+A100钢粉末原料，修复过程如图6所示。通过分析激光熔覆修复后的材料力学性能可知：修复区的拉伸强度明显高于基材区(多次测试平均值分别为2015 MPa和1969 MPa)；
所有试样经过疲劳试验后均未断裂，满足疲劳性能要求，表明热影响区的性能满足疲劳试验的要求；
表面残余应力都不大于200 MPa，也同样满足要求。最终对修复后的300M钢起落架主支架进行后续的起落疲劳测试，圆满完成了剩余的13.5万次应力循环疲劳测试，表明激光熔覆技术在航空工业大型金属零部件的修复方面具有可靠的技术保证。

图6 激光增材修复裂纹过程

2.2 核反应堆上充泵转子的激光熔覆修复

上充泵是核反应堆中化学和控制系统的最重要的动力设备，其中泵芯由内泵壳和转子组成，作为核心构件对于核反应堆运行的重要性不言而喻。然而，在长期工作状态下上充泵转子损伤部分的修复是业内普遍面临的一个棘手问题，不仅是由于转子本身具有很强的放射性，而且转子的造价昂贵，而检修过程中转子其余部位工况良好，直接更换的采购成本过高浪费严重[12]。常规的修复方法如电镀法、热喷涂法等在加工过程中会导致构件产生不可逆转的热变形和较差的结合强度，从而无法满足修复需求。以某核电厂的双壳层11级离心泵转子为例，综合考虑各方面因素选用激光熔覆技术解决该修复项目的难题，结合强度达到原材质90%以上，表面硬度可以达到原材料的100%，成形优异[13]。熔覆材料选择与基体成分(CA6NM马氏体不锈钢)相同的Ni基合金粉。修复工艺过程如图7所示，部分工艺参数如下：激光器功率1000 W，光斑直径3.5 mm，激光扫描速度10～12 mm/min，送粉速率1.4 g/min，熔覆层厚度约0.7 mm。

图7 上充泵转子激光熔覆修复工艺流程

最终将激光熔覆修复后的上充泵转子重新投入使用，据目前情况来看，已平稳运行近一年半，且流量、出口压力和轴承温度等各参数正常，工作状况良好。由此说明，利用激光熔覆技术来修复核电厂的上充泵转子，是一个既满足性价比需求，又满足性能要求，而且省时省力的好策略。

2.3 水轮机叶片的激光熔覆修复

水轮机是水电站的核心功能设备，根据水轮机的运行环境可以将其叶片的损伤形式分为汽蚀(清水环境)和冲蚀(泥沙环境)两种。针对水轮机叶片存在的汽蚀和冲蚀问题，目前传统的方法其一是选择使用具有高抗汽蚀性的基体材料(通常为0Cr13Ni4Mo等高强度不锈钢)，这类不锈钢被认为是目前水利机械制造领域中使用量最大且最有效的母材之一；
其二是利用表面强化手段为母材表面赋予特制的防护涂层，以保证在不同水域环境中的长时间正常运行。第一种方法由于水轮机运行的地域限制存在一定的局限性，因此人们将更多的目光放到第二种方法——叶片表面强化(或修复)技术的研发上。然而，传统的修复和强化方法主要以等离子喷涂、堆焊等为主，虽然能解决存在的部分问题(如喷涂涂层耐磨性好，抗冲蚀性能好但抗汽蚀性能差)，但是依然存在涂层与基材间结合强度差，无法同时较好地解决耐磨性和抗冲击性问题。因此需要发展新的水轮机叶片表面强化和修复技术，其中激光表面熔覆技术就是其中一种。以清水环境中运行的水轮机叶片的损伤修复为例[14]，目前主要是通过激光熔覆强化其抗汽蚀性能。试样材料及方法如下：叶片基体材料为0Cr13Ni4Mo不锈钢，熔覆材料为Co基合金粉末(元素质量分数：Co 48.8%、Cr 26%、Mo 1.2%、W 15%、Ni 2.5%，剩余Si、B和C等非金属含量为余量)，激光功率为1.6 kW，激光扫描速率为10 mm/s，熔覆前后试样对比如图8所示。

(a)修复前水轮机的汽蚀 (b)修复后的熔覆层试样

通过超声波汽蚀质量损失法和试样表面形貌来分析涂层的抗汽蚀能力，结果表明，Co基合金粉末与基体材料间呈良好的冶金结合，涂层近表面晶粒细小(主要为等轴晶)并存在一定含量的W-C增强相，因此可以获得较高的表面硬度，甚至为基体材料的1.5倍。此外，同工况条件下涂层损失的质量小于基体材料，证明了其清水环境下优异的抗水蚀性能，该激光熔覆技术可能为未来高抗水蚀性能叶片的表面强化和修复提供了新的策略。针对葛洲坝转轮叶片存在的汽蚀和冲蚀问题，南京辉瑞集团经过工艺调试，用激光熔覆方法在0Cr13Ni5Mo板上熔覆一层Stellite6熔覆层，涂层平整，表面光洁度不高。激光重熔处理后，熔覆层表面光洁度大大得到了改善。这表明采用激光熔覆+激光重熔的工艺方法在基板上大面积制备Stellite6强化涂层是可行的，且涂层成型质量好，无冶金缺陷。利用“九宫格”的方式熔覆在成形路径上可行，并对改善基板变形有一定效果。熔覆层经过后续打磨抛光后，表面平整光亮，粗糙度可达Ra0.8 μm，能满足技术要求，工艺效果如图9所示。

(a)熔覆后清洗的试样表面 (b)喷涂渗透剂 (c)喷涂显象剂

作为一种具有多学科交叉和巨大经济效益的先进材料成形技术，激光熔覆技术为传统制造业的大型铸锻件成形和修复提供了新的研究方向和解决思路。得益于高能激光加工的优越性，激光增材修复技术在大型铸锻件行业中的应用范围越来越广。本文通过对激光熔覆的原理和特点进行了简单介绍，简要概括了熔覆材料体系和熔覆层性能，并对激光熔覆修复技术在大型铸锻件方面的实际应用进行了总结和回顾。虽然这项技术已经取得了诸多进展，但是我们应该仍要正视目前尚存的一些不足，仍有许多关键性技术难题没有攻克，如熔覆基础理论研究、国产化激光增材设备及配件的研发、熔覆粉末体系以及关键工艺开发等。这不仅有利于激光熔覆技术的革新，而且还能拓宽其未来的应用领域，助推大型铸锻件行业的发展。