２０２１年第５期２０２１Ｎｕｍｂｅｒ５水电与新能源
ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲＡＮＤＮＥＷＥＮＥＲＧＹ第３５卷
Ｖｏｌ．３５
ＤＯＩ：１０．１３６２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ４２－１８００／ｔｖ．１６７１－３３５４．２０２１．０５．０１４
收稿日期：２０２０－０４－２７
作者简介：胡成学，男，工程师，主要从事水轮发电机组检修方面的工作。激光熔覆表面强化在水电站转轮室的应用 胡成学，徐 进，杨 杰，关 博
（中国长江电力股份有限公司检修厂，湖北宜昌 ４４３０００）
摘要：水轮发电机组过流部件的空蚀、磨损、磨蚀的缺陷一直没有很好的修复方法。目前采用的激光熔覆工艺和新熔覆
集束线
材料，替代传统的焊接工艺和喷涂技术，用于水电站转轮室修复，可获得更好的抗空蚀、抗磨损、抗磨蚀性能，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。经实践检验，该技术在水电站转轮室的应用是成功的。
关键词：激光熔覆；表面强化；磨损；空蚀
中图分类号：ＴＭ３１２ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１６７１－３３５４（２０２１）０５－００５０－０３
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｆｅｃｔｓｓｕｃｈａｓｃａｖｉｔａｔｉｏｎｅｒｏｓｉｏｎ，ａｂｒａ
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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
室内环钢板，挖除原混凝土并填回，安装新内环［１］
单顶置凸轮轴。
整体更换的方法周期长，工程量大，一般需要２００ｄ以上。国内一些水电站尝试采用热喷涂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
板的耐空蚀、耐磨损、耐磨蚀性能［１］
，从而提高转轮室
内环钢板的使用寿命，是目前国内外水电站有待解决的问题。
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［２］。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［３］、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［４］。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
胡成学，等：激光熔覆表面强化在水电站转轮室的应用２０２１年５月
的经济效益。
１ 应用目标
针对提高材料耐空蚀、耐磨损、耐磨蚀性能，研究开发适用于水轮发电机组现场激光熔覆修复的合金
材料和工艺方法，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、耐蚀和耐磨性差、喷涂结合强度低、厚度不足的问题。该合金材料和工艺，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、耐空蚀性、耐磨性大大提高，无裂纹、气孔缺陷。
２ 实施方案
１）激光熔覆原理。以激光为热源辐照使钢板基体熔化形成熔池，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、耐空蚀、耐磨损性能［５－９］。
２）熔覆层粉末选择。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。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，熔覆层耐空蚀性、耐磨性、耐冲蚀性、耐磨性好。所述钴基合金粉末由如下按重量百分比分配的修复材料组成：钴：５５％～７５％；铬：１５％～３５％；钨：１％～１０％；碳：０．３％～５％；硅、硼：剩余。钴基合金粉末粒度５０～１００μｍ，粉末颗粒形状为球型［１０－１４］。
３）现场修复设备。现场修复系统主要包括控制柜、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。
３ 现场激光熔覆工艺
３．１ 修复步骤
转轮室内环钢板激光修复步骤包括以下内容［１５－１８］。
１）表面预处理和粉末准备：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，再用丙酮和无水酒精清洗修复区域及周围２ｍｍ以上范围内的污质。其目的在于：排除基体残留缺陷对熔覆层组织造成的不利影响；防止金属氧化物和非金属杂质对熔覆层组织造成的夹杂、气孔、裂纹等缺陷，从而提高熔覆冶金质量。金属粉末搅拌预热，加热至８０～１２０℃保温１ｈ，目的是为了除去粉末中的水份，提高粉末流动性，防止水份进入熔覆组织。
２）安装高精度六轴机械手在可滑动工字钢导轨上。
３）三维扫描和图像、数据处理。采用三维扫描和图像处理工具实现修复区域的尺寸检测。
大田西瓜种植技术４）编制生成激光扫描路径程序，并实现机器人路径模拟仿真。
５）自动化修复。采用自主开发的自动化激光熔覆设备，实现水平送粉修复。为减小热积累从而减小变形，采用分区对称熔覆，分区大小３００ｍｍ×３００ｍｍ。
６）对熔覆层表面进行打磨抛光处理，表面粗糙度小于Ｒａ０．６。
７）对熔覆层进行ＰＴ探伤检测、变形量测试、硬度测试和厚度检测，ＰＴ探伤无气孔、裂纹缺陷；钢板面曲翘变形量小于０．２ｍｍ；表面洛氏硬度大于ＨＲＣ４８；修复厚度大于０．５ｍｍ。
３．２ 修复工艺参数
在此工艺中主要的修复参数有激光功率、扫描速度、送粉量、离焦量和送粉器的送粉速率、送粉气流、保护气流。具体工艺参数见表１。
３．３ 试验效果
采用激光熔覆工艺和新熔覆材料修复转轮室内环钢板，从修复后的金相分析、耐空蚀、耐磨损、硬度测试方面说明使用此工艺方法的修复效果。
１）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，粉材与基体材料结合
良好。低倍下无未熔合、裂纹和夹杂等缺陷。高倍组织见图２，高倍下无明显气孔，组织细小致密。说明此工艺可将焊接层和基材紧密结合，并具有良好的力学性能。
表１ 激光修复工艺参数表
参数激光功率
／Ｗ
扫描速度
／（ｍｍ·ｓ－１）
离焦量ip调度
／ｍｍ
搭接率
／％
送粉量
／（ｇ·ｍｉｎ－１）
矩阵干扰送粉气流
／（ｇ·ｍｉｎ－１）
保护气流
／（ｇ·ｍｉｎ－１）
数值１０００～８０００３～３０５～１１５３０～５５１０～２５０５～２０５～２０
水电与新能源２０２１年第５
期
图１ 低倍金相组织图（２００
倍）
图２ 高倍金相组织图（５００倍）２）耐空蚀性能检测。采用超声波振动在试样表面产生空泡现象的加速空蚀试验方法，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。
图３ 空蚀试验装置示意图３）耐磨损性能检测。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。
４）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ＨＲＣ５０以上，满
足转轮室钢板的硬度要求。
４ 结 语
在水电站转轮室易空蚀、易磨损区域，应用激光熔覆技术强化涂层，提高过流面的抗磨、抗空蚀特性；经一个汛期的运行检验，熔覆区域无空蚀、无磨损，表面光滑平顺，与修复前对比无差异。激光熔覆表面强化技术可推广至水电站其他过流部件使用，为今后的过流部件修复与防护提供一种工艺选择。
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