专利名称：汽轮机汽蚀叶片的激光原位修复方法
技术领域：
本发明涉及汽轮机汽蚀叶片的激光原位修复方法，属于激光加工技术领域。
背景技术：
汽轮机叶片是电力工业中极其重要的构件，用于将高温高压气体的线性运动转变成汽轮机轴的转动，汽轮机在3000转/min的转速下运转。汽轮机叶片的失效形式大体主要有两种。一种是叶片断裂，主要发生在叶片根部，这种失效形式是不可修复的。另一种失效形式是汽蚀，主要发生在叶片顶端表面，汽蚀损伤的叶片是可以修复再利用的。出现汽蚀的原因是汽轮机叶片长期受到水汽的冲击，其叶片边缘因此受到侵蚀，在表面形成大量汽蚀针孔，如图1所示，最终导致这些价格昂贵的叶片不得不过早报废。
为延长汽轮机叶片的使用寿命，目前采用的修复方法是焊接合金条、等离子堆焊、超音速喷涂、氩弧焊等方法，但以上方法都存在叶片变形比较大、涂层结合力差等问题。
激光熔覆修复技术与等离子体喷涂、等离子堆焊等常规方法相比，用激光作为热源具有对准精度高、光束尺寸可以精确控制的优点，激光熔覆是目前最先进的表面改性技术之一，涂层与基体冶金结合，基体热变形和热效应都比较小。因此，如果将激光熔覆技术进行汽轮机叶片的修补，不仅使得要报废的昂贵零部件得以重新利用，可明显提高零部件的使用寿命，为电厂节省大量资金。由于CO2激光器体积比较大，不能实现现场的原位修复，并且由于汽轮机叶片之间的距离以及汽轮机末级和次末级之间的距离都比较小，现有的激光工作头不能到达修复区域。
发明内容
本发明的目的在于克服了CO2等大型激光器不能到现场实现叶片原位修复的难题，提供了汽轮机汽蚀叶片的激光原位修复方法，本方法解决了激光熔覆技术现场修复存在的难题，能够恢复叶片原有尺寸和达到技术指标要求，实现汽蚀叶片的重新使用。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。该方法是按如下步骤实现的激光器发出的激光束传输至激光工作头，激光工作头通过连接座1与激光器的耦合输出装置连接，在激光工作头内，激光束经过透射镜3汇聚至反射镜8，反射镜8与透射镜3汇聚的光束轴线呈30～60度布置，反射镜8反射出的光束经喷嘴9至汽轮机汽蚀表面，在喷嘴9处安装有送粉装置，通过激光熔覆送粉装置送出的抗汽蚀材料，对汽蚀表面进行修复。
所述的激光器发出的激光束的功率密度为105～106W/cm2，激光束的使用功率为1000～2000W，扫描速度为10～50mm/s。
所述的反射镜8为反射聚焦镜或积分镜。
所述的激光器为YAG固体激光器或半导体泵浦的固体激光器或半导体激光器或光纤激光器。
所述的抗汽蚀材料为Ni-Cr-Co合金粉末材料。
本发明采用激光器发出的光束对汽蚀表面进行修复，激光束在激光工作头内实现转折，使激光束能到达叶片需要修复的位置，实现窄间隙的汽轮机叶片在不拆卸情况下的原位修复。本发明也可用于燃气轮机、风机、水轮机叶片等同类损伤叶片的修复。
图1是汽轮机叶片汽蚀区域针孔的扫描电镜照片图2是激光修复汽轮机叶片所用激光头的示意3是激光修复汽轮机叶片汽蚀针孔熔合状态的扫描电镜照片图4是激光修复汽轮机叶片熔覆层与基体结合界面的扫描电镜照片图中1、连接座，2、冷却水路，3、透射镜，4、外套管，5、内套管，6、保护气体，7、冷却通道，8、反射聚焦镜，9、喷嘴。
具体实施例方式
下面结合附图详细说明本实施例。
由于汽轮机叶片之间的距离以及汽轮机末级与次末级之间的距离很小，普通的激光工作头不能实现熔覆，因此在激光工作头中采用了光路转折、二次聚焦技术，实现了激光工作头能够到达修复位置，如图2所示。该激光工作头通过连接座1与激光器的耦合输出装置连接，通过冷却水路2实现对ZnSe材料制作的透射镜3的冷却，透射镜3实现激光束的初次汇聚，激光头的长短距离可调，依靠外套管4和内套管5实现伸缩，保护气体6防止在激光熔覆时杂物进入激光工作头，紫铜材料制作的反射镜8与透射镜3汇聚的光束轴线呈45°角布置，反射镜8实现光束的再次汇聚和变换，反射镜8可以为反射聚焦镜或积分镜，采用反射聚焦镜可得到圆形光斑，采用积分镜可得到线条状光斑，镜片的互换性好，可以实现反射聚焦镜和积分镜之间的互换，在激光大面积激光熔覆时使用积分镜，在进行缺损尺寸的激光成型时使用反射聚焦镜，光束反射方向的改变可以沿激光工作头轴线旋转反射镜来实现，冷却通道7实现反射镜8的冷却，在喷嘴9处安装送粉系统。
激光原位修复所采用的是固体激光，为了将汽蚀针孔与熔覆材料实现较好的熔合获得无缺陷的涂层，需选择合理的工艺参数，激光束功率密度为105～106W/cm2，固体激光的使用功率为1000～2000W，扫描速度为10～50mm/s，采用的激光束可以为经过反射聚焦镜得到的圆形光斑或者经过积分镜变换的线条状光斑。圆形光斑用于激光成型，以适应叶片尺寸的要求，而将圆形光斑经过积分变换成线条状光斑用于大面积的激光修复，提高工作效率。
激光器可以为YAG固体激光器或半导体泵浦的固体激光器或半导体激光器或光纤激光器。
本实施例中选用YAG固体激光器，YAG固体激光器在运输途中设置减震装置，以免影响激光器的光路系统。将便携式高功率YAG固体激光器运输到工作现场，放置在靠近需要大修的汽轮机转子的中间位置。YAG固体激光的激光束耦合进入光纤，通过光纤传输，光纤长度大约在10～15m左右，光束的耦合输出进入激光工作头，将激光工作头安装在六轴机器手上，通过六轴机器手实现激光工作头的运动。
将汽蚀损伤叶片的表面进行打磨处理，并用酒精或丙酮进行擦洗。根据需要修复的汽轮机叶片的位置，选定工作区域。调整机器手使得激光工作头进入可以实现工作的位置。根据叶片汽蚀损伤的具体情况，如损伤的面积、尺寸及汽蚀深度，进行机器手运动的编程以及激光熔覆修复工艺参数的选择。由于每个叶片发生汽蚀的情况不同，在进行修复时都要编制不同的工艺参数。激光束功率密度大体为105～106W/cm2，激光的使用功率为1000～2000W，扫描速度为10～50mm/s，采用的激光束为圆形光斑或者经过积分镜变换的线条状光斑。
激光修复时采用同步送粉方式，为提高修复表面的抗汽蚀能力，激光修复所用的材料为Ni-Cr-Co合金粉末材料，涂层与基体之间为冶金结合，涂层厚度根据汽蚀情况，对于叶片缺损比较大的部位实现激光成型方式。
激光熔覆后采用传统的机械打磨抛光工艺，恢复叶片原有的尺寸。
实验表明该方法修复速度快，能够缩短检修时间，该修复工艺可实现汽轮机末级叶片和次末级叶片的修复，激光修复合金层与叶片基体之间为冶金结合，叶片汽蚀区域存在的针孔与涂层有较好的熔合，并且有良好的界面状态，如图3、4所示，固体激光熔覆所用的使用功率为1500W，扫描速度为30mm/s，修复区晶粒细小，叶片无变形、裂纹、夹杂等缺陷。Ni-Cr-Co合金为抗汽蚀材料，抗汽蚀性比叶片的基体材料提高了2倍。
权利要求
1.汽轮机汽蚀叶片的激光原位修复方法，其特征在于，该方法是按如下步骤实现的激光器发出的激光束传输至激光工作头，在激光工作头内，激光束经过透射镜(3)汇聚至反射镜(8)，反射镜(8)与透射镜(3)汇聚的光束轴线呈30～60度布置，反射镜(8)反射出的激光束经喷嘴(9)至汽轮机汽蚀表面，在喷嘴(9)处设置有送粉装置，通过激光熔覆送粉装置送出的抗汽蚀材料，对汽蚀表面进行修复。
2.根据权利要求1所述的汽轮机汽蚀叶片的激光原位修复方法，其特征在于，所述的激光器发出的激光束的功率密度为105～106W/cm2，激光器发出的激光束的使用功率为1000～2000W，扫描速度为10～50mm/s。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的汽轮机汽蚀叶片的激光原位修复方法，其特征在于所述的反射镜(8)为反射聚焦镜或积分镜。
4.根据权利要求1所述的汽轮机汽蚀叶片的激光原位修复方法，其特征在于所述的激光器为YAG固体激光器或半导体泵浦的固体激光器或半导体激光器或光纤激光器。
5.根据权利要求1所述的汽轮机汽蚀叶片的激光原位修复方法，其特征在于所述的抗汽蚀材料为Ni-Cr-Co合金粉末材料。
全文摘要
本发明涉及汽轮机汽蚀叶片的激光原位修复方法，属于激光加工技术领域。该方法是按如下步骤实现的激光器发出的激光束传输至激光工作头，在激光工作头内，激光束经过透射镜(3)汇聚至反射镜(8)，反射镜(8)与透射镜(3)汇聚的光束轴线呈30～60度布置，反射镜(8)反射出的激光束经喷嘴(9)至汽轮机汽蚀表面，在喷嘴(9)处设置有送粉装置，通过激光熔覆送粉装置送出的抗汽蚀材料，对汽蚀表面进行修复。本发明采用激光器发出的光束对汽蚀表面进行修复，激光束在激光工作头内实现转折，使激光束能到达叶片需要修复的位置，实现窄间隙的汽轮机叶片在不拆卸情况下的原位修复。
文档编号B23K101/00GK101073858SQ20071011894
公开日2007年11月21日 申请日期2007年6月15日 优先权日2007年6月15日
发明者杨胶溪, 李强, 于振声, 闫婷 申请人:北京工业大学