汽輪機主軸模擬實驗件等離子堆焊修復工藝研究

　　隨著電廠數量的增加、單機容量和參數的不斷提高，機組的維護、修復日趨復雜重要。作為汽輪發電機組心臟部件一汽輪機轉子，因其運行精度高，運行速度快，制造成本高，一旦損壞，直接導致整個機組輸出功率下降甚至癱瘓，成為電廠修復工作的重中之重。針對汽輪機轉子軸頸常見的磨損缺陷，技術人員曾采用熱噴涂、氫弧焊等多種工藝進行修復，但效果均不能令人滿意。最近國外也有應用激光熔覆工藝修復發電機轉子軸頸的報道，但因其昂貴的修復成本，在國內應用有一定困難。目前，國內進行軸件修復的方法主要有：車削法、電鍍法、熱噴涂法和電極焊法。車削法可靠、表面精度高，但是，車削后軸件尺寸變小，工期長，費用高，現場處理難度大且對軸的強度有所削弱；電鍍法的鍍層結合強度較低、耐磨性差，鍍層的鍍厚能力有限且容易脫落，熱噴涂法和電極焊法雖然修復層的結合強度較高，但是變形大，不適合大面積修復。在目前各類堆焊方法中，等離子堆焊的稀釋率是最低的，且等離子弧具有溫度高、熱量集中、穩定性好和可控性等優點，其堆焊層與軸件是冶金結合，結合強度高，不會出現脫落、起皮現象，更耐磨，從而延長軸件的使用壽命。
　　等離子堆焊技術是20世紀60年代出現的一種進行表面防護與強化的熱堆焊技術，屬于表面強化領域技術，它以等離子弧為熱源，以一定成分的合金粉末作為填充金屬的特種粉末堆焊工藝，具有施工效率高、稀釋率低、堆焊材料范圍廣、成本低等優點。因此，近年來其技術和生產應用發展很快，現已廣泛應用于航空、石化、機械等領域。34CrNi3Mo是機械制造行業內應用十分廣泛的重要材料之一，具有良好的塑性、韌性、耐磨性、耐蝕性和一定的熱抗性，一般用于生產葉輪大鍛件，如發電機轉子和汽輪機轉子等。轉子的軸尺寸較大且受力情況較復雜，常在高溫、高負荷的惡劣條件下工作，極易發生磨損、蝕坑、溝槽等損傷情況，如因這些微小缺陷而報廢整個零部件，損失將很大。本文通過研究34CrNi3Mo鋼模擬實驗件的等離子堆焊修復工藝，以期對汽輪機轉子主軸修復方面提供借鑒。
　　
　　1　實驗過程及方法
　　1.1軸件磨損分析
　　研究表明汽輪機主軸的破壞主要以磨損為主。造成磨損的原因主要有：(1)軸類部件裝配時都要采用一定的過盈配合。由于長時間的使用，致使該配合松動，產生撞擊，從而造成軸的磨損嚴重；(2)由于軸油中殘存的機械雜質或硬質顆粒超標造成的，還有某些突發事故，如電機運行中發生“抱軸”現象同樣會對軸造成嚴重磨損。磨損的結果造成了軸件表面出現厚度和形狀不同的凹痕。基于以上分析，擬采用等離子堆焊技術在軸件表面形成一層合金層來填補凹痕，從而達到修復的目的。同時，通過調整合金粉的成分，還可進行軸件的表面強化，從而延長軸件的使用壽命。
　　1.2堆焊試件
　　采用真實工件進行試驗研究不現實，故采用了模擬試件方案。在34CrNi3Mo鋼模擬軸件上用機械方法車出一系列溝槽，如圖1所示，用該溝槽模擬實際轉子主軸的各種磨損損傷。
　　1.3堆焊所用的材料
　　在軸件修復時，如果僅僅是對表面平整度的修復則可以選擇與軸件相同的材料。如果為獲得性能更好的修復層即需要進行強化時必須選擇合適的合金粉末。實驗選用鐵基合金粉對軸件進行等離子修復以獲取高性能修復層，提高軸件使用壽命。主軸及合金粉的具體成分如表1，2所示。
　　因為鐵基合金不但具有一定的硬度，而且造價便宜，與基體的熱膨脹性差別不大。因此，選鐵基合金為堆焊材料，由此可獲得的焊層有良好的耐磨性，使合金層的硬度大大提高，進而提高了軸件抵抗磨損的能力。
　　1.4等離子堆焊設備及堆焊工藝參數選擇
　　
　　等離子堆焊設備為型號DR-500堆焊機，離子氣和送粉氣采用工業純氬，工藝參數為：轉移電壓40V-45V；轉移電流150A～180A；送粉電壓15V；行走電壓20V；噴焊距離12mm～15mm；焙敷率，單位時間焙敷合金量為9～10kg／h；離子氣流量0.8L／min；送粉氣流量0.8L／min；氬氣壓力0.5MPa；沖淡率5％～10％；噴槍移動速度30mm／s。等離子噴焊后在空氣中自然冷卻。
　　2　實驗結果與分析
　　2.1等離子堆焊層的檢測方法
　　2.1.1試樣制備
　　將模擬實驗件的堆焊試樣，沿成形件橫截面(垂直激光掃描方向)和縱截面(平行激光掃描方向)制取金相組織試樣，在試樣表面進行磨削加工，然后用金相砂紙研磨和金剛石拋光膏拋光。用王水(濃鹽酸和濃硝酸的體積比為1；3)、硝酸酒精、氫氟酸溶液等進行組織腐蝕，在金相顯微鏡下觀察內部組織及致密性。
　　2.1.2金相組織測試方法
　　采用KeyenceVH-8000數字金相顯微鏡對堆焊試樣進行觀察，分析其內部組織及致密性。對各試樣成分進行EDAX能譜分析，測定堆焊層成分組成。
　　等離子弧堆焊技術試樣的顯微組織，如圖2示，等離子弧堆焊修復工藝是高溫加工，必定會對基體表層產生熱影響，等離子堆焊的熱影響區由回火馬氏體加少量粒狀貝氏體形成，是混合狀馬氏體，呈體心立方結構，有位錯亞結構，組織形態為板條和片狀。馬氏體相變會造成晶體內大量微觀缺陷，高密度的錯位和層錯、大量精細攣晶，大量界面，使馬氏體強化和硬化；如圖4所示，等離子堆焊合金層熔覆區(結合區)是合金層和基體之間的明顯白亮帶，白亮帶邊緣曲折，部分呈齒牙狀，說明在等離子弧高能熱源作用下，堆焊合金層中的元素和基材之間的元素濃度梯度大，擴散作用強，在形成熔池的過程中，元素相互強烈擴散，在凝固后形成了良好的冶金結合。在熔合區附近，組織由奧氏體和萊氏體組成，已形成一定的枝晶。由圖3知，等離子堆焊合金層組織具有快速凝固時亞共晶的枝晶生長特征，堆焊合金層在冷卻過程中先析出技狀晶，在繼續冷卻過程中，由于已形成的枝晶主干之間存在溫度梯度和質量濃度起伏，所以又沿枝晶主干生成二次晶，由于近熔合區溫度梯度較大，形成的一次晶主干很短，表現出等軸狀枝晶特征。從圖4可看出，修復層和基體之間的結合屬冶金結合，結合強度高，不會出現脫落、起皮現象，因此軸件經等離子堆焊修復后更耐磨，使用壽命延長。
　　2.1.3等離子堆焊層顯微硬度檢測方法
　　在維氏硬度計上進行硬度測試(HV500／15s)，用Philips掃描電鏡和KeyenceVH-8000數字金相顯微鏡觀察表面形貌。硬度值取點從堆焊層表面沿縱截面縱深方向直線取點，在堆焊層表面每隔2mm取一個點，在堆焊層和基體層的結合界面每隔0.2mm取一個點，在基體層每膈2mm取一個點。
　　圖5為等離子弧堆焊層堆焊Fe-Ni合金試樣顯微硬度分布。離子弧堆焊Fe基合金堆焊層的平均硬度為390HV，而在基體層的位置平均硬度為240HV左右，從前面的金相組織分析可知，等離子弧堆焊層組織是奧氏體和萊氏體，堆焊層表層奧氏體少，從堆焊層到基體的縱深方向奧氏體逐漸增多，直至基體層的鐵素體。
　　3　結語
　　通過對材質為34CrNi3Mo鋼的汽輪機主軸實驗件堆焊修復，證明了等離子堆焊技術可以完全勝任大軸軸頸部分的修復。在修復過程中，對堆焊層和基體進行金相組織分析和硬度分析，結論證實，堆焊層強度大于基體，且為冶金結合，提高了主軸的抗磨損能力，為以后推廣等離子堆焊工藝修復火電廠汽輪機轉子主軸磨損件提供了理論和實踐支