激光熔覆技術研究進展及其在鍋爐水冷壁管上的應用

岳 鵬

（粒子輸運與富集技術重點實驗室，天津市 300180）

1 概述

電廠在經營生產過程中普遍會面臨磨損這一問題，屬于經濟與安全范疇。磨損會使電廠承受大量經濟損失，同時也可能誘發水冷壁爆管，進而出現非正常停爐事件，造成安全事故。據統計，所有停爐事件中大約有50%是因為磨損導致的，這對循環流化床的進步與推廣造成阻礙，不利于其實現高參數、長期安全、大容量發展要求。

2 激光熔覆技術的研究現狀與發展趨勢

激光熔覆技術自誕生后持續發展，其系統也在不斷完善。以1990年為界，此前針對激光熔覆開展的研究主要涉及激光熔覆性能與技術、熔覆層微觀組織結構與缺陷、熔覆基體與材料在工藝參數作用下的變化及其實踐運用。而此后的研究內容主要集中在激光熔覆的模型與基礎理論、熔覆階段重要參數檢測、專用材料研制、快速制造技術、高效送粉裝置、新型材料制備等。

2.1 國內研究進展

激光熔覆技術在中國的研究始于1990年后，并逐漸獲得學者們的關注，成為熱點話題，現階段研究的深度在不斷加深，與此同時范圍被進一步拓寬。王云山等在激光熔覆溫度場測試中對CCD 紅外檢測技術進行充分運用，此外針對激光熔覆開展了同軸送粉器的研究，取得良好成果。孫榮祿等結合激光熔覆技術對耐磨涂層制作開展研發工作，成功獲得NiCrBSi涂層，并在此基礎上完成微區物、顯微組織探討，結果表明此涂層對零件耐磨性的強化有積極意義。圍繞激光熔覆工藝參數的研究中，經多個單位共同努力，已經獲得了一定成果，如華中科技大學、北京工業大學、北京工業大學等。此外還有鐘敏霖等清華大學學者。香港理工大學學者探討合金組織因激光熔覆階段增加特定元素產生的變化，詳細有，運用激光熔覆工藝于7075鋁合金表面完成CuO+Al+SiO2涂層制作，在此過程中有Al2O3成分出現于熔覆層內，同時還討論了Al2O3成分出現受到元素Si 的具體影響。北京航空航天大學王華明教授對熔覆層厚度、硬度、加工質量受到激光熔覆掃描速度的影響進行詳細分析，結果顯示熔覆層硬度與激光掃描速度成正比，而與厚度之間呈反比關系，當速度提高后顯微組織變得更加細化。北京航空航天大學王華明研究金屬基復合涂層制作中加入激光熔覆，對優化表面機械性能的效果，結果表明有助于Ti2Ni3Si/Ni3Ti 涂層強化耐腐蝕、耐磨性以及顯微組織硬度。國立臺灣大學K.A.Chiang 等，詳細分析WC 合金與鎢鉻鈷合金熔覆層在激光熔覆作用下成分以及顯微組織特性。香港理工大學T.M.Yue，K.J.Huang 等，對激光熔覆進行有效運用，并與鋁合金加以聯合，最終完成Al2O3制備，且具備較好的晶界與微觀組織。香港理工大學T.M.Yue，Y.P.Su 等將多樣的金屬材料涂層于Mg 表層進行熔覆，對對應機械性能做全面分析，舉例分析了Zr65Al7.5Ni10Cu17.5熔覆層于Mg 表層進行熔覆，并完成耐腐性、顯微硬度以及耐磨性探討。大連理工大學高亞麗等也開展了類似研究，具體對象是Al-Si合金熔覆層，與無定型組織Mg 表層進行有機聯合實施熔覆操作，分析耐腐性、顯微硬度以及耐磨性。

2.2 國外研究進展

國外先于中國進行了激光熔覆技術研究，具體時間大概在10年上下，起步于1980年后，主要國家有：歐洲，如德國、英國、法國等，美國以及亞洲的日本、澳大利亞等。

基于物理性質圍繞激光熔覆技術，英國利物浦大學、葡萄牙先進技術研究所等機構開展了基礎性研究。瑞士的S.Niederhauser，B.Karlsson 等人在金屬基復合涂層制備過程中運用了激光熔覆作用，目的是加強表面機械性能，舉例基于鋼表層進行Co-Cr 熔覆層制作，對優化鋼硬度、壽命與抗拉強度有積極意義。荷蘭格羅寧根大學V.Ocelik，D.Matthews 等學校、夫朗和佛光束技術研究所、德國克勞斯特爾大學等機構均對激光熔覆技術加以運用，并完成了不同涂層的制備，包括SiC/Al-8Si、TiB2/Ti-6A1-4V、WC/Ti-6Al-4V 等，結果表明其滑動摩擦性能比基體材料有了較大提升；一些科研機構針對激光熔覆對工具、零件的性能恢復展開分析，包括西班牙中央冶金研究所、英國利物浦大學等。意大利Edoardo Capelloand Barbara Previtali研究表示，脈沖寬度與功率是導致改變修復形狀精度的最重要因素，并開展了實驗為有效修復沖模損傷表面運用激光熔覆技術。R.Jagdheesh 等人就激光熔覆時存在的殘余應力、顯微裂紋相關內容做具體分析。舉例有，利用熔覆技術將Si 在不銹鋼表層進行熔覆操作，基于激光光斑直徑恒定條件，覆層微觀組織受到激光功率、掃描速度等影響不顯著，而如果功率密度在25 W/mm2之下，則此時熔覆層有較高的可能性會出現顯微裂紋。荷蘭格羅寧根大學U.de Oliveira，V.Ocelik 等學者，圍繞Co 基熔覆層測試其殘余應力，其中運用的技術是X 射線同步衍射技術。英國J.Dutta Majumdar，A.Pinkerton 關于熔覆層擁有的電化學性質，實施316L 不銹鋼涂層多層熔覆，對二極管激光熔覆做了充分運用，在此之上，詳細分析了獲得產物的電化學性能以及顯微硬度。美國不同高校也對激光熔覆技術進行了探索，包括田納西大學、密歇根大學，研究內容涉及利用激光熔覆依托鋁基材完成銅合金制備、依托TiB2完成耐磨涂層制備、激光熔覆沖壓模具與耐磨工具等。

針對激光熔覆亞洲學者也進行了系列性的分析，例如：新加坡南洋理工大學依托激光熔覆技術，完成制備金屬基復合材料涂層。日本三菱、豐田、尼桑等企業充分將零件中加入激光熔覆，分析零件機械性能優化。名古屋大學Guojian Xu，，Munaharu Kutsuna等人，圍繞激光熔覆技術展開分析，在WC 合金與鎢鉻鈷合金熔覆層制備過程中結合了碳鋼JIS-SM400B表面，并運用了多樣化的手段：化學成分成梯度分布（FGMMLC）、化學成分不變（CCCMLC），結果表明在顯微裂紋敏感性方面，后者高于前者。澳大利亞斯溫伯恩理工大學S.Sun，Y.Durandet 等人，對激光熔覆進行研究，并探討裂紋與稀釋率受到熔覆搭接率和激光功率的影響，結果顯示分別為18、25 J/pulse 的激光脈沖能量，40 Hz 的激光脈頻率以及89%熔覆搭接率狀態下，稀釋率約為4%，達到最低。搭接率與裂紋出現幾率呈反比關系。澳大利亞D.Salehi，M.Brandt 在激光熔覆時采用LabView 系統對Nd：YAG 實施控制與檢測，確定對應的熔池溫度，發現熔覆層材料稀釋率削弱。

通過以上研究可以發現，國際領域圍繞激光熔覆技術展開的相關研究中，主要集中在熔覆層缺陷與性能、微觀組織結構、殘余應力與顯微裂紋控制、激光熔覆專用設備、微觀金相分析、激光熔覆重要參數檢測等。與此同時還有，最近幾年比較流行的各類材料涂層熔覆于無定性組織的金屬Mg 合金表層及對應的機械性能研究。

2.3 當前問題與發展趨勢

目前針對激光熔覆等相關研究存在的主要局限是不同基本材料的熔覆材料會存在差異，在制備熔覆層后定性研究熔覆層的耐磨性和耐腐性，顯微組織和顯微硬度等，這些性能均得到了提高。加工激光熔覆時針對不同的熔覆材料激光功率工藝參數以及激光掃描速度等進行針對性選用，在完成熔覆層制備之后，展開具體的對比分析，最后針對特定熔覆材料確定最合適的激光熔覆工藝參數。針對關鍵工藝參數如功率分布、熔覆材料特性、激光掃描速度等展開多次實驗，最終確定最合理的參數。目前針對激光熔覆參數作用機理展開研究的相對不是很多，需要展開針對性的定量分析和定性分析，由此更好地提取激光熔覆的系統信息，實現信息的有效融合。對國內外激光熔覆的研究現狀進行應用，通過先進制造技術的引導，實現激光熔覆加工質量的全面提高。要在理論研究的同時做好實驗論證，同步推動技術研究和應用研究的發展。針對激光熔覆的工業化應用展開的研究如下。

2.3.1 激光熔覆復雜耦合信息作用規律及調控方法

激光熔覆工藝涵蓋的信息較為復雜，包括零部件、設備以及工藝等。對該技術工藝進行研究與應用時，需要對相關核心因素做綜合考慮，如激光功率、激光掃描速度、熔覆材料特性以及搭接率等。激光熔覆的理論技術基礎是耦合信息的復合作用規律及調控方法。

2.3.2 優化激光熔覆控制系統

激光熔覆工藝能夠進行產品的高效性制備，主要是由于該工藝具有較強的信息捕捉能力和統籌能力。對激光熔覆工藝的信息捕捉與處理過程進行研究分析，從激光熔覆的復雜信息作用機理出發，實現復雜信息處理機制的完善構建。針對激光熔覆工藝制定相應的優化模型，通過模型對激光熔覆存在的組織不均勻、殘余應力等相關問題進行妥善處理，進一步優化激光熔覆過程的質量和精度，意義重大。

2.3.3 激光熔覆加工的定量控制

定性研究多元復雜耦合信息的作用機制和調控機制，針對激光熔覆工藝展開具體的定量研究，由此使得激光熔覆的高質量加工和穩定加工能夠具有一定的技術支撐。

3 水冷壁管熔覆層制備工藝與方法

水冷壁管道熔覆層制備對高密度激光束進行應用，在鍋爐水冷壁管外部熔覆陶瓷和金屬的復合材料，在熔覆過程中要對外表面的厚度進行精準把控，對高質量冶金進行利用。冷卻系統、激光系統等屬于常見的激光熔覆工藝系統。

以下是常用的水冷壁管熔覆層技術指標：

（1）熔覆層與基體達到冶金結合，基體元素與熔覆層元素實現擴散與融合，孔隙率≤0.1%。熔覆層厚度500～3000 μm，厚度可調可控，表面顯微硬度高于850 HV。熔覆層的氧化增重量在溫度低于800 ℃時比水冷壁管母材的相應值更低。

（2）在鍋爐水冷壁典型工況條件下，熔覆層的耐磨損性能為水冷壁管基體的2.5倍以上。一般采用磨損試驗數據進行壽命評估，也可通過電廠實際運行一段時間后熔覆層的減薄情況預測壽命。

（3）高溫耐磨熔覆材料使用較多的是金屬和陶瓷的復合材料，通過復合材料的使用，使得熔覆層具有了較好的導熱性、韌性和硬度。針對不同熔覆材料組份對不同的金屬材料進行針對性的優化設計，針對爐膛的不同部位進行一種復合材料的針對性設計，全面提高水冷壁管的高溫耐磨性和運行可靠性，由此更好地滿足運行要求。

利用15CrMoG 材質制作鍋爐水冷壁管，主要是由于這種材質有著較低的含碳量，同時有著較好的韌性、塑形、強度、焊接性以及冷熱成型性，但是不足之處是整體耐磨性不是很好。

耐磨涂層是通過常規電弧噴涂工藝進行制備的，通過涂層與基底的有機結合形成耐磨涂層，耐磨涂層的強度在10～50 MPa 之間，整體有著較低的強度。涂層厚度比激光熔覆層更低。爐膛內部在受到交變熱應力和高溫沖蝕時，可能會出現脫落等情況，整體防磨性能相對有限。

激光高能束熔覆技術能夠精準地進行熱輸入控制，有著較好的稀釋率、可控性和較小的熱機變性。通過該技術制備的熔覆層，不會出現氣孔以及裂縫等現象，整體組織分布和厚度都較為均勻，具有其他噴涂技術不具備的應用優勢。在鍋爐水冷壁管表面進行激光熔覆層的制備，通過對基體冶金的結合應用，可以對熱噴涂技術制備的涂層容易出現脫落等相關問題進行妥善處理。選用的激光器輸出功率和波長分別是2 kW、0.8 μm，使用的熔覆材料是陶瓷和金屬的混合物。在熔覆期間能夠對鍋爐管轉動速度、送料速度等進行精準控制，由此使得熔覆材料能夠對激光束能量進行吸收之后，在水冷壁管外表面實現均勻熔融。熔池在熔覆期間會出現高溫反應，經過冷卻處理制作的鉻基陶瓷-金屬熔覆層具有較強的耐磨性和耐高溫性。熔覆層對多道搭接制備形式進行應用，熔覆寬度、厚度、結合強度分別是5 mm，1 mm，155 MPa。

制備的水冷壁管耐磨熔覆層的顯微厚度超過900 HV。可以針對熔覆層利用磨損實驗機展開具體的磨損特性實驗，如摩擦磨損、磨粒磨損等。通過研究發現熔膜層相對于金屬水冷壁光管有著更強的耐磨損性，預估耐磨損壽命會相對延長5年以上。

4 結論

燃煤電廠鍋爐的水冷壁管易發生飛灰引起的高溫沖蝕磨損，所造成的停運甚至爆管事故會造成電廠巨大的經濟損失。激光熔覆技術主要依托高能密度激光束，對熔覆材料進行輻照加熱，使得基材表面薄層與熔覆材料一起被熔化且以極快的速度再次凝固，構成熔覆層附著于基體表面，其具備的特征是冶金結合、組織結構緊密。合理選擇熔覆材料如某些金屬—陶瓷復合材料，配合適當的激光設備參數和加工工藝，可以有效獲得耐磨熔覆層，這有助于優化高鍋爐水冷壁管耐腐蝕以及耐磨性能。此外，拓寬激光熔覆層研究的深度與廣度，對優化激光熔覆技術有積極意義，包括耐磨耐腐蝕性、顯微硬度與結構、傳熱特性、組織等，在工程應用領域也具有極高的科學與經濟價值。