基于激光熔覆技术的空心转子外径磨损修复工艺研究

引言:

在电力、冶金、化工等工业领域，旋转机械作为关键动力设备，其运行稳定性直接影响生产效率与安全。空心转子作为旋转机械的核心部件，承担着传递扭矩、平衡载荷的重要作用，其外径表面长期与轴承、密封件等配合件接触，在高速旋转、交变载荷及恶劣工况（如粉尘、腐蚀介质）作用下，易发生磨损、划伤等失效现象。据统计，因转子外径磨损导致的设备停机故障占旋转机械总故障的 35% 以上，不仅造成巨大的经济损失，还存在严重的安全隐患。

一、实验材料与方法

1.1 实验材料

实验所用空心转子基体材料为 45 钢，其化学成分（质量分数）为： C0.42%～0.50% ，Si 0.17%～0.37% ，Mn 0.50%～0.80% ， Cr⩽0.25% ， Ni⩽0.30% ， P⩽0.035% ， S⩽0.035% ，余量为 Fe。基体原始硬度为HV220，抗拉强度为 600MPa。根据转子工作工况对耐磨性、耐腐蚀性的要求，选用镍基合金粉末作为熔覆材料，其化学成分（质量分数）为： Ni65% ，Cr 18% ，Fe 8% ，Si 4% ， 183% ， C% ，粉末粒度为 50～150μm ，流动性良好，松装密度为 4.5g/cm³ 。

1.2 实验设备

激光熔覆实验采用 IPG YLR-4000 型光纤激光器，最大输出功率 4000W，波长 1064nm ，光斑直径可调节范围为 0.5～3mm ；送粉系统采用 PRECITEC CLAD300 型同步送粉器，送粉速率调节范围为5～50g/min ；采用六轴联动机器人实现激光头与工件的相对运动，定位精度 ±0.01mm 。为防止熔覆过程中金属熔化区氧化，采用纯度 99.99% 的氩气作为保护气体，流量控制在 15～25L/min, 。

检测设备包括：OLYMPUS GX71 型金相显微镜，用于观察熔覆层微观组织；HVS-1000 型维氏硬度计，测试熔覆层硬度，加载力 1000g ，保压时间 15s；Instron 5969 型万能材料试验机，测试熔覆层与基体的结合强度；Talysurf CCI MP 型白光干涉仪，测量表面粗糙度；X-ray 应力仪，检测熔覆层残余应力；自制旋转疲劳测试台，评估修复后转子的疲劳性能。

1.3 实验方法

首先对空心转子磨损表面进行预处理：采用砂纸打磨去除表面氧化皮与油污，再用无水乙醇超声清洗 15min，干燥后采用线切割加工出标准磨损试样（尺寸为Φ 50mm×100mm ，磨损深度 0.5～lmm^′ ）。采用正交实验法优化激光熔覆工艺参数，选取激光功率（1500W、1800W、2100W）、扫描速度（ 3mm/s 、5mm/s、 7mm/s ）、送粉速率（10g/min、 15g/min 、 20g/min ）为影响因素，每个因素设 3 个水平，共 9组实验，以熔覆层结合强度、硬度均匀性及表面平整度为评价指标。熔覆过程中，激光光斑直径固定为 2mm，搭接率 50% ，保护气体流量 20L/min 。熔覆完成后，对试样进行无损检测（渗透探伤），观察是否存在裂纹、气孔等缺陷；选取典型试样进行金相制样，经打磨、抛光后用 4%硝酸酒精溶液腐蚀，观察熔覆层与基体的界面组织；在熔覆层横截面上均匀选取 5 个点测试硬度，取平均值；采用拉伸试验法测试结合强度（试样为“狗骨”型，熔覆层位于拉伸截面中心）；通过三坐标测量仪检测修复后外径尺寸精度；最后对修复后的完整转子进行疲劳性能测试，实验条件为转速 3000r/min ，交变载荷 500MPa，记录疲劳寿命。

二、结果与分析

2.1 工艺参数对熔覆层质量的影响

2.1.1 激光功率的影响

激光功率是影响熔覆层质量的关键参数。当激光功率为 1500W 时，由于能量不足，粉末熔化不充分，熔覆层与基体界面存在未熔合缺陷，结合强度仅为 220MPa，且表面粗糙度较大（ Ra=3.2μm ）；当功率增至 1800W 时，粉末完全熔化，基体表面形成均匀的熔池，界面处实现良好冶金结合，无明显缺陷，结合强度提升至 320MPa；当功率进一步增至 2100W 时，过高的能量导致基体过度熔化，熔池深度增加，热影响区（HAZ）宽度达 0.8mm ，且熔覆层表面出现烧损、气孔等缺陷，结合强度反而下降至 280MPa，因此，适宜的激光功率可保证熔覆层与基体的良好结合，避免缺陷产生。

2.1.2 扫描速度的影响

扫描速度决定了激光与材料的作用时间。当扫描速度为 3mm/s 时，作用时间过长，热输入量过大，熔覆层晶粒粗大，硬度分布不均（HV320~HV450），且易产生裂纹；当扫描速度为 5mm/s 时，熔覆层组织细密均匀，硬度稳定在 HV360~HV390，平均 HV380，表面平整度良好；当扫描速度增至 7mm/s时，作用时间过短，熔覆层厚度不均匀（最小 0.3mm ，最大 0.8mm ），且易出现搭接不良现象，影响尺寸精度。因此，中等扫描速度更有利于获得高质量熔覆层。

2.1.3 送粉速率的影响

送粉速率直接影响熔覆层厚度与成分。当送粉速率为 10g/min 时，熔覆层较薄（平均厚度 0.4mm ），难以满足磨损修复的厚度要求；当送粉速率为 15g/min 时，熔覆层厚度均匀（平均 0.7mm ），与基体匹配性好，无夹杂缺陷；当送粉速率为 20g/min 时，粉末堆积过多，部分粉末未完全熔化，导致熔覆层内部出现气孔、夹杂，硬度降至 HV320 。因此，送粉速率需与激光功率、扫描速度相匹配，以保证粉末充分熔化与熔覆层质量。

2.2 熔覆层微观组织分析

在最优工艺参数下，熔覆层与基体界面呈现清晰的冶金结合特征。熔覆层区域组织为细小的树枝晶与共晶组织，晶粒尺寸约 5～10μm ，这是由于激光快速熔化与凝固导致的细化效应；界面过渡区宽度约 50～80μm ，无明显成分偏析，元素分布均匀，说明实现了良好的元素扩散与冶金结合。

2.3 熔覆层力学性能

2.3.1 硬度分布

熔覆层硬度从表面到基体呈现梯度变化，表面硬度最高（HV390），向内部逐渐降低，在界面处降至 HV300，基体硬度为 HV220。硬度梯度变化平缓，无突变现象，说明熔覆层与基体结合良好，可有效避免应力集中导致的剥落问题。平均硬度 HV380，较基体提高 72.7% ，显著增强了转子表面的耐磨性。

2.3.2 结合强度与残余应力

熔覆层与基体的结合强度达320MPa，高于热喷涂涂层（ ⩽50MPa ），接近堆焊层水平（300~400MPa），满足转子高载荷工况的使用要求。残余应力测试结果显示，熔覆层表面为压应力 (-150MPa), ），这有利于提高转子的疲劳性能，抑制裂纹扩展。

2.4 疲劳性能测试

修复后的空心转子在疲劳测试台上运行至 10⁷次循环未发生断裂，远高于行业标准要求的 5×10⁶次。与原新品转子（疲劳寿命 1.1×10⁷次）相比，修复后转子使用寿命达原新品的 90% 以上，验证了激光熔覆修复技术的可靠性。

结语：

本研究验证了激光熔覆技术修复空心转子外径磨损的可行性与可靠性，通过工艺参数优化可实现高质量修复，为旋转机械核心部件的高效再制造提供了理论依据与实用技术方案，推动了激光熔覆技术在工业修复领域的产业化应用。

参考文献:

[1] 王华明. 高性能金属构件激光增材制造研究进展[J]. 中国科学:技术科学, 2015, 45(1):1-14.

[2] 陈静, 李涤尘, 卢秉恒. 激光熔覆层质量影响因素及控制方法研究进展[J]. 中国表面工程,2017, 30(3):1-12.