王茂才：燃汽輪機(jī)激光增材再制造

2020年8月20日-21日，中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇暨2020年中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)年會(huì)在安徽蕪湖市舉行，此次年會(huì)由工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心、安徽省經(jīng)濟(jì)和信息化廳、蕪湖市人民政府指導(dǎo)，中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟主辦，繁昌縣人民政府協(xié)辦，南極熊作為支持媒體對(duì)本次會(huì)議進(jìn)行了直播。

△中科院金屬所研究員 王茂才

在“中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇”上，中科院金屬所研究員王茂才發(fā)表主題演講，題目是《燃汽輪機(jī)激光增材再制造》，以下是本場(chǎng)演講的現(xiàn)場(chǎng)速記，經(jīng)大會(huì)組委會(huì)授權(quán)發(fā)布。

△視頻：王茂才《燃汽輪機(jī)激光增材再制造》


王茂才（中科院金屬所研究員）：大家下午好，我們今天報(bào)告咱們一起交流的非常好。
這個(gè)是燃?xì)廨啓C(jī)，是我們今天大家交流的內(nèi)容，我們?yōu)槭裁粗v燃汽輪機(jī)，燃汽輪機(jī)發(fā)電，我們的電每天離不開(kāi)，我們現(xiàn)在通過(guò)燃?xì)獍l(fā)電，既清潔效率又高，燃?xì)獍l(fā)電和汽輪機(jī)發(fā)電、鍋爐發(fā)電的話(huà)也就是20%左右，如果燃?xì)獍l(fā)電40%，如果燃汽和汽輪機(jī)聯(lián)合發(fā)電是60%的效率，效率越高的話(huà)污染就少。
這個(gè)是燃汽輪機(jī)的進(jìn)口情況，我國(guó)替代燃汽輪機(jī)的進(jìn)口是這樣的，一個(gè)是鋼鐵冶金行業(yè)，還有一個(gè)是電力，還有一個(gè)西氣東輸，都需要由燃?xì)廨啓C(jī)來(lái)發(fā)電推動(dòng)亞投機(jī)，所以這個(gè)比較重要。
還有海洋平臺(tái)，還有艦艇都是由燃?xì)廨啓C(jī)推動(dòng)的，所以燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣，我國(guó)是進(jìn)口的燃?xì)廨啓C(jī)型號(hào)不來(lái)了，美國(guó)很多國(guó)家都占著我們國(guó)家的市場(chǎng)，還有我們國(guó)家進(jìn)口的燃?xì)廨啓C(jī)有這么多，還是很少一部分。就是燃汽輪機(jī)我們?yōu)槭裁匆�解決，這個(gè)發(fā)電對(duì)我們這么重要，用電這么廣，有一個(gè)問(wèn)題，他有很多損傷，在運(yùn)行的過(guò)程中有各種各樣的腐蝕和損傷。這個(gè)里面就是卷紙葉片里面的夜間模式，還有他模式結(jié)構(gòu)的分析，這就是葉片燒的，燒成這樣自，還有葉片被打壞，還有接觸面表面葉片的調(diào)查分裂裂紋，還有磨損，還有這個(gè)葉片都有標(biāo)的不讀了。
這個(gè)葉片上面褐色的都是腐蝕，叫做低的腐蝕，這個(gè)腐蝕的結(jié)構(gòu)腐蝕的機(jī)理過(guò)程中，這個(gè)是燃?xì)廨啓C(jī)的腐蝕，是美國(guó)索那公司對(duì)我們國(guó)家的，我們還要平臺(tái)用的大部分的是索那公司的，但是葉片全是裂紋，我們買(mǎi)了100多臺(tái)，這個(gè)葉片根部的腐蝕和斷裂裂紋，這個(gè)葉片在沿海的部位為什么腐蝕，就是低溫的油腐蝕和高溫的腐蝕就是講究機(jī)理的過(guò)程，這里面就是前面的部位也造成了磨損，這個(gè)涂層剝落，就是鞍鋼的鋼鐵公司我們?nèi)タ吹耐繉觿兟洌�這個(gè)是葉片的涂層發(fā)生剝落，這個(gè)日本的三菱公司的涂層剝落。這是過(guò)度段涂層的剝落。
這個(gè)是導(dǎo)向葉片，這都燒壞了，燒的一個(gè)缺口一個(gè)缺口的。然后葉片組織的變化，這是在高溫長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，有一定的壽命，它要發(fā)生組織變化。這里面有偏具，密度減小。這里面還有修復(fù)的內(nèi)容，我們修復(fù)的是腐蝕、磨損、裂紋，破裂撕洞、組織蛻變。這幾個(gè)地方都要修復(fù)，把這幾個(gè)方面修復(fù)了，我們才算做好了。但是這里面有些地方，我們一直在研究怎么樣采用3D打印來(lái)做，但是實(shí)在困難，有幾個(gè)問(wèn)題解決不了。
第一，這個(gè)葉片是高溫合金，超高溫合金。這個(gè)高溫合金不能焊，一熔焊就裂紋。同時(shí)，這個(gè)焊完之后當(dāng)時(shí)沒(méi)有裂紋，過(guò)一段時(shí)間在使用過(guò)程中，在升溫過(guò)程中產(chǎn)生裂紋，還有葉片在使用期間有一個(gè)共晶裂紋。這個(gè)裂紋發(fā)生在葉片、葉尖和葉身上，有時(shí)候采用3D打印是很難的。
這是講的過(guò)程，這是裂紋的形成。
再講為什么產(chǎn)生，它的葉片在不同過(guò)程中，在葉尖到葉根部，由于溫度不一樣，葉尖溫度最高，葉根的溫度最低。但是葉根裂得最大，葉尖是裂得最小。當(dāng)前解決的辦法，就是賣(mài)新的給我們，或者舊的葉片。第二，返回葉片供應(yīng)商去修。第三，送到維修站，他們?cè)谖覀儑?guó)內(nèi)設(shè)了一些維修站，在新加坡、泰國(guó)，還有在我國(guó)建立了一些修復(fù)站。

第一，當(dāng)前我國(guó)當(dāng)前葉片的解決方案是買(mǎi)新的或者舊的葉片，省事。送到國(guó)外維修的，沒(méi)有責(zé)任，但是費(fèi)用高，時(shí)間長(zhǎng)。
第二，在國(guó)內(nèi)修復(fù)，但是苦于沒(méi)有專(zhuān)業(yè)化修復(fù)廠。
第三，目前有少量修復(fù)，凍葉片低率修復(fù)�，F(xiàn)在目前我們修復(fù)是低率區(qū)，然后強(qiáng)度上不能精準(zhǔn)的修復(fù)。就是激光目前燃?xì)馊~片正在試驗(yàn)這樣的技術(shù)。
這次參加會(huì)，最榮幸的是見(jiàn)到了林部長(zhǎng)，這個(gè)是林部長(zhǎng)親自簽字的，是1992年4月25號(hào)，感謝我們，這上面有名字。當(dāng)時(shí)葉片是咱們國(guó)家的4A工程，這個(gè)葉片是從以色列賣(mài)的F46，放在上海，發(fā)動(dòng)機(jī)部分拿到沈陽(yáng)。我們研究它的動(dòng)力功能，在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中葉片磨短了，磨短了之后買(mǎi)也不能買(mǎi)，講也不能講，怎么辦？當(dāng)時(shí)找到清華、上海交大好幾個(gè)單位吧，反正有一點(diǎn)困難。后來(lái)找了我們所長(zhǎng)，所長(zhǎng)就介紹了。我們花了8個(gè)月的時(shí)間完成了，增長(zhǎng)1.5毫米，一致通過(guò)。所以當(dāng)時(shí)把4A工程，林部長(zhǎng)親自簽字通過(guò)的。
通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目，在林部長(zhǎng)的鼓勵(lì)下，這個(gè)項(xiàng)目完成了，得到了鼓勵(lì)，然后我們又開(kāi)始進(jìn)入了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制。當(dāng)時(shí)我們好幾架發(fā)動(dòng)機(jī)，但是這部分今天不講，比如說(shuō)渦34、渦341、渦43、渦14，這部分先不講，因?yàn)槲覀儺?dāng)時(shí)研究做了不少工作，現(xiàn)在是講燃?xì)鈫?wèn)題。我們現(xiàn)在解決的方案，真正是燃?xì)馊~片的方案，就是解決幾個(gè)方案。提高葉片更長(zhǎng)期的耐蝕性，提高葉片的抗磨損性。
燃?xì)馊~片修復(fù)技術(shù)主要有：激光生長(zhǎng)、激光限位器分焊。這個(gè)是粉末本體沒(méi)有裂紋，但是交接區(qū)裂紋，這個(gè)解決不了。還有一個(gè)是土層此物，還有激光涂層，還有一個(gè)冷技術(shù)沉積。這幾個(gè)下面需要講的，我就不讀了。
這是下面的表象，我們來(lái)看看。這是生長(zhǎng)，這是熔鑄。人家的粉末是敷粉，敷粉大概1毫米的松粉，它大概是0.8和0.5左右。我們的敷粉是1毫米長(zhǎng)到1.5到2毫米，我的粉末往上漲。就是小功率情況下，粉末要能長(zhǎng)出粉末厚度的兩倍。這樣的話(huà)，解決什么呢？熱輸入減小。
這是我們的限位器分焊的表象，這是一個(gè)大裂紋、大坑，3D打印不好打，一打就出現(xiàn)裂紋了，而且這個(gè)粉末本身也不好打。這是MIT這樣一個(gè)漢姆區(qū)的圖像，柱狀級(jí)生長(zhǎng)，這是定向葉片的柱狀級(jí)生長(zhǎng)。這是激光和威虎的復(fù)合焊，這是兩層的。沒(méi)有裂紋界面，這個(gè)是很好的，但是修復(fù)的材料是MR03，這上面是738。
這是一個(gè)高焊材，它是一個(gè)控制焊接。事先精準(zhǔn)強(qiáng)度的焊接，就是我焊區(qū)的材料跟基本的接近機(jī)體的材料。柱狀級(jí)外延，三明治結(jié)構(gòu)、單機(jī)生長(zhǎng)等顯位機(jī)構(gòu)。第一個(gè)柱狀級(jí)外延，第二個(gè)三明治結(jié)構(gòu)，每一層是微米級(jí)的，咱們下面這么長(zhǎng)是200微米，這個(gè)就是幾微米，可以搞得很薄層的三明治結(jié)構(gòu)。這是一個(gè)單機(jī)生長(zhǎng)的，這是一個(gè)納米級(jí)層積的過(guò)程，涂層。
下面就是剛才講的與3D打印相似，但是有不同的特點(diǎn)，它為什么產(chǎn)生？因?yàn)樗�的葉片呢，下面可以看到，葉片的裂紋各種各樣的形狀都有。我們現(xiàn)在怎么聯(lián)合來(lái)做，把這個(gè)涂層做好。這是葉片接長(zhǎng)，這個(gè)是1991年干的。這個(gè)是深圳福田的，我們給修復(fù)的。這是兩河油田的，這是寧波綠源的，這是整套修復(fù)的。
1993年以來(lái)，這個(gè)團(tuán)隊(duì)先后修復(fù)大概是這樣的，有這么多案例。前面幾個(gè)是成套的，后面不是臺(tái)套的。這是導(dǎo)向葉片的修復(fù)分診，2010年到2014年期間先后完成了燃?xì)馊~片的25臺(tái)套。這是三連體導(dǎo)向葉片。這是30萬(wàn)千瓦的軸頸產(chǎn)生裂紋的，然后把它修復(fù)好，現(xiàn)在運(yùn)行得很好。這是燃?xì)馊~片的各種復(fù)件，有不同的件，有噴嘴、火焰筒等。
2011年這個(gè)計(jì)劃成功的完成了把鞍山鋼鐵公司發(fā)電廠的三名公司燃?xì)馊~片，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的汽能機(jī)摩機(jī)葉片葉根裂紋高強(qiáng)度修復(fù)，這邊有一個(gè)裂紋，在裂紋上面打磨了一層。當(dāng)時(shí)日本的三種方案，第一，運(yùn)回日本去。第二，把它全部切斷。從哪里裂紋，從整一個(gè)都切這么長(zhǎng)。第三，報(bào)廢。后來(lái)沒(méi)有辦法，我們把它焊了，焊了之后，現(xiàn)在一直運(yùn)行了，從2011年到現(xiàn)在全部整強(qiáng)度焊接。
這是近期燃?xì)馀浼�修�?fù)事例，它是釬焊的，這是修復(fù)以后的情況。這是火焰筒的涂層沉積，原來(lái)是那樣的情況，修復(fù)成那樣。這是LMA500單機(jī)葉片，上面全磨的，然后統(tǒng)一組了，或者把它全長(zhǎng)上來(lái)了，把氣�？字匦麓蜷_(kāi)，重新制作。最近又來(lái)好幾批，這是修復(fù)前，這是修復(fù)后的。這是MA46合金的葉片，這是溫州的，葉片上面的裂紋，畫(huà)的紅的地方都是裂紋。
這是制造缺陷，卡斯52合金的，這是咱們國(guó)家軍艦上用的，用的導(dǎo)向葉片。它鑄造的時(shí)候，是有鑄造缺陷的。這是卡斯17機(jī)的葉片，這個(gè)是咱們國(guó)家正在呼吁的葉片，咱們國(guó)家現(xiàn)在前15導(dǎo)向葉片，全是卡斯17機(jī)，現(xiàn)在由于經(jīng)常的飛行，試飛，現(xiàn)在的葉片斷裂很快，出現(xiàn)的裂紋也很快，所以現(xiàn)在修復(fù)的任務(wù)非常重。我們現(xiàn)在做了20多個(gè)葉片，如果通過(guò)了，就按照這個(gè)工藝來(lái)進(jìn)行了，要補(bǔ)焊，主要是圓板上裂紋，還有畫(huà)動(dòng)的地方裂紋，那個(gè)都采用精準(zhǔn)強(qiáng)度修復(fù)，大概能修復(fù)60%、70%左右。
導(dǎo)向葉片高溫持久性能，它的持久，我們做了三個(gè)持久性能，850度。試驗(yàn)時(shí)間是100小時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間大于100小時(shí)之后就自動(dòng)停止，就達(dá)到指標(biāo)了，就是我們的持久性能達(dá)到了。
這是我們?cè)诩幽�，非洲有一個(gè)國(guó)家叫加那國(guó)，我們這邊有一個(gè)公司，在“一帶一路”上，我們國(guó)家有很多企業(yè)家，把電廠發(fā)電，把原來(lái)國(guó)內(nèi)一些燃?xì)鈾C(jī)搬過(guò)去發(fā)電，發(fā)電之后壞了，沒(méi)有辦法修。我們從2016年、2017年、2018年已經(jīng)連續(xù)3年在修，修了3年，一共4臺(tái)機(jī)組。這是修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)時(shí)為什么掛這個(gè)牌子呢？當(dāng)時(shí)正好有領(lǐng)導(dǎo)去了參觀，正好掛了一個(gè)牌子在這里。
產(chǎn)業(yè)化考慮，創(chuàng)建一個(gè)專(zhuān)業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)�；�的燃?xì)馊~片部件維修中心和聯(lián)合體。為什么呢？目前燃?xì)鈾C(jī)的需求也不少，往后燃?xì)鈶?yīng)用的越來(lái)越廣泛，國(guó)內(nèi)維修天價(jià)，價(jià)錢(qián)非常高。有一篇報(bào)道挺高的，不能忍受。目前燃?xì)馊~片與部件的修復(fù)國(guó)內(nèi)單位存在的問(wèn)題目前還不多，存在不系統(tǒng)、不完整，就是兼職的，不是專(zhuān)業(yè)性的。
這是講咱們國(guó)家各個(gè)行業(yè)的要求，這是各個(gè)單位的。燃?xì)夤艿缼p峰，用燃?xì)鈾C(jī)在1000臺(tái)以上。海洋平臺(tái)是幾百臺(tái)，大概300臺(tái)左右。往后燃?xì)獾膽?yīng)用越來(lái)越廣泛，咱們現(xiàn)在西氣東輸、南水北調(diào)，現(xiàn)在都是需要這樣的，現(xiàn)在海洋開(kāi)發(fā)，這個(gè)需求量也挺大的。另外國(guó)外天然氣的維修費(fèi)用，大家可以看到，西門(mén)子1億8千萬(wàn)，這個(gè)修復(fù)費(fèi)用真的高，比國(guó)內(nèi)高了千倍。這個(gè)資料來(lái)源這些地方都是有的。
再就是能源的安全性、電力的安全性。目前燃?xì)馊~片存在的問(wèn)題，主要是檢修代替維修，不專(zhuān)業(yè)化。注冊(cè)資本低，資歷不厚，規(guī)模不大。維修設(shè)備不配套，缺乏先進(jìn)的葉片加工，沒(méi)有檢修的設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)需要國(guó)際化。
燃?xì)馊~片修復(fù)規(guī)范的這些工藝，有不同的工藝，有燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)向葉片修復(fù)功能，燃?xì)廨啓C(jī)葉片的修復(fù)流程，渦輪葉片的修復(fù)工藝，燃?xì)廨啓C(jī)火焰筒的修復(fù)工藝，下面這些工藝。它的工藝是一連串的，很多的。
然后焊補(bǔ)技術(shù)、熱處理技術(shù)，以及相應(yīng)的設(shè)備是十分重要的。燃?xì)馊~片噴振修復(fù)是一個(gè)系統(tǒng)的工藝方法、加工過(guò)程，工序多、流程長(zhǎng)、設(shè)備多、設(shè)備全，門(mén)檻是比較高的，效益也是比較大的。當(dāng)然還有類(lèi)似的，渦輪裝置的還有這些。
燃?xì)廨啓C(jī)葉片修復(fù)是一個(gè)大的、高端產(chǎn)業(yè)，“一帶一路”上工作量是很大的，歡迎大家合作共贏，謝謝大家。