王茂才：燃汽輪機激光增材再制造

2020年8月20日-21日，中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇暨2020年中國增材制造產(chǎn)業(yè)年會在安徽蕪湖市舉行，此次年會由工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心、安徽省經(jīng)濟和信息化廳、蕪湖市人民政府指導(dǎo)，中國增材制造產(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本次會議進行了直播。

△中科院金屬所研究員 王茂才

在“中國增材制造產(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《燃汽輪機激光增材再制造》，以下是本場演講的現(xiàn)場速記，經(jīng)大會組委會授權(quán)發(fā)布。

△視頻：王茂才《燃汽輪機激光增材再制造》


王茂才（中科院金屬所研究員）：大家下午好，我們今天報告咱們一起交流的非常好。
這個是燃氣輪機，是我們今天大家交流的內(nèi)容，我們?yōu)槭裁粗v燃汽輪機，燃汽輪機發(fā)電，我們的電每天離不開，我們現(xiàn)在通過燃氣發(fā)電，既清潔效率又高，燃氣發(fā)電和汽輪機發(fā)電、鍋爐發(fā)電的話也就是20%左右，如果燃氣發(fā)電40%，如果燃汽和汽輪機聯(lián)合發(fā)電是60%的效率，效率越高的話污染就少。
這個是燃汽輪機的進口情況，我國替代燃汽輪機的進口是這樣的，一個是鋼鐵冶金行業(yè)，還有一個是電力，還有一個西氣東輸，都需要由燃氣輪機來發(fā)電推動亞投機，所以這個比較重要。
還有海洋平臺，還有艦艇都是由燃氣輪機推動的，所以燃氣輪機的應(yīng)用越來越廣，我國是進口的燃氣輪機型號不來了，美國很多國家都占著我們國家的市場，還有我們國家進口的燃氣輪機有這么多，還是很少一部分。就是燃汽輪機我們?yōu)槭裁匆�解決，這個發(fā)電對我們這么重要，用電這么廣，有一個問題，他有很多損傷，在運行的過程中有各種各樣的腐蝕和損傷。這個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，還有這個葉片都有標(biāo)的不讀了。
這個葉片上面褐色的都是腐蝕，叫做低的腐蝕，這個腐蝕的結(jié)構(gòu)腐蝕的機理過程中，這個是燃氣輪機的腐蝕，是美國索那公司對我們國家的，我們還要平臺用的大部分的是索那公司的，但是葉片全是裂紋，我們買了100多臺，這個葉片根部的腐蝕和斷裂裂紋，這個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理的過程，這里面就是前面的部位也造成了磨損，這個涂層剝落，就是鞍鋼的鋼鐵公司我們?nèi)タ吹耐繉觿兟�，這個是葉片的涂層發(fā)生剝落，這個日本的三菱公司的涂層剝落。這是過度段涂層的剝落。
這個是導(dǎo)向葉片，這都燒壞了，燒的一個缺口一個缺口的。然后葉片組織的變化，這是在高溫長時間運行過程當(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。這幾個地方都要修復(fù)，把這幾個方面修復(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打印來做，但是實在困難，有幾個問題解決不了。
第一，這個葉片是高溫合金，超高溫合金。這個高溫合金不能焊，一熔焊就裂紋。同時，這個焊完之后當(dāng)時沒有裂紋，過一段時間在使用過程中，在升溫過程中產(chǎn)生裂紋，還有葉片在使用期間有一個共晶裂紋。這個裂紋發(fā)生在葉片、葉尖和葉身上，有時候采用3D打印是很難的。
這是講的過程，這是裂紋的形成。
再講為什么產(chǎn)生，它的葉片在不同過程中，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，他們在我們國內(nèi)設(shè)了一些維修站，在新加坡、泰國，還有在我國建立了一些修復(fù)站。

第一，當(dāng)前我國當(dāng)前葉片的解決方案是買新的或者舊的葉片，省事。送到國外維修的，沒有責(zé)任，但是費用高，時間長。
第二，在國內(nèi)修復(fù)，但是苦于沒有專業(yè)化修復(fù)廠。
第三，目前有少量修復(fù)，凍葉片低率修復(fù)。現(xiàn)在目前我們修復(fù)是低率區(qū)，然后強度上不能精準(zhǔn)的修復(fù)。就是激光目前燃氣葉片正在試驗這樣的技術(shù)。
這次參加會，最榮幸的是見到了林部長，這個是林部長親自簽字的，是1992年4月25號，感謝我們，這上面有名字。當(dāng)時葉片是咱們國家的4A工程，這個葉片是從以色列賣的F46，放在上海，發(fā)動機部分拿到沈陽。我們研究它的動力功能，在這個過程當(dāng)中葉片磨短了，磨短了之后買也不能買，講也不能講，怎么辦？當(dāng)時找到清華、上海交大好幾個單位吧，反正有一點困難。后來找了我們所長，所長就介紹了。我們花了8個月的時間完成了，增長1.5毫米，一致通過。所以當(dāng)時把4A工程，林部長親自簽字通過的。
通過這個項目，在林部長的鼓勵下，這個項目完成了，得到了鼓勵，然后我們又開始進入了航空發(fā)動機的研制。當(dāng)時我們好幾架發(fā)動機，但是這部分今天不講，比如說渦34、渦341、渦43、渦14，這部分先不講，因為我們當(dāng)時研究做了不少工作，現(xiàn)在是講燃氣問題。我們現(xiàn)在解決的方案，真正是燃氣葉片的方案，就是解決幾個方案。提高葉片更長期的耐蝕性，提高葉片的抗磨損性。
燃氣葉片修復(fù)技術(shù)主要有：激光生長、激光限位器分焊。這個是粉末本體沒有裂紋，但是交接區(qū)裂紋，這個解決不了。還有一個是土層此物，還有激光涂層，還有一個冷技術(shù)沉積。這幾個下面需要講的，我就不讀了。
這是下面的表象，我們來看看。這是生長，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，粉末要能長出粉末厚度的兩倍。這樣的話，解決什么呢？熱輸入減小。
這是我們的限位器分焊的表象，這是一個大裂紋、大坑，3D打印不好打，一打就出現(xiàn)裂紋了，而且這個粉末本身也不好打。這是MIT這樣一個漢姆區(qū)的圖像，柱狀級生長，這是定向葉片的柱狀級生長。這是激光和威虎的復(fù)合焊，這是兩層的。沒有裂紋界面，這個是很好的，但是修復(fù)的材料是MR03，這上面是738。
這是一個高焊材，它是一個控制焊接。事先精準(zhǔn)強度的焊接，就是我焊區(qū)的材料跟基本的接近機體的材料。柱狀級外延，三明治結(jié)構(gòu)、單機生長等顯位機構(gòu)。第一個柱狀級外延，第二個三明治結(jié)構(gòu)，每一層是微米級的，咱們下面這么長是200微米，這個就是幾微米，可以搞得很薄層的三明治結(jié)構(gòu)。這是一個單機生長的，這是一個納米級層積的過程，涂層。
下面就是剛才講的與3D打印相似，但是有不同的特點，它為什么產(chǎn)生？因為它的葉片呢，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)合來做，把這個涂層做好。這是葉片接長，這個是1991年干的。這個是深圳福田的，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，這個團隊先后修復(fù)大概是這樣的，有這么多案例。前面幾個是成套的，后面不是臺套的。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氣葉片的25臺套。這是三連體導(dǎo)向葉片。這是30萬千瓦的軸頸產(chǎn)生裂紋的，然后把它修復(fù)好，現(xiàn)在運行得很好。這是燃氣葉片的各種復(fù)件，有不同的件，有噴嘴、火焰筒等。
2011年這個計劃成功的完成了把鞍山鋼鐵公司發(fā)電廠的三名公司燃氣葉片，聯(lián)合循環(huán)機組的汽能機摩機葉片葉根裂紋高強度修復(fù)，這邊有一個裂紋，在裂紋上面打磨了一層。當(dāng)時日本的三種方案，第一，運回日本去。第二，把它全部切斷。從哪里裂紋，從整一個都切這么長。第三，報廢。后來沒有辦法，我們把它焊了，焊了之后，現(xiàn)在一直運行了，從2011年到現(xiàn)在全部整強度焊接。
這是近期燃氣配件修復(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，原來是那樣的情況，修復(fù)成那樣。這是LMA500單機葉片，上面全磨的，然后統(tǒng)一組了，或者把它全長上來了，把氣�？字匦麓蜷_，重新制作。最近又來好幾批，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，這是咱們國家軍艦上用的，用的導(dǎo)向葉片。它鑄造的時候，是有鑄造缺陷的。這是卡斯17機的葉片，這個是咱們國家正在呼吁的葉片，咱們國家現(xiàn)在前15導(dǎo)向葉片，全是卡斯17機，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多個葉片，如果通過了，就按照這個工藝來進行了，要補焊，主要是圓板上裂紋，還有畫動的地方裂紋，那個都采用精準(zhǔn)強度修復(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，我們做了三個持久性能，850度。試驗時間是100小時，試驗時間大于100小時之后就自動停止，就達到指標(biāo)了，就是我們的持久性能達到了。
這是我們在加那，非洲有一個國家叫加那國，我們這邊有一個公司，在“一帶一路”上，我們國家有很多企業(yè)家，把電廠發(fā)電，把原來國內(nèi)一些燃氣機搬過去發(fā)電，發(fā)電之后壞了，沒有辦法修。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臺機組。這是修復(fù)現(xiàn)場，當(dāng)時為什么掛這個牌子呢？當(dāng)時正好有領(lǐng)導(dǎo)去了參觀，正好掛了一個牌子在這里。
產(chǎn)業(yè)化考慮，創(chuàng)建一個專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化的燃氣葉片部件維修中心和聯(lián)合體。為什么呢？目前燃氣機的需求也不少，往后燃氣應(yīng)用的越來越廣泛，國內(nèi)維修天價，價錢非常高。有一篇報道挺高的，不能忍受。目前燃氣葉片與部件的修復(fù)國內(nèi)單位存在的問題目前還不多，存在不系統(tǒng)、不完整，就是兼職的，不是專業(yè)性的。
這是講咱們國家各個行業(yè)的要求，這是各個單位的。燃氣管道巔峰，用燃氣機在1000臺以上。海洋平臺是幾百臺，大概300臺左右。往后燃氣的應(yīng)用越來越廣泛，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)在海洋開發(fā)，這個需求量也挺大的。另外國外天然氣的維修費用，大家可以看到，西門子1億8千萬，這個修復(fù)費用真的高，比國內(nèi)高了千倍。這個資料來源這些地方都是有的。
再就是能源的安全性、電力的安全性。目前燃氣葉片存在的問題，主要是檢修代替維修，不專業(yè)化。注冊資本低，資歷不厚，規(guī)模不大。維修設(shè)備不配套，缺乏先進的葉片加工，沒有檢修的設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)需要國際化。
燃氣葉片修復(fù)規(guī)范的這些工藝，有不同的工藝，有燃氣輪機導(dǎo)向葉片修復(fù)功能，燃氣輪機葉片的修復(fù)流程，渦輪葉片的修復(fù)工藝，燃氣輪機火焰筒的修復(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。燃氣葉片噴振修復(fù)是一個系統(tǒng)的工藝方法、加工過程，工序多、流程長、設(shè)備多、設(shè)備全，門檻是比較高的，效益也是比較大的。當(dāng)然還有類似的，渦輪裝置的還有這些。
燃氣輪機葉片修復(fù)是一個大的、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。