岳 鹏

（粒子输运与富集技术重点实验室，天津市 300180）

1 概述

电厂在经营生产过程中普遍会面临磨损这一问题，属于经济与安全范畴。磨损会使电厂承受大量经济损失，同时也可能诱发水冷壁爆管，进而出现非正常停炉事件，造成安全事故。据统计，所有停炉事件中大约有50%是因为磨损导致的，这对循环流化床的进步与推广造成阻碍，不利于其实现高参数、长期安全、大容量发展要求。

2 激光熔覆技术的研究现状与发展趋势

激光熔覆技术自诞生后持续发展，其系统也在不断完善。以1990年为界，此前针对激光熔覆开展的研究主要涉及激光熔覆性能与技术、熔覆层微观组织结构与缺陷、熔覆基体与材料在工艺参数作用下的变化及其实践运用。而此后的研究内容主要集中在激光熔覆的模型与基础理论、熔覆阶段重要参数检测、专用材料研制、快速制造技术、高效送粉装置、新型材料制备等。

2.1 国内研究进展

激光熔覆技术在中国的研究始于1990年后，并逐渐获得学者们的关注，成为热点话题，现阶段研究的深度在不断加深，与此同时范围被进一步拓宽。王云山等在激光熔覆温度场测试中对CCD 红外检测技术进行充分运用，此外针对激光熔覆开展了同轴送粉器的研究，取得良好成果。孙荣禄等结合激光熔覆技术对耐磨涂层制作开展研发工作，成功获得NiCrBSi涂层，并在此基础上完成微区物、显微组织探讨，结果表明此涂层对零件耐磨性的强化有积极意义。围绕激光熔覆工艺参数的研究中，经多个单位共同努力，已经获得了一定成果，如华中科技大学、北京工业大学、北京工业大学等。此外还有钟敏霖等清华大学学者。香港理工大学学者探讨合金组织因激光熔覆阶段增加特定元素产生的变化，详细有，运用激光熔覆工艺于7075铝合金表面完成CuO+Al+SiO2涂层制作，在此过程中有Al2O3成分出现于熔覆层内，同时还讨论了Al2O3成分出现受到元素Si 的具体影响。北京航空航天大学王华明教授对熔覆层厚度、硬度、加工质量受到激光熔覆扫描速度的影响进行详细分析，结果显示熔覆层硬度与激光扫描速度成正比，而与厚度之间呈反比关系，当速度提高后显微组织变得更加细化。北京航空航天大学王华明研究金属基复合涂层制作中加入激光熔覆，对优化表面机械性能的效果，结果表明有助于Ti2Ni3Si/Ni3Ti 涂层强化耐腐蚀、耐磨性以及显微组织硬度。国立台湾大学K.A.Chiang 等，详细分析WC 合金与钨铬钴合金熔覆层在激光熔覆作用下成分以及显微组织特性。香港理工大学T.M.Yue，K.J.Huang 等，对激光熔覆进行有效运用，并与铝合金加以联合，最终完成Al2O3制备，且具备较好的晶界与微观组织。香港理工大学T.M.Yue，Y.P.Su 等将多样的金属材料涂层于Mg 表层进行熔覆，对对应机械性能做全面分析，举例分析了Zr65Al7.5Ni10Cu17.5熔覆层于Mg 表层进行熔覆，并完成耐腐性、显微硬度以及耐磨性探讨。大连理工大学高亚丽等也开展了类似研究，具体对象是Al-Si合金熔覆层，与无定型组织Mg 表层进行有机联合实施熔覆操作，分析耐腐性、显微硬度以及耐磨性。

2.2 国外研究进展

国外先于中国进行了激光熔覆技术研究，具体时间大概在10年上下，起步于1980年后，主要国家有：欧洲，如德国、英国、法国等，美国以及亚洲的日本、澳大利亚等。

基于物理性质围绕激光熔覆技术，英国利物浦大学、葡萄牙先进技术研究所等机构开展了基础性研究。瑞士的S.Niederhauser，B.Karlsson 等人在金属基复合涂层制备过程中运用了激光熔覆作用，目的是加强表面机械性能，举例基于钢表层进行Co-Cr 熔覆层制作，对优化钢硬度、寿命与抗拉强度有积极意义。荷兰格罗宁根大学V.Ocelik，D.Matthews 等学校、夫朗和佛光束技术研究所、德国克劳斯特尔大学等机构均对激光熔覆技术加以运用，并完成了不同涂层的制备，包括SiC/Al-8Si、TiB2/Ti-6A1-4V、WC/Ti-6Al-4V 等，结果表明其滑动摩擦性能比基体材料有了较大提升；一些科研机构针对激光熔覆对工具、零件的性能恢复展开分析，包括西班牙中央冶金研究所、英国利物浦大学等。意大利Edoardo Capelloand Barbara Previtali研究表示，脉冲宽度与功率是导致改变修复形状精度的最重要因素，并开展了实验为有效修复冲模损伤表面运用激光熔覆技术。R.Jagdheesh 等人就激光熔覆时存在的残余应力、显微裂纹相关内容做具体分析。举例有，利用熔覆技术将Si 在不锈钢表层进行熔覆操作，基于激光光斑直径恒定条件，覆层微观组织受到激光功率、扫描速度等影响不显著，而如果功率密度在25 W/mm2之下，则此时熔覆层有较高的可能性会出现显微裂纹。荷兰格罗宁根大学U.de Oliveira，V.Ocelik 等学者，围绕Co 基熔覆层测试其残余应力，其中运用的技术是X 射线同步衍射技术。英国J.Dutta Majumdar，A.Pinkerton 关于熔覆层拥有的电化学性质，实施316L 不锈钢涂层多层熔覆，对二极管激光熔覆做了充分运用，在此之上，详细分析了获得产物的电化学性能以及显微硬度。美国不同高校也对激光熔覆技术进行了探索，包括田纳西大学、密歇根大学，研究内容涉及利用激光熔覆依托铝基材完成铜合金制备、依托TiB2完成耐磨涂层制备、激光熔覆冲压模具与耐磨工具等。

针对激光熔覆亚洲学者也进行了系列性的分析，例如：新加坡南洋理工大学依托激光熔覆技术，完成制备金属基复合材料涂层。日本三菱、丰田、尼桑等企业充分将零件中加入激光熔覆，分析零件机械性能优化。名古屋大学Guojian Xu，，Munaharu Kutsuna等人，围绕激光熔覆技术展开分析，在WC 合金与钨铬钴合金熔覆层制备过程中结合了碳钢JIS-SM400B表面，并运用了多样化的手段：化学成分成梯度分布（FGMMLC）、化学成分不变（CCCMLC），结果表明在显微裂纹敏感性方面，后者高于前者。澳大利亚斯温伯恩理工大学S.Sun，Y.Durandet 等人，对激光熔覆进行研究，并探讨裂纹与稀释率受到熔覆搭接率和激光功率的影响，结果显示分别为18、25 J/pulse 的激光脉冲能量，40 Hz 的激光脉频率以及89%熔覆搭接率状态下，稀释率约为4%，达到最低。搭接率与裂纹出现几率呈反比关系。澳大利亚D.Salehi，M.Brandt 在激光熔覆时采用LabView 系统对Nd：YAG 实施控制与检测，确定对应的熔池温度，发现熔覆层材料稀释率削弱。

通过以上研究可以发现，国际领域围绕激光熔覆技术展开的相关研究中，主要集中在熔覆层缺陷与性能、微观组织结构、残余应力与显微裂纹控制、激光熔覆专用设备、微观金相分析、激光熔覆重要参数检测等。与此同时还有，最近几年比较流行的各类材料涂层熔覆于无定性组织的金属Mg 合金表层及对应的机械性能研究。

2.3 当前问题与发展趋势

目前针对激光熔覆等相关研究存在的主要局限是不同基本材料的熔覆材料会存在差异，在制备熔覆层后定性研究熔覆层的耐磨性和耐腐性，显微组织和显微硬度等，这些性能均得到了提高。加工激光熔覆时针对不同的熔覆材料激光功率工艺参数以及激光扫描速度等进行针对性选用，在完成熔覆层制备之后，展开具体的对比分析，最后针对特定熔覆材料确定最合适的激光熔覆工艺参数。针对关键工艺参数如功率分布、熔覆材料特性、激光扫描速度等展开多次实验，最终确定最合理的参数。目前针对激光熔覆参数作用机理展开研究的相对不是很多，需要展开针对性的定量分析和定性分析，由此更好地提取激光熔覆的系统信息，实现信息的有效融合。对国内外激光熔覆的研究现状进行应用，通过先进制造技术的引导，实现激光熔覆加工质量的全面提高。要在理论研究的同时做好实验论证，同步推动技术研究和应用研究的发展。针对激光熔覆的工业化应用展开的研究如下。

2.3.1 激光熔覆复杂耦合信息作用规律及调控方法

激光熔覆工艺涵盖的信息较为复杂，包括零部件、设备以及工艺等。对该技术工艺进行研究与应用时，需要对相关核心因素做综合考虑，如激光功率、激光扫描速度、熔覆材料特性以及搭接率等。激光熔覆的理论技术基础是耦合信息的复合作用规律及调控方法。

2.3.2 优化激光熔覆控制系统

激光熔覆工艺能够进行产品的高效性制备，主要是由于该工艺具有较强的信息捕捉能力和统筹能力。对激光熔覆工艺的信息捕捉与处理过程进行研究分析，从激光熔覆的复杂信息作用机理出发，实现复杂信息处理机制的完善构建。针对激光熔覆工艺制定相应的优化模型，通过模型对激光熔覆存在的组织不均匀、残余应力等相关问题进行妥善处理，进一步优化激光熔覆过程的质量和精度，意义重大。

2.3.3 激光熔覆加工的定量控制

定性研究多元复杂耦合信息的作用机制和调控机制，针对激光熔覆工艺展开具体的定量研究，由此使得激光熔覆的高质量加工和稳定加工能够具有一定的技术支撑。

3 水冷壁管熔覆层制备工艺与方法

水冷壁管道熔覆层制备对高密度激光束进行应用，在锅炉水冷壁管外部熔覆陶瓷和金属的复合材料，在熔覆过程中要对外表面的厚度进行精准把控，对高质量冶金进行利用。冷却系统、激光系统等属于常见的激光熔覆工艺系统。

以下是常用的水冷壁管熔覆层技术指标：

（1）熔覆层与基体达到冶金结合，基体元素与熔覆层元素实现扩散与融合，孔隙率≤0.1%。熔覆层厚度500～3000 μm，厚度可调可控，表面显微硬度高于850 HV。熔覆层的氧化增重量在温度低于800 ℃时比水冷壁管母材的相应值更低。

（2）在锅炉水冷壁典型工况条件下，熔覆层的耐磨损性能为水冷壁管基体的2.5倍以上。一般采用磨损试验数据进行寿命评估，也可通过电厂实际运行一段时间后熔覆层的减薄情况预测寿命。

（3）高温耐磨熔覆材料使用较多的是金属和陶瓷的复合材料，通过复合材料的使用，使得熔覆层具有了较好的导热性、韧性和硬度。针对不同熔覆材料组份对不同的金属材料进行针对性的优化设计，针对炉膛的不同部位进行一种复合材料的针对性设计，全面提高水冷壁管的高温耐磨性和运行可靠性，由此更好地满足运行要求。

利用15CrMoG 材质制作锅炉水冷壁管，主要是由于这种材质有着较低的含碳量，同时有着较好的韧性、塑形、强度、焊接性以及冷热成型性，但是不足之处是整体耐磨性不是很好。

耐磨涂层是通过常规电弧喷涂工艺进行制备的，通过涂层与基底的有机结合形成耐磨涂层，耐磨涂层的强度在10～50 MPa 之间，整体有着较低的强度。涂层厚度比激光熔覆层更低。炉膛内部在受到交变热应力和高温冲蚀时，可能会出现脱落等情况，整体防磨性能相对有限。

激光高能束熔覆技术能够精准地进行热输入控制，有着较好的稀释率、可控性和较小的热机变性。通过该技术制备的熔覆层，不会出现气孔以及裂缝等现象，整体组织分布和厚度都较为均匀，具有其他喷涂技术不具备的应用优势。在锅炉水冷壁管表面进行激光熔覆层的制备，通过对基体冶金的结合应用，可以对热喷涂技术制备的涂层容易出现脱落等相关问题进行妥善处理。选用的激光器输出功率和波长分别是2 kW、0.8 μm，使用的熔覆材料是陶瓷和金属的混合物。在熔覆期间能够对锅炉管转动速度、送料速度等进行精准控制，由此使得熔覆材料能够对激光束能量进行吸收之后，在水冷壁管外表面实现均匀熔融。熔池在熔覆期间会出现高温反应，经过冷却处理制作的铬基陶瓷-金属熔覆层具有较强的耐磨性和耐高温性。熔覆层对多道搭接制备形式进行应用，熔覆宽度、厚度、结合强度分别是5 mm，1 mm，155 MPa。

制备的水冷壁管耐磨熔覆层的显微厚度超过900 HV。可以针对熔覆层利用磨损实验机展开具体的磨损特性实验，如摩擦磨损、磨粒磨损等。通过研究发现熔膜层相对于金属水冷壁光管有着更强的耐磨损性，预估耐磨损寿命会相对延长5年以上。

4 结论

燃煤电厂锅炉的水冷壁管易发生飞灰引起的高温冲蚀磨损，所造成的停运甚至爆管事故会造成电厂巨大的经济损失。激光熔覆技术主要依托高能密度激光束，对熔覆材料进行辐照加热，使得基材表面薄层与熔覆材料一起被熔化且以极快的速度再次凝固，构成熔覆层附着于基体表面，其具备的特征是冶金结合、组织结构紧密。合理选择熔覆材料如某些金属—陶瓷复合材料，配合适当的激光设备参数和加工工艺，可以有效获得耐磨熔覆层，这有助于优化高锅炉水冷壁管耐腐蚀以及耐磨性能。此外，拓宽激光熔覆层研究的深度与广度，对优化激光熔覆技术有积极意义，包括耐磨耐腐蚀性、显微硬度与结构、传热特性、组织等，在工程应用领域也具有极高的科学与经济价值。