王茂才：燃汽轮机激光增材再制造

2020年8月20日-21日，中国增材制造产业发展芜湖（繁昌）高峰论坛暨2020年中国增材制造产业年会在安徽芜湖市举行，此次年会由工业和信息化部装备工业发展中心、安徽省经济和信息化厅、芜湖市人民政府指导，中国增材制造产业联盟主办，繁昌县人民政府协办，南极熊作为支持媒体对本次会议进行了直播。

△中科院金属所研究员 王茂才

在“中国增材制造产业发展芜湖（繁昌）高峰论坛”上，中科院金属所研究员王茂才发表主题演讲，题目是《燃汽轮机激光增材再制造》，以下是本场演讲的现场速记，经大会组委会授权发布。

△视频：王茂才《燃汽轮机激光增材再制造》


王茂才（中科院金属所研究员）：大家下午好，我们今天报告咱们一起交流的非常好。
这个是燃气轮机，是我们今天大家交流的内容，我们为什么讲燃汽轮机，燃汽轮机发电，我们的电每天离不开，我们现在通过燃气发电，既清洁效率又高，燃气发电和汽轮机发电、锅炉发电的话也就是20%左右，如果燃气发电40%，如果燃汽和汽轮机联合发电是60%的效率，效率越高的话污染就少。
这个是燃汽轮机的进口情况，我国替代燃汽轮机的进口是这样的，一个是钢铁冶金行业，还有一个是电力，还有一个西气东输，都需要由燃气轮机来发电推动亚投机，所以这个比较重要。
还有海洋平台，还有舰艇都是由燃气轮机推动的，所以燃气轮机的应用越来越广，我国是进口的燃气轮机型号不来了，美国很多国家都占着我们国家的市场，还有我们国家进口的燃气轮机有这么多，还是很少一部分。就是燃汽轮机我们为什么要解决，这个发电对我们这么重要，用电这么广，有一个问题，他有很多损伤，在运行的过程中有各种各样的腐蚀和损伤。这个里面就是卷纸叶片里面的夜间模式，还有他模式结构的分析，这就是叶片烧的，烧成这样自，还有叶片被打坏，还有接触面表面叶片的调查分裂裂纹，还有磨损，还有这个叶片都有标的不读了。
这个叶片上面褐色的都是腐蚀，叫做低的腐蚀，这个腐蚀的结构腐蚀的机理过程中，这个是燃气轮机的腐蚀，是美国索那公司对我们国家的，我们还要平台用的大部分的是索那公司的，但是叶片全是裂纹，我们买了100多台，这个叶片根部的腐蚀和断裂裂纹，这个叶片在沿海的部位为什么腐蚀，就是低温的油腐蚀和高温的腐蚀就是讲究机理的过程，这里面就是前面的部位也造成了磨损，这个涂层剥落，就是鞍钢的钢铁公司我们去看的涂层剥落，这个是叶片的涂层发生剥落，这个日本的三菱公司的涂层剥落。这是过度段涂层的剥落。
这个是导向叶片，这都烧坏了，烧的一个缺口一个缺口的。然后叶片组织的变化，这是在高温长时间运行过程当中，有一定的寿命，它要发生组织变化。这里面有偏具，密度减小。这里面还有修复的内容，我们修复的是腐蚀、磨损、裂纹，破裂撕洞、组织蜕变。这几个地方都要修复，把这几个方面修复了，我们才算做好了。但是这里面有些地方，我们一直在研究怎么样采用3D打印来做，但是实在困难，有几个问题解决不了。
第一，这个叶片是高温合金，超高温合金。这个高温合金不能焊，一熔焊就裂纹。同时，这个焊完之后当时没有裂纹，过一段时间在使用过程中，在升温过程中产生裂纹，还有叶片在使用期间有一个共晶裂纹。这个裂纹发生在叶片、叶尖和叶身上，有时候采用3D打印是很难的。
这是讲的过程，这是裂纹的形成。
再讲为什么产生，它的叶片在不同过程中，在叶尖到叶根部，由于温度不一样，叶尖温度最高，叶根的温度最低。但是叶根裂得最大，叶尖是裂得最小。当前解决的办法，就是卖新的给我们，或者旧的叶片。第二，返回叶片供应商去修。第三，送到维修站，他们在我们国内设了一些维修站，在新加坡、泰国，还有在我国建立了一些修复站。

第一，当前我国当前叶片的解决方案是买新的或者旧的叶片，省事。送到国外维修的，没有责任，但是费用高，时间长。
第二，在国内修复，但是苦于没有专业化修复厂。
第三，目前有少量修复，冻叶片低率修复。现在目前我们修复是低率区，然后强度上不能精准的修复。就是激光目前燃气叶片正在试验这样的技术。
这次参加会，最荣幸的是见到了林部长，这个是林部长亲自签字的，是1992年4月25号，感谢我们，这上面有名字。当时叶片是咱们国家的4A工程，这个叶片是从以色列卖的F46，放在上海，发动机部分拿到沈阳。我们研究它的动力功能，在这个过程当中叶片磨短了，磨短了之后买也不能买，讲也不能讲，怎么办？当时找到清华、上海交大好几个单位吧，反正有一点困难。后来找了我们所长，所长就介绍了。我们花了8个月的时间完成了，增长1.5毫米，一致通过。所以当时把4A工程，林部长亲自签字通过的。
通过这个项目，在林部长的鼓励下，这个项目完成了，得到了鼓励，然后我们又开始进入了航空发动机的研制。当时我们好几架发动机，但是这部分今天不讲，比如说涡34、涡341、涡43、涡14，这部分先不讲，因为我们当时研究做了不少工作，现在是讲燃气问题。我们现在解决的方案，真正是燃气叶片的方案，就是解决几个方案。提高叶片更长期的耐蚀性，提高叶片的抗磨损性。
燃气叶片修复技术主要有：激光生长、激光限位器分焊。这个是粉末本体没有裂纹，但是交接区裂纹，这个解决不了。还有一个是土层此物，还有激光涂层，还有一个冷技术沉积。这几个下面需要讲的，我就不读了。
这是下面的表象，我们来看看。这是生长，这是熔铸。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。我们的敷粉是1毫米长到1.5到2毫米，我的粉末往上涨。就是小功率情况下，粉末要能长出粉末厚度的两倍。这样的话，解决什么呢？热输入减小。
这是我们的限位器分焊的表象，这是一个大裂纹、大坑，3D打印不好打，一打就出现裂纹了，而且这个粉末本身也不好打。这是MIT这样一个汉姆区的图像，柱状级生长，这是定向叶片的柱状级生长。这是激光和威虎的复合焊，这是两层的。没有裂纹界面，这个是很好的，但是修复的材料是MR03，这上面是738。
这是一个高焊材，它是一个控制焊接。事先精准强度的焊接，就是我焊区的材料跟基本的接近机体的材料。柱状级外延，三明治结构、单机生长等显位机构。第一个柱状级外延，第二个三明治结构，每一层是微米级的，咱们下面这么长是200微米，这个就是几微米，可以搞得很薄层的三明治结构。这是一个单机生长的，这是一个纳米级层积的过程，涂层。
下面就是刚才讲的与3D打印相似，但是有不同的特点，它为什么产生？因为它的叶片呢，下面可以看到，叶片的裂纹各种各样的形状都有。我们现在怎么联合来做，把这个涂层做好。这是叶片接长，这个是1991年干的。这个是深圳福田的，我们给修复的。这是两河油田的，这是宁波绿源的，这是整套修复的。
1993年以来，这个团队先后修复大概是这样的，有这么多案例。前面几个是成套的，后面不是台套的。这是导向叶片的修复分诊，2010年到2014年期间先后完成了燃气叶片的25台套。这是三连体导向叶片。这是30万千瓦的轴颈产生裂纹的，然后把它修复好，现在运行得很好。这是燃气叶片的各种复件，有不同的件，有喷嘴、火焰筒等。
2011年这个计划成功的完成了把鞍山钢铁公司发电厂的三名公司燃气叶片，联合循环机组的汽能机摩机叶片叶根裂纹高强度修复，这边有一个裂纹，在裂纹上面打磨了一层。当时日本的三种方案，第一，运回日本去。第二，把它全部切断。从哪里裂纹，从整一个都切这么长。第三，报废。后来没有办法，我们把它焊了，焊了之后，现在一直运行了，从2011年到现在全部整强度焊接。
这是近期燃气配件修复事例，它是钎焊的，这是修复以后的情况。这是火焰筒的涂层沉积，原来是那样的情况，修复成那样。这是LMA500单机叶片，上面全磨的，然后统一组了，或者把它全长上来了，把气模孔重新打开，重新制作。最近又来好几批，这是修复前，这是修复后的。这是MA46合金的叶片，这是温州的，叶片上面的裂纹，画的红的地方都是裂纹。
这是制造缺陷，卡斯52合金的，这是咱们国家军舰上用的，用的导向叶片。它铸造的时候，是有铸造缺陷的。这是卡斯17机的叶片，这个是咱们国家正在呼吁的叶片，咱们国家现在前15导向叶片，全是卡斯17机，现在由于经常的飞行，试飞，现在的叶片断裂很快，出现的裂纹也很快，所以现在修复的任务非常重。我们现在做了20多个叶片，如果通过了，就按照这个工艺来进行了，要补焊，主要是圆板上裂纹，还有画动的地方裂纹，那个都采用精准强度修复，大概能修复60%、70%左右。
导向叶片高温持久性能，它的持久，我们做了三个持久性能，850度。试验时间是100小时，试验时间大于100小时之后就自动停止，就达到指标了，就是我们的持久性能达到了。
这是我们在加那，非洲有一个国家叫加那国，我们这边有一个公司，在“一带一路”上，我们国家有很多企业家，把电厂发电，把原来国内一些燃气机搬过去发电，发电之后坏了，没有办法修。我们从2016年、2017年、2018年已经连续3年在修，修了3年，一共4台机组。这是修复现场，当时为什么挂这个牌子呢？当时正好有领导去了参观，正好挂了一个牌子在这里。
产业化考虑，创建一个专业化、标准化、规模化的燃气叶片部件维修中心和联合体。为什么呢？目前燃气机的需求也不少，往后燃气应用的越来越广泛，国内维修天价，价钱非常高。有一篇报道挺高的，不能忍受。目前燃气叶片与部件的修复国内单位存在的问题目前还不多，存在不系统、不完整，就是兼职的，不是专业性的。
这是讲咱们国家各个行业的要求，这是各个单位的。燃气管道巅峰，用燃气机在1000台以上。海洋平台是几百台，大概300台左右。往后燃气的应用越来越广泛，咱们现在西气东输、南水北调，现在都是需要这样的，现在海洋开发，这个需求量也挺大的。另外国外天然气的维修费用，大家可以看到，西门子1亿8千万，这个修复费用真的高，比国内高了千倍。这个资料来源这些地方都是有的。
再就是能源的安全性、电力的安全性。目前燃气叶片存在的问题，主要是检修代替维修，不专业化。注册资本低，资历不厚，规模不大。维修设备不配套，缺乏先进的叶片加工，没有检修的设备。标准需要国际化。
燃气叶片修复规范的这些工艺，有不同的工艺，有燃气轮机导向叶片修复功能，燃气轮机叶片的修复流程，涡轮叶片的修复工艺，燃气轮机火焰筒的修复工艺，下面这些工艺。它的工艺是一连串的，很多的。
然后焊补技术、热处理技术，以及相应的设备是十分重要的。燃气叶片喷振修复是一个系统的工艺方法、加工过程，工序多、流程长、设备多、设备全，门槛是比较高的，效益也是比较大的。当然还有类似的，涡轮装置的还有这些。
燃气轮机叶片修复是一个大的、高端产业，“一带一路”上工作量是很大的，欢迎大家合作共赢，谢谢大家。