[發明專利]一種水輪機葉片表面局部激光熔注仿生強化方法與設備

有效

• 申請號: 201310436473.1
• 申請日: 2013-09-23
• 公開（公告）號: CN103710697A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 劉立君;姜亞青;王義強
• 申請（專利權）人: 浙江大學寧波理工學院
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10
• 代理公司: 寧波市鄞州甬致專利代理事務所(普通合伙) 33228
• 代理人: 代忠炯

技術領域

本發明屬于金屬材料加工領域。

背景技術

我國很多河流泥沙含量大，建立在這些河流上的水電站（廠）的水輪機過流部件受泥沙損害嚴重。我國已建成的25萬kw容量以上的水電站中水輪機存在嚴重的汽蝕、磨損破壞的約占總容量的38%，使系統裝備效率降低，發電能力下降；同時這些水電廠每年都要花費大量的人力、物力、財力，對汽蝕、磨損進行處理。特別是黃河的泥沙含量為世界諸河之最，在黃河上已建成的水電站，其水輪機汽蝕、磨損都很嚴重。如劉家峽水電站，每年除安排一臺機組進行一個多月的一般性大修外，還要安排一臺機組進行擴大性大修。擴大性大修所用時間隨汽蝕、磨損程度而逐年加劇，由開始的3個月延長到4個月。補焊面積從開始的十多平米，增加到數十平米，最多一次達40M²，補焊消耗的焊條從幾百公斤增加到數噸，最多達7噸。如果通過水輪機葉片表面局部激光熔注仿生強化提高水輪機葉片壽命50%以上，可以縮短檢修周期，把工人從繁重、惡劣的檢修工作環境中解放出來，具有重要的實際意義和巨大的經濟價值。

????激光熔注技術目前已經被認為是制備金屬基復合材料層最為理想的方法之一，是激光局部熔化金屬基體，同時將陶瓷粉末注入到熔池中，陶瓷粒子在熔池的快速凝固中被凍結，實現了基體上層顆粒增強，提高金屬表面耐磨性和硬度，顯示了激光熔注技術在金屬基體表面制備顆粒增強復合材料層的優勢。

自然界中生物體表經過千百萬年的進化，形成了非常獨特的結構，生物體表是由凹坑、凸包、波紋、花紋、條狀、網絡或鱗片等幾何結構組成的非光滑表面，生物體表單元體大小從幾十微米到幾十毫米，生物的非光滑體表具有減粘、降阻、耐磨的作用，在運動過程中具有很好的耐磨性。將生物表面耐磨、抗開裂原型應用在水輪機葉片表面強化領域，具有良好發展前景。

本發明采用激光陶瓷熔注方法，針對水輪機葉片表面磨損區域幾何特征，從仿生角度出發，研究耐磨損生物原型，從減小水輪機葉片表面強化應力應變角度，將生物原型抗磨損的結構通過激光熔注“復制”在水輪機葉片表面，提高水輪機葉片表面的耐磨性，延長水輪機葉片使用壽命，為水輪機葉片表面強化提供了一種新的方法。

發明內容

根據本發明的一個方面，水輪機葉片表面局部激光熔注仿生強化設備，由控制單元、仿生結構體視覺監控系統、陶瓷精密送粉器、激光發生器和五自由度數控工作臺組成，控制單元分別與仿生結構體視覺監控系統、陶瓷精密送粉器、激光發生器和五自由度數控機械工作臺的通訊接口系統相連。控制單元包括一臺工業控制計算機，該計算機具有多尺度激光熔注強化層工藝模塊、水輪機葉片面仿生結構體設計模塊和水輪機葉片表面仿生強化數控加工模塊；所述多尺度激光熔注強化層工藝模塊包括加工工藝參數數據庫和仿生結構體視覺監控單元，所述數據庫中每一條數據記錄包括水輪機葉片的材料牌號、原始顯微組織，激光功率、掃描速度、離焦量，陶瓷材料、顆粒尺寸、體積分數、彌散形態、熔注速度，熔注后葉片化學成分、組織結構、耐磨性；所述仿生結構體視覺監控單元主要接受視覺硬件系統圖像信號，處理激光熔注熔化狀態和仿生結構體成形狀態，從而控制激光熔注工藝參數和五軸數控工作臺聯動狀態。

所述水輪機葉片面仿生結構體設計模塊是選擇具有耐磨抗裂功能的生物為生物原型，運用相似理論，對生物體幾何尺寸、外形、系統結構和功能特征進行模擬和參數優化，建立相應生物模型，針對水輪機葉片表面強化區域尺寸、形狀、流道曲率不同特征，通過計算機數值模擬和特征參數優化，從減小水輪機葉片表面強化應力應變角度，設計仿生結構體設計；所述水輪機葉片面仿生強化數控加工模塊能夠根據設計好的水輪機葉片面仿生結構體數自動形成數控加工程序，驅動五自由度數控機械工作臺；也能夠在其它計算機設計好水輪機葉片表面仿生結構體，生成數控加工程序，然后導入該示教系統中；同軸視覺傳感采集系統與激光器通過緊固件連接，通過CCD視覺傳感激光熔注熔化狀態和仿生結構體成形特征，傳給控制單元中仿生結構體視覺監控單元；所述五自由度數控機械工作臺是一個龍門數控操作平臺，包括Y向機構安裝在龍門橫梁上，能夠沿著圖2標示Y向移動，?Z向上下進給結構安裝在Y向移動機構上，激光頭與B軸驅動相連，B軸驅動與C軸驅動相連，C軸安裝在立柱上，可沿Z軸上下移動，龍門中間是安裝葉片固定夾具平臺，可沿X方向移動。