熔覆技术

熔覆技术（精选九篇）

熔覆技术 篇1

按涂层材料的添加方式,激光熔覆的工艺方法主要有预置法和同步送粉法2种[2],如图1所示。预置法是将要涂覆的材料通过喷涂或粘接等方法预置于基体表面,然后经激光束辐射进行重熔;同步送粉法是将粉末直接喷在激光辐射所形成的移动熔池上,涂层一次性成型。前者工艺简单、操作灵活,但不易控制基体熔深,稀释度大;后者可以充分利用激光能量,工艺参数易控制,覆层质量较好,生产效率高,但需配置计数精确的送粉装备,对粉末也有特殊要求,如粒度、流动性等,另外,粉末浪费量较大,与喷涂相当。从总体上来看,同步送粉法是今后激光熔覆工艺的发展趋势。

激光熔覆技术具有如下工艺特点[3]:①由于激光具有近似绝热的快速加热过程,激光熔覆对基体的热影响较小,引起的变形也小,因而引起的零件报废率也很低;②控制激光的输入能量,可以将基体材料的稀释降到较低的程度,从而在保证熔覆层与基体形成冶金结合的前提下,又保持原选定的熔覆材料的优异性能,;③适用范围广,理论上几乎所有的金属或陶瓷材料都能激光熔覆到任何合金上。正是由于这些特点,才使得激光熔覆技术近10年来在材料表面改性方面受到了广泛的关注。

1 激光熔覆技术国内外研究动态

1.1 设备

“工欲善其事,必先利其器”,激光熔覆技术的发展也不例外。目前,激光器主要有3种:CO2气体激光器、YAG固体激光器和准分子激光器。国内外常用于激光熔覆的激光器主要有2种:一种是输出功率为0.5～10kW的CO2气体激光器,另一种是输出功率为500W左右的YAG固体激光器。其中工业上用来进行表面强化的激光器多为CO2大功率激光器。

近年来,华中科技大学、中国科学院、清华大学、西北工业大学等国内多家单位在激光熔覆设备及过程控制方面做了许多研究工作,如华中科技大学激光加工国家工程研究中心已相继成功研制出500～10000W大功率CO2气体激光器、100～500W固体激光器等系列激光产品,中科院则开发出集成化激光智能加工系统,清华大学激光加工研究中心已研制出各种规格的同轴送粉喷嘴和自动送粉器等。伴随着计算机技术的不断发展和进步,激光熔覆技术也在朝着自动化、智能化的方向迈进。

国外在这方面起步较早。自1974年Gnanamuthu申请了一项利用激光熔覆法在金属基体上熔覆一层金属的专利[4]之后,美国AVCO和METCO公司都做了大量基础研究工作。2005年,Grunewald等设计了一种新的送粉系统,配套测量装置可反馈信息,从而能够保证整个处理过程供给速度恒定。由于其高度集成且质量较轻,整个供给装置可安装在激光工作头上。为了实现全方位送粉,J.Lin等设计出一种最新的喷嘴装置,粉末材料、气体与激光束一起,三者同轴射入移动基体形成熔池,粉末利用率可达40%[5],比以往有较大的提高。

1.2 材料

激光束由于具有较高的能量密度,不仅可以熔覆金属和合金涂层,而且还可以熔覆陶瓷等一些高熔点难熔涂层[6]。目前,应用于激光熔覆的材料大多沿用的是喷涂用粉末状材料,如金属、合金和陶瓷等,纯金属粉末有W、Mo、Al、Cu、Ni、Ti、Ta、Nb等;合金粉末有Al-Ni、Ni-Cr、Ti-Ni、Ni-Cr-Al、CoCr-W、MCrAlY(M:Co、Ni、Fe)、Fe基、Ni基、Co基自熔合金等;陶瓷粉末有Al2O3、ZrO2、Cr203、TiO2等氧化物陶瓷粉末,WC、TiC、Cr3C2等碳化物陶瓷粉末,WC-Co、Cr3C2-NiCr等金属陶瓷粉末。但随着近年来复合材料的兴起,激光熔覆用材料逐渐由单一的喷涂用纯金属粉末、合金粉末和陶瓷粉末等逐渐向复合材料转变,如合金+陶瓷等。M.Alhammad等[7]在Ti-6Al-4V合金上使用Nd:YAG激光器以不同的扫描速度沉积了一层Ti-Si化合物;Knut Partes等[8]在耐盐酸镍基合金上激光熔覆了NiCrAlY耐高温涂层;渠通洋等[9]在不锈钢基材上通过激光合成Ni-Cr-Al-Co-X(X=Mo、W、Nb、Ti、C、B)+TiC粉末制备了TiC陶瓷颗粒增强Ni-Al基高温耐磨复合材料涂层,试验证明该涂层具有良好的高温稳定性;王华昌等[10]在指定的W6Mo5Cr4V2基体上激光熔覆金属陶瓷Ni60/Ni-Cr-Cr3C2涂层,该涂层组织具有晶粒细小、硬度较高等优良性能。

此外,随着表面科学技术的迅速发展,在激光熔覆层中添加稀土材料对提高熔覆层的性能有着重要意义。汪新衡等[11]用CO2横流激光器在45钢基体表面熔覆稀土氧化物(Ce02)镍基TiC金属陶瓷复合层。试验结果表明,加入适量的稀土氧化物CeO2 (0.6%)可以有效地减少复合层中的裂纹、孔洞和夹杂物,促进晶粒细化,提高熔覆层的组织均匀性及表面硬度,并且可明显改善熔覆复合层的耐磨及耐蚀性能。

1.3 熔覆层性能

激光熔覆技术作为一种新兴的表面改性技术,其涂层不仅极大地提高了工件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀和耐疲劳等力学性能,而且也延长了材料的使用寿命,尤其在废品件维修处理方面的应用具有不可估量的价值,目前已被广泛应用于军事、航空、石油、化工和医疗器械等诸多领域。

1.3.1 耐磨性

Janne Nurminen等[12]通过激光熔覆得到了具有耐磨性的金属基复合材料(MMC)涂层,该涂层包含V、W、Ti和Cr3C2硬质相,这些硬质相与金属工具钢、Stellite 21、NiCrB-Si和Inconel 625合金混合在一起,具有优良的耐磨性,其主要原因就在于金属基内共存着大量、各种各样的碳化物。晁明举等[13]在低碳钢板上使用Ni60合金+(Ta2O5+C)混合粉末材料,采用激光熔覆原位合成了颗粒增强镍基复合镀层,该涂层与基体形成冶金结合,并具有同种均质细小的微观结构,包含近似的立方TaC晶粒和均匀分布的碳化铬,这些碳化铬与γ-Ni固溶体以弥散共晶的形式存在,通过对比发现,TaC/Ni60涂层较Ni60涂层具有更高的耐磨性。为了提高AZ91D镁合金的耐磨性,Yang Y等[14]使用Nd:YAG激光器在其表面熔覆了一层Al-Si合金粉末,通过选择适当的工艺参数和Al、Si的比例得到了无微裂纹、无气孔的优质涂层,该涂层的主要相为Mg2 Si和Mg17Al12,表面硬度由35HV提高到170HV,耐磨性与基体相比提高了4倍多。Guo Baogang等[13]通过激光熔覆与激光渗氮在Ti上原位合成了TiN/Ti3Al金属基复合涂层。研究表明,TiN/Ti3Al金属基复合涂层比Ti3 Al的硬度高,这是由于TiN相较多,通过摩擦磨损试验发现,TiN/Ti3Al涂层的耐磨性能要明显优于纯Ti和Ti3Al涂层。Gonzalez R等[16]研究了火焰喷涂+火焰重熔NiCrBSi涂层和火焰喷涂+激光重熔NiCrBSi涂层的磨损性能,通过磨损试验精确测定了2种涂层的磨损率,发现2种涂层的摩擦性能没有明显差异。高载荷磨损条件下,表层氧化物破坏加剧,此时磨损机制为粘着;低速磨损条件下,在表面形成氧化物致使磨损率降低,此时主要的磨损机制为氧化。

1.3.2 耐腐蚀性

传统的耐腐蚀涂层主要有用于钢铁结构表面耐腐蚀防护的热喷涂铝、锌、锌铝、稀土铝与铝镁合金等涂层。国内外的研究及大量应用表明,这是最有效和最经济的防护方法[17]。P.Volovitch等[18]在ZE41镁合金上通过激光熔覆了Al-Si合金涂层,研究表明,该涂层是由Al-Mg金属间化合物与Mg2 Si树枝状沉淀物组成,Mg固溶于A1中或形成Mg17-Al12金属间相,通过热处理或优化激光工艺参数而使微观组织均匀化,以达到提高其耐蚀性能的目的。张家锋等[19]通过微弧氧化和无铬化学氧化等表面处理方法,浸泡腐蚀和电化学腐蚀等分析方法,研究对比了不同表面处理工艺下压铸镁合金涂层的抗腐蚀性能。XRD分析表明,这2种处理方法得到的覆盖层中主体相均为Mg3Al2Si3012等含硅的尖晶石型氧化物和Mg0.36 Al244 04、MgAl2 04等不含硅的镁铝复合氧化物,有利于提高镁合金的耐蚀性能。匡建新等[20]采用最大输出功率为5kW的横流CO2激光器在45钢基材表面熔覆Ni60+70%镍包WC合金粉末,结果表明,添加适量CeO2的激光熔覆层的耐腐蚀能力比不含CeO2的激光熔覆层要高,且显著优于OCr18Ni9不锈钢。

1.3.3 耐高温性

Knut Partes等[8]在哈氏合金上激光熔覆了NiCrAlY耐高温氧化涂层,置于空气氧化炉(1100℃,450h)中进行试验。通过测试表明,氧化膜分为内、外两层,内层为混合尖晶石型氧化物,外层为氧化铝连续层。该涂层之所以耐高温氧化,是因为在涂层表面形成了连续的氧化铝膜层,阻止了空气向基体的扩散。Sheng W等[21]在AISI 304不锈钢上通过激光熔覆了Ni-Ti-Si三元金属硅化物涂层,该涂层包含Ni16Ti6Si7树枝状组织和枝晶间的Fe-Ni基γ-固溶体,在高温和金属干滑动磨损条件下具有良好的磨损性能。王东生等[22]研究了TiAl合金表面双层辉光离子渗Cr层、等离子喷涂以及激光重熔MCrAlY涂层在850℃的循环氧化行为。结果表明,渗Cr层组织均匀、致密,且与TiAl合金基体为梯度冶金结合;经过激光重熔处理后,等离子喷涂MCrAlY层的片层状组织得以消失,致密性提高;几种涂层均不同程度地提高了TiAl合金的抗高温氧化性能,其中渗Cr层在氧化初期表现出较好的抗氧化性能,但在长期循环氧化过程中存在局部氧化层剥落现象;等离子喷涂MCrAlY层能显著提高TiAl合金的抗高温氧化性能,经过激光重熔后可进一步提高其抗高温氧化性能。

1.3.4 其它性能

通过激光熔覆不仅可以获得耐磨、耐蚀和耐高温等防护性涂层,而且还可以获得一些功能涂层,如生物陶瓷涂层、功能梯度涂层等。Zheng Min等[23]为了在金属植入物和骨组织之间建立生物活性界面,在Ti合金(Ti-6Al-4V)上激光熔覆了一层梯度磷酸钙生物陶瓷涂层。Yue T M等[24]在Mg上激光熔覆Ni/Cu/Al功能梯度涂层,以此来提高Mg的耐蚀性能和耐磨性能。

1.4 工业应用

进入20世纪80年代以来,激光熔覆技术得到了迅速的发展,目前已经成为国内外激光表面改性研究的热点。正是由于理论上的支持和实践中的需要,激光熔覆技术在工业化前进道路上迈出了巨大的一步,其应用领域非常宽广,可应用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海与航天和石油化工等领域。

利用激光熔覆来修复零件已获得了广泛的应用。早在1983年英国的Rolls-Royce公司将激光熔覆应用于RB211型燃气轮叶片连锁肩的修复[25];日本的尼桑公司在铝基发动机叶片上成功地熔覆铜基合金[26];Aihua等[27]采用Ni基和Co基合金粉末,对内燃发动机排气阀密封面进行激光熔覆,代替等离子喷涂和真空感应熔焊涂层工艺,不仅避免了涂层中的孔洞与微裂纹,而且获得了比常规等离子喷涂和真空感应熔焊层更高的显微硬度;Chang Jeny-Ming等[28]在Cu上熔覆Ag作为电接触材料,既可以节约大量的贵金属,也可消除原工艺中的有毒化学电镀物质,从而大大改善生产环境;重庆大学在完成了奥氏体不锈钢表面同步实现合成与涂覆工艺来制备生物陶瓷的基础上,在比强度高、耐蚀性好、医疗用途更广泛的钛合金表面成功地实现激光一步合成和涂覆含Ca5 (PO4)3-OH羟基磷灰石(HA)的生物陶瓷涂层。

2 激光熔覆技术目前存在的主要问题

如上所述,通过合适的工艺方法在不同基体材料熔覆一层具有特殊性能的涂层,可以极大地改善基体材料的性能,尤其是提高硬度、耐磨性、耐蚀性等性能。目前,激光熔覆技术之所以尚未在工业生产中获得大规模的应用,主要是因为在激光熔覆过程中仍然存在一些问题尚未彻底解决。

(1)熔覆层的裂纹、剥落以及工件变形问题。裂纹是大面积激光熔覆过程中最为棘手的问题。熔覆层中的残余应力是造成开裂的主要原因,包括热应力、组织应力和约束应力。由于激光的能量密度集中,使得涂层完全熔化而基体表面微熔,熔覆层和基体之间存在极大的温度梯度。随着激光束与工件的相对移动,在凝固过程中,由于异种材料性能的差异,形成的温度梯度和热膨胀系数的差异造成涂层与基体收缩不一致,熔覆层受到周围环境的约束,在涂层中形成拉应力。当局部拉应力超过材料的强度极限时,就会产生裂纹,如图2所示(未预热,V=720mm/min)。

王东生等[29]就V2O5对NiCrBSiC涂层的裂纹敏感性进行了深层次的研究,结果发现,V2 O5的加入对裂纹的减少确实起到了明显的效果。这是由于V2 O5的加入使涂层中优先形成了钒硼化合物,这些钒硼化合物的产生对形成均匀分布的树枝状组织有利,正是这树枝状组织抑制了铬碳化合物的产生。剥落是由于结合强度不够高,涂层与基体未形成良好的冶金结合,在强大的载荷下,材料表层容易疲劳而与基体分离。只要选择合适的工艺参数与工艺方法,就能使激光熔覆层完全熔化,与基体之间达到冶金结合,此时结合强度很高,一般不会发生脱落。工件的变形也是激光熔覆技术的一大难题。由于激光束的能量极高并且集中,在熔覆过程中工件极易产生变形,因此,它不适合大型件、薄壁件的表面熔覆,一般在条件允许的情况下尽可能采用低功率熔覆,这样也可以节约能量,提高效率。

(2)熔覆层材料未形成完整体系的问题。涂层与基材的结合效果主要取决于熔覆层材料和基体材料的性质,如熔覆层材料与基材的熔点差异过大,就很难形成良好的冶金结合。2种材料的性质直接制约着熔覆层的质量,当然,熔覆层的质量还与激光熔覆的工艺参数等要素密切相关。因此,必须采用相对基体材料具有良好润湿性及适当熔点的表面合金,使其系统化、理论化、实践化,只有这样,熔覆层质量才能达到预期的效果。

(3)铝、镁等轻质金属合金的激光熔覆层质量问题。由于铝、镁等是熔点较低的轻金属材料,如果功率密度过大,基底材料表面熔深就会较大,使涂层的稀释度也较大[31]。而且,由于铝与氧的亲和力很大,所以常温下铝合金在空气中极易被氧化,在其表面产生一层致密的氧化膜A1203,该A1203氧化膜的熔点较高,在激光熔覆过程中的熔池内很难熔化,且密度比率大,在成型过程中很难上浮,易在界面上形成气孔,影响熔覆层的质量,如图3所示(P=2.5kW,V=5mm/s,Q=20L/min)。

3 激光熔覆技术的前景展望

随着计算机技术的不断发展以及科技的不断进步,激光熔覆技术具有更为广阔的发展前景。

(1)应进行更深层次的基础理论研究工作[17,33]。如建立熔池的温度场分布模型,研究熔池内流体的对流机制,以及凝固时熔覆层内组织发生变化的规律,进而优化工艺参数;建立科学的激光熔覆动力学及热力学模型,从热力学和外延生长的角度出发,系统地研究激光熔覆过程中的快速凝固行为,揭示材料微观结构的形成规律。

(2)对激光熔覆设备进行改进,以适应日后规模化生产与加工。近年来,对于使用连续CO2气体激光器进行熔覆,国内外学者都已经做出了大量的研究工作,而研制出主要应用于有色金属合金表面改性方面的高功率YAG激光器迫在眉睫。虽然目前激光熔覆技术还未规模化,但是随着激光熔覆的进一步发展和科技进步的日新月异,应尽早致力于大功率、小型化激光器的研制与开发工作。另外,激光熔覆用配套设备,如送粉器等,应进一步改进控制系统,使其更为精确,并朝着自动化、智能化、人性化的方向迈进。

(3)应尽早制备出适合于激光熔覆的专用材料,或粉末状,或棒状,或板状。如前所述,目前激光熔覆所用的材料大部分是喷涂用合金材料,对于激光熔覆过程中存在的一些疑难问题,除了工艺上存在不足之外,在涂层材料的选择上也需要多加考虑。因此,根据所需要的熔覆层性能定性甚至定量地设计出合金的成分,并根据不同的工况条件设计出不同形状的涂层材料,应是目前需要研究的课题之一。

(4)开发激光熔覆与其它表面改性技术复合的新技术,制订出新工艺新方法。通过工艺复合这种思路,可以达到“1+1>2”的功效,这是对激光熔覆技术的革新,不仅可以弥补由于激光熔覆工艺和材料等自身带来的不足,而且能拓宽激光熔覆技术未来的应用领域,以达到工业应用的目的。

摘要：首先从激光熔覆用设备与材料、熔覆层的性能以及工业应用等方面,综述了国内外激光熔覆技术的研究动态与进展。其中,着重介绍了激光熔覆层的性能,如耐磨、耐蚀、耐高温等。随后指出了激光熔覆技术目前存在的一些技术难题,如熔覆层的开裂与剥落、工件的变形、不完整的熔覆层材料体系以及轻金属的熔覆质量等问题。最后展望了激光熔覆技术的发展前景,并针对目前该技术存在的问题指明了今后的发展方向。

熔覆技术 篇2

激光熔覆技术可显著改善金属表面的耐磨、耐腐、耐热水平及抗氧化性等。目前有关激光熔覆的研究主要集中在工艺开发、熔覆层材料体系、激光熔覆的快速凝固组织及与基体的界面结合和性能测试等方面。

航空领域是关系到国家安全的重要领域，也是国家重点支持的战略行业。如何将激光熔覆技术更好的运用于我国的航空制造具有极为重要的战略意义。航空材料是武器装备研发与生产的重要物质基础和科技先导，强化航空材料基体硬度和耐磨性能对于航空材料的改进具有极为重要的意义。如大功率激光器的开发和应用，为航空材料表面改性提供了新的手段，也为材料表面强化技术的发展开辟了一条新的途径。陶瓷材料具有金属材料不可比拟的高硬度和高化学稳定性，因此可以针对零件的不同服役条件，选择合适的陶瓷材料，利用高能密度激光束加热温度高和加热速度快的特点，在金属材料（如钛合金）表面熔覆一层陶瓷涂层，从而将陶瓷材料优异的耐磨、耐蚀性能与金属材料的高塑性、高韧性有机地结合起来，可大幅度提高航空零件的使用寿命。

激光熔覆技术在飞机零件制造中的应用

飞机机体和发动机钛合金构件除了在工作状态下承受载荷外，还会因发动机的启动/停车循环形成热疲劳载荷，在交变应力和热疲劳双重作用下，产生不同程度的裂纹，严重影响机体或发动机的使用寿命，甚至危及飞行安全。因此，需要研究航空钛合金结构的表面强化方式，发挥其性能优势，使之得以更广泛的应用。

陶瓷分为氧化物陶瓷和碳化物陶瓷，氧化铝、氧化钛、氧化钴、氧化铬及其复合化合物是应用广泛的氧化物陶瓷，也是制备陶瓷涂层的主要材料。碳化物陶瓷难以单独制备涂层，一般与具有钴、镍基的自熔合金制备成金属陶瓷，该金属陶瓷具有很高的硬度和优异的高温性能，可用作耐磨、耐擦伤、耐腐蚀涂层，常用的有碳化钨、碳化钛和碳化铬等[7]。采用激光熔覆制备陶瓷涂层可先在材料表面添加过渡层材料（如NiCr、NiAl、NiCrAl、Mb等），然后用脉冲激光熔覆，使过渡层中的Ni、Cr合金与陶瓷中Al2O3、ZrO2等材料熔覆在基体的表面，形成多孔性，基体中的金属分子也能扩散到陶瓷层中，进而改善涂层的结构和性能。将陶瓷涂层激光熔覆用于航空发动机涡轮叶片是一项很有应用价值的高新技术，常用的激光熔覆材料见表1。

飞机制造中较多采用钛合金，如Ti-6Al-4V钛合金用于制造高强度/重量比率、耐热、耐疲劳和耐腐蚀的零部件。但在这些钛合金的加工制造中，传统工艺方法有许多难以克服的弱点，如生产隔板是由数英寸厚和数十千克重的齿形合金板加工而成的，而获得这些合金板成品需要一年以上。因为难以加工，加工这种零件需要花费加工中心数百小时的工作量，磨损大量的刀具。而激光熔覆技术在这方面具有较大优势，可以强化钛合金表面、减少制造时间。

激光熔覆是现代工业应用潜力最大的表面改性技术之一，具有显著的经济价值。20世纪80年代初，英国Rolls·Royce公司采用激光熔覆技术对RB211涡轮发动机壳体结合部位进行硬面熔覆，取得了良好效果。表2所示是激光熔覆在航空制造中应用的几个实例。

近年来，美国AeroMet公司的研发有了实质性的进展，他们生产的多个系列Ti-6Al-4V钛合金激光熔覆成形零件已获准在实际飞行中使用。其中F-22战机上的2个全尺寸接头满足疲劳寿命2倍的要求，F/A-18E/F的翼根吊环满足疲劳寿命4倍的要求，而升降用的连接杆满足飞行要求、寿命超出原技术要求30%[9]。采用激光熔覆技术表面强化制造的钛合金零部件不仅性能上超出传统工艺制造的零件，同时由于材料及加工的优势，生产成本降低20%～40%，生产周期也缩短了约80%。激光熔覆在航空零部件修复中的应用

激光熔覆技术对飞机的修复产生了直接的影响，优点包括修复工艺自动化、低的热应力和热变形等。由于人们期待飞机寿命不断延长，需要更加复杂的修复和检修工艺。涡轮发动机叶片、叶轮和转动空气密封垫等零部件，可以通过表面激光熔覆强化得到修复。例如，用激光熔覆技术修复飞机零部件中裂纹，一些非穿透性裂纹通常发生在厚壁零部件中，裂纹深度无法直接测量，其他修复技术无法发挥作用。可采用激光熔覆技术，根据裂纹情况多次打磨、探伤，将裂纹逐步清除，打磨后的沟槽用激光熔覆添加粉末的多层熔覆工艺填平，即可重建损伤结构，恢复其使用性能[10]。

激光熔覆发动机涡轮叶片用到的基体材料和合金粉末见表3。用于熔覆的粉末粒子成球状，尺寸小于150μm。不同合金粉末的熔覆层要选用不同的工艺参数，以获得最佳的熔覆效果。

把受损涡轮叶片顶端修覆到原先的高度。激光熔覆过程中，激光束在叶片顶端形成很浅的熔深，同时金属粉末沉积到叶片顶端形成焊道。在计算机数值控制下，焊道层叠使熔覆层增长。与激光熔覆受损叶片不同的是，手工钨极氩弧堆焊的叶片堆焊后的叶片必须进行额外的后处理。叶片顶端要进行精密加工以露出冷却过程中形成的空隙，而激光熔覆省去了这些加工过程，大大缩减了时间和成本。

在航空领域，航空发动机的备件价格很高，因此在很多情况下备件维修是比较合算的。但是修复后零部件的质量必须满足飞行安全要求。例如，航空发动机螺旋桨叶片表面出现损伤时，必须通过一些表面处理技术进行修复。激光熔覆技术可以很好的用于飞机螺旋桨叶片激光三维表面熔覆修复。

图1所示的航空发动机叶片是经过激光修复的。熔覆材料（合金粉末）为Inconel 625（Cr-Ni-Fe 625合金粉末），叶片材料为Inconel 713。通过金相方法检测熔覆层的截面可以发现，激光熔覆后在叶片基体材料和熔覆层之间形成了一个冶金结合的熔覆过渡区[11]。

激光熔覆可以强化材料表面的合金熔覆层、提升合金表面的力学和化学性能。堆焊合金粉末是较理想的激光熔覆材料，具有很高的应用价值。堆焊合金粉末可以在激光束照射下快速地熔化，而后熔覆在航空零部件的表面。这个过程可以采用预置涂层法，预置材料可以是丝材、板材、粉末等，最常用的材料为合金粉末。激光熔覆先将熔覆材料预置于基体表面的待熔覆部分，然后用激光束扫描熔化熔覆材料和基体表面来实现表面强化。

熔覆区在激光束和送粉系统的作用下形成，基体材料和合金粉末决定了表面熔覆层的性质。激光直接照射在基体表面形成了一个熔池，同时合金粉末被送到熔池表面。氩气在激光熔覆的过程中也被送入熔池处以防止基体表面发生氧化。形成的熔池在基体表面，如果合金粉末和基体表面都是固态，合金粉末粒子接触到基体表面时会被弹出，不会黏着在基体表面发生熔覆；如果基体表面是熔池状态，合金粉末粒子在接触到基体表面时就会被黏着，同时在激光束作用下发生激光熔覆现象，形成熔覆带。图2所示是用激光熔覆技术修复的涡轮叶片。

激光熔覆层的耐磨性与硬度成正比。熔覆层的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性能一般难以兼顾。通过激光熔覆工艺可以改善基体表层的显微组织和化学成分。

激光熔覆工艺与钨极氩弧焊（TIG）熔覆工艺相比有很大的优势。激光熔覆层的性质取决于熔覆合金元素的比例。为了达到最好的预期效果，须尽可能地避免基体材料的稀释作用，因为熔覆层的硬度和基体材料的稀释成反比。在Inconel 792合金表面，分别采用激光熔覆和钨极氩弧焊熔覆Rene142合金粉末，显微硬度的比较如图3所示。

从图3中可见，激光熔覆产生的强化表层硬度比钨极氩弧焊熔覆的表面硬度要高，其原因在于激光熔覆层的高凝固速度以及在溶池中产生的强对流效应。因此，激光熔覆技术相对钨极氩弧焊熔覆在航空领域更具有应用价值。

相关资料表明，采用激光熔覆技术修复后的航空部件强度可达到原强度的90％以上，更重要的是缩短了修复时间，解决了重要装备连续可靠运行所必须解决的转动部件快速抢修难题。

激光熔覆在航空材料表面改性中的应用

激光熔覆高硬度、耐磨和耐高温涂层

为了防止在高速、高温、高压和腐蚀环境下工作的零部件因表面局部损坏而报废，提高零部件的使用寿命，世界各国都在致力于研发各种提高零件表面性能的技术[12]。传统的表面改性技术（如喷涂、喷镀、堆焊等）由于层间结合力差和受固态扩散差的限制，应用效果并不理想。大功率激光器和宽带扫描装置的出现，为材料表面改性提供了一种新的有效手段。激光熔覆是经济效益高的新型表面改性技术，它可以在廉价、低性能基材上制备出高性能的熔覆层，从而降低材料成本，节约贵重的稀有金属，提高金属零件的使用寿命[13]。

现代飞机制造中大量使用钛合金和铝合金，例如美国的第四代战机F-22机体钛合金的使用量已达到41%，而美国先进的V2500发动机钛合金的用量也达到了30%左右。钛及钛合金具有高比强度、优良的耐腐蚀、良好的耐高温性能，可以减轻机体重量、提高推重比。钛合金的缺点是硬度低、耐磨性差。纯钛的硬度为150～200HV，钛合金通常不超过350HV。在很多情况下，由于钛及钛合金表面会生成一层致密的氧化膜从而起到防腐蚀的作用，但是在氧化膜破裂、环境恶劣或发生缝隙腐蚀时，钛合金的耐腐蚀性能将大大降低。

2000年首飞的美国F-35战机上铝合金总用量在30%以上[14]。但是铝合金的强度不够高，使用时易生产塑性变形，特别是铝合金表面硬度低、耐磨性很差，在某种程度上制约了它的应用。

经过激光熔覆的钛合金表面显微硬度为800-3000HV。用激光熔覆技术对铝合金表面进行表面强化是解决铝合金表面耐磨性差、易塑性变形等问题的有效方法。与其他表面强化方法相比，该方法强化层与铝基体之间具有冶金结合特点，结合强度高。熔覆层的厚度达到1～3mm，组织非常细小，熔覆层的硬度高、耐磨性好，并具有较强的承载能力，从而避免了软基体与强化层之间应变不协调而产生裂纹。另外，在钛合金、铝合金表面熔覆高性能的陶瓷涂层，材料的耐磨性、耐高温性能等可以得到大幅度提高。

激光熔覆获得热障涂层

近年来，航空发动机燃气涡轮机向高流量比、高推重比、高进口温度的方向发展，燃烧室的燃气温度和燃气压力不断提高，例如军用飞机发动机涡轮前温度已达1800℃，燃烧室温度达到2000℃～2200℃，这样高的温度已超过现有高温合金的熔点。除了改进冷却技术外，在高温合金热端部件表面制备热障涂层（Thermal Bamer Coating，TBCs）也是很有效的手段，它可达到1700℃或更高的隔热效果，以满足高性能航空发动机降低温度梯度、热诱导应力和基体材料服役稳定性的要求[15-16]。20世纪70年代陶瓷热障涂层（TBCs）被成功用于J-75型燃气轮机叶片，世界各国投入巨资对其从材料到制备工艺展开了深入的研究。

20世纪80年代以来，在材料表面激光熔覆陶瓷层获得了致密的柱体晶组织，提高了应变容限；致密、均匀的激光重熔组织以及较低的气孔率可降低粘结层的氧化率，阻止腐蚀介质的渗透。可利用大功率激光器直接辐射陶瓷或金属粉末，将其熔化后在金属表面形成冶金结合，得到垂直于表面的柱状晶组织。由于熔覆层凝固的次序由表到里，表层组织相对细小，这样的结构有利于缓和热应力，例如用激光熔敷方法得到了8%（质量分数）氧化钇部分稳定氧化锆（YPSZ）热障涂层。也可将混合均匀的粉末置于基体上，利用大功率激光器辐射混合粉末，通过调节激光功率、光斑尺寸和扫描速度使粉末熔化良好、形成熔池，在此基础上进一步通过改变成分向熔池中不断加入合金粉末，重复上述过程，即可获得梯度涂层。

关键部件表面通过激光熔覆超耐磨抗蚀合金，可以在零部件表面不变形的情况下提高零部件的使用寿命、缩短制造周期。激光熔覆生产的热障涂层有良好的隔热效果，可以满足高性能航空发动机降低温度梯度、热诱导应力和基体材料服役稳定的要求。

结束语

熔覆技术 篇3

关键词：塑料模具；失效机理；熔覆再制造技术

1.塑料模具的主要失效形式

塑料模具随着现代工业的快速发展得到了广泛应用，导致模具失效问题越来越普遍，造成大量的模具报废，严重影响了塑料制品的质量，模具的失效已成为制约塑料模具行业使用和发展的重要问题。

（1）表面磨损和腐蚀

塑料熔化后塑料颗粒以一定压力和速度在模具型腔内流动，以及冷却凝固后的塑料制品从模腔内中脱出，这都会使塑料件和模具型腔表面产生摩擦，并且塑料中含有较硬的固体填料如硅砂、云母粉、钛白粉、玻璃纤维等，则使磨损更为剧烈。加之，一些塑料熔化后，其中含有氯、氟等成分的物质受热分解后会释放出氯化氢、氟化氢等腐蚀性气体，会使模具型腔表面产生腐蚀。这些因素的影响达到一定程度后就引起型腔表面粗糙度升高，最终导致模具尺寸超差而失效，从而造成塑料制品质量不合格。表面磨损和腐蚀约占总失效形式的四到五成。在压缩模中，塑料原料多以粉末状加入型腔，且多含有木粉等填料，它们在加热、加压熔融流动的过程中，对压缩模型腔的磨损也很严重，磨损导致模具型腔表面的粗糙度值增大。这类失效的修复一般用氩弧焊、激光、等离子熔覆等工艺后再进行表面修磨、抛光处理。熔覆层比较厚的一般采用加工中心加工，然后进行表面抛光处理。

（2）断裂

形状结构复杂的塑料模具会存在棱角和薄壁部位，这些部位会使应力集中。当该应力超出了材料的强度极限时就产生了微裂纹，随着集中应力的不断增加，微裂纹也会不断地扩大，最终导致模具断裂。断裂失效是常见的危害严重的失效形式，约占总失效形式的三到四成。分型面棱角的断裂就会造成塑料制品的飞边，对这类失效一般是用激光熔覆修复，然后进行打磨、抛光处理。

（3）变形

塑料模具在制造和使用过程中，由于模具材料本身承载能力不足以抵抗外加载荷，从而引起表面皱纹、凹陷、棱角堆塌、麻点等局部的塑性变形，超出了模具要求的尺寸范围，造成了模具失效，在失效比例中约占一到两成。局部的塑性变形一般都可以用氩弧焊、激光、等离子熔覆修复。

2.塑料模具失效机理及预防措施、修理方法

2.1 塑料模具表面磨损和腐蚀失效

表面磨损和腐蚀在失效形式中约占四到五成，是塑料模具失效的主要形式。塑料模具在使用过程中表面磨损和腐蚀使型腔表面粗糙度变大、模具尺寸超差，造成塑料制品质量不合格。模具的表面磨损和腐蚀其主要原因是模具在使用过程中其表面在高温腐蚀性塑料固体颗粒冲刷作用下，使模具表面产生氧化-冲蚀的失效现象。

2.2 塑料模具表面氧化-冲蚀的物理模型

（1）表面氧化模型

塑料模具在使用中造成表面粗糙度值提高和尺寸超差主要是由于氧化-冲蚀磨损造成的，从而造成模具的失效。模具材料、表面氧化物、磨粒的性能及磨粒冲击角等是研究塑料模具表面磨损和腐蚀失效机理的重要内容。一般塑料模具的材料具有良好的延展性，而塑料模具表面氧化物则表现出脆性。因此，在研究模具表面磨损和腐蚀机理时，先要考虑模具表面氧化膜受到高温塑料粒子冲击的影响。研究显示，当塑料粒子冲击的能量不足以破坏模具表面的氧化膜所需的能量时，这时氧化膜起保护作用，氧化动力学决定了模具表面质量流失随时间变化的规律，且无冲蚀现象出现。当塑料粒子能量增加，塑料模具表面的氧化膜局部出现了断裂，此时，因氧化膜还有一定的保护作用，模具表面质量流失随时间变化曲线出现了不平滑的现象。当粒子速度持续增加，模具表面氧化膜又被消薄，这时，模具型腔表面受到的最大法向力将增大，型腔表面会出现塑性变形，从而出现了冲蚀现象。此时，模具表面的抗冲蚀能力的大小影响表面金属流失的速度，氧化过程的影响相对变小。如果此时模具表面氧化膜没发生断裂剥落，模具表面受到的冲击力会因氧化膜的存在而减少，此时模具表面质量流失反而下降了。

（2）塑脆流失模型

在低温状态下，模具型腔表面的氧化膜薄与基体结合牢固且具有韧性，当模具表面氧化膜在塑料粒子冲击下开始塑性变形，但并没有发生开裂或剥落现象，这样就产生了金属冲蚀，模具表面质量流失表现出塑性材料的特性。当氧化膜足够厚且与表面结合强度高的情况下，其冲蚀行为表现出脆性破坏特性。当表面氧化物膜足够厚，且在冲蚀下发生开裂但还没大片剥落情况下，这时高温塑料粒子会被压入塑料模具表面内，此时氧化膜下的金属会被挤压出氧化膜的裂缝，出现一层含有金属和氧化物的复合层，在这复合层上将发生冲蚀行为，产生氧化影响冲蚀。这时模具表面复合层的冲蚀行为表现出即是塑性又是脆性的，复合层的冲蚀行为的脆塑性表现与该层中的氧化物含量有关。如果氧化膜是脆性且与模具表面结合不牢固，就会产生剥落式和连续式两种氧化控制冲蚀情况。

对塑料模具表面氧化-冲蚀的研究显示，模具表面高温氧化-冲蚀现象存在四种机制，四种机制分别为冲蚀为主、氧化促进冲蚀、氧化抑制冲蚀和氧化为主的4种机制。当温度从环境温度升高到T1，这时是以冲蚀为主的区段，模具表面质量损失随温度的升高而增加，当温度从T1升高到T2，这个区段为氧化促进冲蚀，模具表面质量损失随温度的升高而增加。当表面氧化层温度升高到T2后的一个较窄的T2～T3温度区间，形成氧化抑制冲蚀区域，并起到抗冲蚀的作用。曲线在高温区段时塑料模具表层质量损失随温度升高再度升高。如果温度继续升高，氧化变得越来越严重而冲蚀作用相对降低，模具表层质量流失将上升。研究表明，温度高低、塑料粒子的冲击速度快慢和冲击角度的大小以及模具材料性能优劣直接影响塑料模具表面高温氧化-冲蚀程度。

3.再制造技术的概述

再制造技术是对局部损伤的零件采用先进的表面工程技术，通过再制造修复后继续使用，对已经损坏的部件进行整体更换处理。并针对不同的失效原因采取相应的修复措施使产品的使用寿命延长，挖掘废旧产品中的潜在附加值是再制造技术的宗旨。

再制造技术不仅仅是维修，它属于绿色制造，具有自身独立的学科方向。再制造技术的理论基础是产品的再制造性评价、失效分析和寿命预测。其内容包括：再制造性评价与设计、产品失效机理分析、产品剩余寿命评估、再制造加工技术。

塑料模具再制造技术的内容（1）在塑料模具的设计阶段，要考虑模具的再制造性设计；

（2）在塑料模具的服役至报废阶段，要考虑模具的全寿命周期信息跟踪；（3）在塑料模具的报废阶段，要考虑对模具的非破坏性拆解、低排放式物理清洗；（4）要进行塑料模具的失效分析及剩余寿命演变规律的探索；（5）要完成塑料模具失效部位的具有高结合强度和良好力学性能的表面覆层的设计，以及在修复后模具尺寸超差部位的机械加工及质量控制等。

在塑料模具设计阶段应考虑再制造性。型腔用于成型塑料制品外表面，其结构分为整体式、局部镶嵌式、大面积或四壁拼合的组合式。如图所示为整体式型腔结构。整体式型腔由整块材料加工而成，使用中刚性好，一般不会产生变形，生产的塑料制品表面质量好，无拼接线。但整体式型腔结构加工困难、热处理不便、特别是维修困难，因此只适用于形状简单的中小型模具。

斜面对合导向结构。使用导柱、导套导向，虽然对中性好，但毕竟由于导柱和导套之间有配合间隙，导向精度相对难以达到极高的标准，因此有采用直接在模板上开设出定位斜面或者采用斜面定位镶块，并在定位斜面上镶嵌上耐磨的淬火镶块。这样就能提高使用寿命，不需要经常拆卸更换，且便于调节精度。

4.参考文献

[1] 肖文军，等.我国塑料模具钢发展前景及应用状况[J].南方金属，2006，（149）：2

[2] 江健.浅析注塑模具的发展[J].广西轻工业，2011，（3）：1～2

激光熔覆工艺修复轧辊技术研究 篇4

由于受高温、高速的坯料冲击，轧辊工作时其工作面快速磨损达到一定程度，导致无法使用而作废品处理[3]。因此，为提高轧辊的使用寿命，就需要采用高效率、低成本的轧辊表面处理新技术。轧辊的频繁更换严重影响了生产效率[4]。针对激光修复轧辊加工过程中，熔覆质量难以控制的问题，因此本文拟采用激光熔覆的方法对使用过程中受损的轧辊进行修复，重点对激光熔覆的工艺参数影响熔覆层表面质量进行研究，希望通过激光熔覆修复提高轧辊的耐磨性，从而延长其使用寿命。

1 激光熔覆工艺技术研究

为了研究激光熔覆工艺在棒材轧辊表面的应用，并找出最适合的激光熔覆工艺参数值，首先，对工艺参数包括激光功率，扫描速度，送粉率、搭接系数等对激光熔覆的表面质量及内部组织的影响开展试验。试验基材选用高速钢板，熔覆材料选用Ni45自熔合金，通过上述试验，选取优化的熔覆工艺，调整工艺参数，得到最优的结果;最后，根据以上分析结果，利用优化的工艺参数对轧辊进行激光熔覆处理，最后对修复后的轧辊跟踪作业，得出实际加工效果。

试验使用一台5 kW CO2激光熔覆系统，系统主要包括控制系统、横流大功率CO2激光器、送粉系统及相关附件，可进行多种激光试验及加工。

该系统主要部件是GS-HL-5 000 W型高功率横流CO2激光器，可用于激光热处理、焊接、切割及表面合金化等应用，可加工各种金属和非金属材料。该激光器是一种采用横向针板放电的气体快速循环流动激光器，具有功效高、光束质量高、寿命长、稳定性好、结构紧凑、使用费用低、维修方便等特点，在国防、工业、科研等领域具有广泛的应用前景[5]。

送粉系统采用自制的旋转气动可调送粉器，通过载粉气流将粉末输送到激光熔池，完成激光熔覆过程，送粉效率20～300 g·min-1。

2 激光熔覆工艺试验分析

为使熔覆效果最好，通过试验，优化激光功率、扫描速度、送粉量、搭接系数工艺参数最后，根据以上分析结果，对轧辊进行激光熔覆处理，最后对修复后的轧辊进行跟踪作业。

2.1 激光功率变化对熔覆质量的影响

该试验主要考察激光功率变化对熔覆质量的影响，扫描速度设为4.5 mm·s-1，送粉率为20 g·min-1，在上述参数条件下，激光功率分别选用3.4 k W、3.7 k W、4.0 k W，进行单道熔覆试验。试验后样品如图1所示，具体参数以及熔覆质量如表1所示。

试验结果观察:从图1(a)中可以看出，激光功率为3.4 kW时，试样表面不平、气孔多、有裂纹、有明显夹杂，这种情况是由于功率过低熔覆层未完全熔化造成的缺陷;图1(b)图随着激光功率的增加到3.7 kW，试样表面已经较为平滑，无明显夹杂、气孔等缺陷，是较为理想的效果;图1(c)图随着功率增加到4.0 k W，试样表面粗糙，熔覆层有明显气孔、凹陷，整个激光熔覆由于熔池温度过高，造成熔覆层过烧，产生缺陷。

试验结果分析:在其它工艺参数不变的情况下，当功率过低时合金粉末熔化不彻底易造成夹杂气孔、裂纹等缺陷，随着功率升高，熔覆层表面平滑，无气孔、裂纹缺陷产生，达到熔覆要求。而当功率过高时，因能量密度过高合金粉末表面氧化造成熔覆层过烧，又造成表面粗糙有微裂纹产生，因此，在其它工艺参数不变时，选择激光功率3.7 kW左右才能达到预期的熔覆效果，本次试验熔覆效果最佳是3.7 kW激光功率。

2.2 激光扫描速度变化对熔覆质量的影响

选用高速钢板作为试验基材，Ni基合金粉末作为熔覆材料，进行单道熔覆试验。本次试验工艺参数为激光功率3.7 k W、送粉率20 g·min-1，扫描速度分别采用4 mm·s-1、6 mm·s-1、8 mm·s-1，试验后样品如图2所示，具体参数以及熔覆质量如表2所示。

试验结果观察:图2(a)中，由于扫描速度过低，激光停相对停留时间过长，致使熔覆层表面氧化产生缺陷;图2(b)扫描速度增加，熔覆层表面较为平滑，无夹杂、裂纹等缺陷，扫描速度最佳;图2(c)扫描速度过快，熔池粉末熔化不完全，产生夹杂、气孔。

试验结果分析:从上述试验中可知，若其它工艺参数不变，扫描速度过慢，单位时间合金粉末供应量过多易使熔覆层变厚，引起夹杂、气孔裂纹，扫描太快熔池粉末量供应不足，造成熔覆层过薄燃烧、表面粗糙、硬度下降。

2.3 送粉率变化对熔覆质量的影响

依旧选用高速钢板作为基材，Ni基合金粉末作为熔覆材料进行单道熔覆试验。试验激光功率为3.7 k W，扫描速度为6 mm·s-1，送粉率分别为17 g·min-1、19 g·min-1、21 g·min-1，试验后样品如图3所示，具体参数以及熔覆质量如表3所示。

试验结果观察:从图3(a)中可知，由于送粉率过低，激光熔池不稳定造成试样表面粗糙不平、有明显夹杂;图3(b)随着送粉量的增加，试样表面变的较为平滑，无明显夹杂、气孔，达到理想的熔覆效果;图3(c)当送粉量增加到21 g·min-1，试样表面变得粗糙，不平整。

试验结果分析:当其它参数不变时，送粉率过低，造成激光熔池不稳定，送粉量过高会造成激光功率相对不够，均产生熔覆缺陷，可见，选择合适的送粉率十分重要，本次试验中送粉率选择19 g·min-1熔覆效果较佳。

2.4 多道搭接系数试验

搭接系数是指单道熔覆层之间的重叠程度，一般用重叠量与单道熔覆层的宽度的比值来计算[6]。由于受功率等诸多因素的影响，激光熔覆层单道宽度是非常有限的，要实现大面积的激光熔覆必须要通过多个单道搭接而成，恰当的搭接系数是获得高质量熔覆产品的关键因素。上述对激光功率、扫描速度、送粉率等参数的试验是单道试验，给多道熔覆试验提供了参考数据。

多道搭接试验基材依旧选用高速钢，熔覆粉末选用Ni45合金粉末，采取的工艺参数数为激光功率3.7 kW，扫描速度6 mm·s-1，送粉量19 g·min-1，搭接系数分别为30%、40%、50%进行试验，试验试样如图4所示，具体参数以及熔覆质量如表4所示。

试验结果观察:从图4(a)中知搭接系数过低，熔覆层表面出现明显凹陷;图4(b)随着搭接系数增加，熔覆层表面平滑，无裂纹、空洞、夹杂;图4(c)搭接系数过高，熔覆层表面产生隆起、夹杂、空洞。

试验结果分析:当搭接系数过低时，在相邻单道之间易产生间隙形成沟状间隙，搭接系数过高容易造成邻道之间熔覆厚度增加形成凸起，产生夹杂气孔，根据试验结果搭接系数在40%左右时效果最好，过高或过低都有缺陷。

2.5 效果跟踪

熔覆后的轧辊熔覆层搭接比较均匀，无明显夹杂、气孔，无明显凸起感凹陷缺陷，表面硬度和厚度分布均匀，表面平滑，表观质量较好。对熔覆后的轧辊多部位进行硬度测量，均达到设计要求。轧辊熔覆后在线作业跟踪结果得知，作业效果较好，轧辊表面熔覆后在线作业轧钢量达到了理想的效果，其中单槽轧钢量较熔覆前提高了近1倍。

3 结束语

激光熔覆技术在冶金行业已得到普通的推广应用，并不断地向更深的层次发展，对冶金生产起到越来越重要的作用[7]。文章对激光熔覆技术工艺与质量的关系进行了实践与研究，在高速钢钢基材上预涂Ni45粉末，用高功率CO2激光器进行熔覆处理，得到优化的工艺参数为:激光功率3.7 kW、送粉率选择19 g·min-1、扫描速度6 mm·s-1、搭接系数40%。针对棒材轧辊进行了激光熔覆的应用实践，通过在线作业实际生产效果很好，实现延长工件寿命的目的，同时为企业创造了可观的经济效益。该熔覆工艺在节能、环保上有着积极的现实意义[8]。

摘要：近年来,激光表面处理技术在轧辊表面处理上应用广泛,文中以轧辊为主要对象,研究激光熔覆工艺在棒材轧辊表面的应用,并对激光熔覆工艺参数进行了讨论。针对激光修复轧辊加工过程中,熔覆质量难以控制的问题,采用改变激光功率、扫描速度、送粉率等激光熔覆工艺参数的方法,通过试验得出工艺参数在激光功率3.7 k W、扫描速度6 mm·s-1、送粉量19 g·min-1、搭接系数在40%时,激光的熔覆效果最好。对修复好的轧辊跟踪作业,单槽轧钢量较熔覆前提高了近1倍,经济效益可观。

关键词：激光,熔覆工艺,轧辊,技术应用

参考文献

[1]Ignat S,Sallam P,Grevery D,et al.Magnesium flloy laser(Nd:YAG)cladding and alloying with side injection of aluminum powder[J].Applied Surface Science,2004(3):125-133.

[2]胡乾午,杨泰平,李志远,等.镁基金金属复合材料表面激光熔覆铜合金研究[J].应用激光,2001(8):248-249.

[3]杨宁,杨帆.激光熔覆工艺参数对熔覆层质量的影响[J].热处理技术与装备,2010(31):17-19.

[4]花国然,黄因慧,赵剑峰.激光熔覆纳米A1203等离子喷涂陶瓷涂层[J].中国有色金属学报,2004,14(2):200-203.

[5]张宁.铝合金激光熔覆金属基复合材料及数值模拟[D].沈阳:沈阳工业大学,2007.

[6]张朝辉.ANSYS热分析教程与实例解析[M]北京:中国铁道出版社,2007,2

[7]张庆茂,王忠东,刘喜明,等.工艺参数对送粉激光熔覆层几何形貌的影响[J].焊接学报,2000,2l(2):45-46.

熔覆技术 篇5

关键词：液压支架,立柱,激光熔覆,修复工艺

0 引言

液压支架是综采工作面的支护设备,其主要作用是支护采场顶板,维护安全作业空间,推移工作面采运设备。液压支架在工作过程中不仅要能够可靠地支承顶板而且应能够随着回采工作面的推进向前移动,因此要求液压支架必须具有升、降、推、移四个基本动作,这些动作由乳化液泵站供给的高压液体通过各种阀控制立柱、千斤顶的伸缩来实现。立柱、千斤顶的泄漏是支架功能丧失的主要原因之一,会直接影响安全生产,甚至造成无法估计的后果。油缸缸筒是立柱、千斤顶的重要零件,在使用过程中,立柱和千斤顶经常由于油缸内外表面腐蚀或镀层脱落导致密封损坏,从而导致漏液或泄液,进而影响支架整体使用性能,导致工作面不能正常生产。因此,分析研究液压支架立柱、千斤顶的修复工艺技术有着重要的意义。

1 立柱中缸及活柱外表面激光熔覆工艺

1.1 工艺流程

立柱内孔及外表面修复工艺流程如图1所示。

1.2 工艺技术要求

立柱修复工艺技术要求如下:①对弯曲变形的立柱活柱必须进行校正,校正后弯曲度小于2‰;②修复电镀层、组合密封槽部位;③对立柱中缸、活柱外表面镀铬层车削后进行熔覆处理,达到无腐蚀点、无划痕后进行打磨和抛光处理;④熔覆表面硬度达到HRC48~HRC52(提供硬度检测报告);⑤熔覆加工后厚度单边不低于0.3mm;⑥熔覆后的表面尺寸必须达到标准要求;⑦熔覆层表面硬度应均匀,不允许有硬刺、气泡、脱皮、烧焦及其他缺陷,成品立柱一级中缸外表面、立柱活柱表面不得存在凹坑、凸起、点蚀等现象,要求成品尺寸偏差为Φdf9mm,表面粗糙度≤Ra0.4;⑧立柱中缸内表面及缸口与导向套配合密封面处出现锈蚀麻坑等,与导向套配合螺纹倒扣无法使用时应进行修复,修复后保证在原图纸缸口公差尺寸ΦDE8 mm范围内,处理的缸口及螺纹与缸体内径必须保证同轴度,同轴度不超过0.05mm,修复后的缸体内孔和缸口与导向套配合表面粗糙度≤Ra0.4,其余修复面粗糙度≤Ra0.8,硬度不低于HB220(附检测报告);⑨修复时不得损坏立柱中缸底阀安装孔和底阀定位槽,若损坏必须修复,孔修复面粗糙度≤Ra0.8;⑩底阀安装孔和底阀定位槽保证同轴度,同轴度不超过0.1mm;11 立柱修复参照执行MT313-92《液压支架立柱技术条件》;12 立柱维修质量保证期2年,保证动作不低于1万次,熔覆层5年不得有脱落、气泡、点蚀、凹坑。

2 立柱外缸及中缸内表面修复工艺

2.1 工艺流程

立柱内表面修复工艺流程如下:内表面清洗检查→附件移除→定位面加工及缸口螺纹车除→内表面锈蚀层镗削→内表面熔覆→内表面铜合金熔覆层机械加工→缸口螺纹加工→外表面附件安装→探伤及包装。

2.2 熔覆材料

立柱内表面熔覆材料为一种高硬度实心镍铝青铜焊丝,该焊丝性能良好,成型性优异。使用该型焊丝所获得的熔覆层表层硬度为HB190~HB230,且具有良好的耐腐蚀性能及耐磨损性能。焊丝的化学成分及其性能指标如表1、表2所示。

中缸外表面熔覆材料为一种马氏体不锈钢合金粉末,该合金粉末为水雾法生产的,其形状以球形为主,表面光滑,化学成分均匀,熔点为1 070℃~1 090℃,流动性为50g/18s,松装密度为4.5g/cm3。不锈钢合金粉末形貌如图2所示,经熔覆空冷后可直接得到马氏体及少量奥氏体组织,硬度可达HRC48~HRC52,具有良好的耐腐蚀、耐磨损及较好的抗裂纹性。使用该合金粉末获得的熔覆层硬度为HRC48~HRC52,耐磨性约为基材的3.5倍,中性盐雾试验条件下开始生锈时间大于120h(27SiMn开始生锈时间0.5h),其粉末化学成分如表3所示。

2.3 熔覆设备

内表面冷金属熔覆铜合金工艺使用本公司自主研制的轴类工件内、外表面熔覆专用设备,型号为ZRF-7。该设备配备了新型低热输入冷金属熔覆电源,焊接无飞溅,熔覆层成型美观,其热输入小于常规气体保护焊热输入的1/3,可有效减小工件的焊接变形;采用数控操作系统,自动化程度高,生产效率高;可满足内径Φ240mm~Φ700mm、长度不大于3.1m工件的内表面熔覆;可满足外径不超过Φ800mm、长度0m~3.2m工件的外表面熔覆。

ZRF-7型熔覆设备主要配置有新型低热输入冷金属熔覆电源、高精度伺服电机及数字控制系统、机械摆动器、专用水冷焊枪、水循环冷却系统和大重量送丝系统。熔覆设备的技术参数如表4所示。

中缸外表面熔覆所使用设备为本公司自主研发的IGJR-4型半导体激光熔覆设备,能量转换效率高,耗能小,对工件的热影响小,所制备熔覆层与基体呈牢固的冶金结合并且稀释率低。该设备采用西门子808数控系统,自动化程度高,可加工更加精密的工件,主要配置有4轴联动精密机床、美国相干4kW半导体激光系统、精确送粉系统和双回路液体冷却系统。

2.4 立柱外缸内表面修复工艺流程及技术要求

(1)底缸内表面清洗检查。修复前首先清洗并检查底缸内表面的锈蚀程度及缸体的变形程度,以确定是否适于修复。发现有深度大于1mm的锈蚀点,使用气体保护焊进行修补。

(2)移除影响后续加工的外表面附件。

(3)定位面加工及缸口螺纹车除。以缸口直段为基准面,使用车床在底缸外表面加工出滚轮架支撑环带,加工时保证二者的同轴度误差不大于0.1 mm。以滚轮架支撑环带为基准面,使用车床在底缸缸口端面加工出镗削的基准面,并将原缸口螺纹完全车除。

(4)内表面锈蚀层镗削。使用深孔镗床镗削去除底缸内表面锈蚀层,镗削厚度为0.8mm~1mm,即镗削完成后内径大于原设计尺寸1.6mm~2mm。

(5)内表面熔覆。使用ZRF-7型内表面熔覆设备对底缸内表面进行铜合金熔覆,熔覆层厚度为2.5mm~3.5mm。熔覆的工艺参数如下:

立柱缸体内表面激光熔覆修复过程及其修复后的表面形貌如图3、图4所示。使用ZRF-7型内表面熔覆设备及700 MPa级碳钢焊丝对原缸口螺纹段进行熔覆,熔覆厚度大于螺纹底径。

(6)内表面铜合金熔覆层机械加工。熔覆完成的底缸完全冷却至室温后,使用深孔镗床进行镗削。经粗镗精镗后,底缸内径保留0.5mm加工余量,即镗削完成后底缸内径小于原设计尺寸0.5mm。镗削完成后使用珩磨机将内表面珩磨至设计要求尺寸,加工完成的内表面粗糙度≤Ra0.4。

(7)缸口螺纹加工。按照底缸原设计要求加工出缸口螺纹,采用此工艺可较好保证内表面及螺纹的同心度。

(8)将移除的外部附件按照原设计要求进行安装。

(9)探伤及包装。经过目视检查及超声波探伤,确认无缺陷后进行涂油、涂漆,安装缸口挡盖、包装。

2.5 立柱中缸修复工艺流程

(1)中缸内外表面清洗检查。

修复前首先清洗并检查中缸内外表面的锈蚀程度及缸体的变形程度,以确定是否适于修复。内表面发现有深度大于1mm的锈蚀点时,使用气体保护焊进行修补。

(2)定位面加工及缸口螺纹车除。

以中缸外表面为基准面,使用车床在缸口端面加工出镗削的基准面,并将原缸口螺纹完全车除。

(3)内表面锈蚀层镗削。

使用深孔镗床镗削去除底缸内表面锈蚀层,镗削厚度为0.8mm~1mm,即镗削完成后内径大于原设计尺寸1.6mm~2mm。

(4)内表面熔覆。

使用ZRF-7型内表面熔覆设备对底缸内表面进行铜合金熔覆,熔覆层厚度为2.5mm~3.5mm,熔覆的工艺参数如表5所示。使用ZRF-7型内表面熔覆设备及700 MPa级碳钢焊丝对原缸口螺纹段进行熔覆,熔覆厚度大于螺纹底径。

(5)变形度检查。

检查外表面直径的收缩量,收缩量大于0.05mm时外表面进行激光熔覆。

(6)内表面熔覆层镗削。

熔覆完成的底缸完全冷却至室温后,使用深孔镗床进行镗削。经粗镗精镗后,底缸内径保留0.5mm加工余量,即镗削完成后底缸内径小于原设计尺寸0.5mm。

(7)车除外表面锈蚀层。

以内表面为定位基准,车除外表面锈蚀层,车削厚度0.5mm~0.6mm,即车削后直径小于原设计尺寸1.0mm~1.2mm。

(8)外表面激光熔覆。

要求激光熔覆层表面平整均匀,熔覆层单边高度差不大于0.2mm,熔覆层厚度在1.4mm~1.7mm。

(9)外表面车削及缸口螺纹加工。

外表面经过粗车精车后,保留0.1mm的加工余量,即精车后直径大于原设计尺寸0.2 mm。精车完成后,按原设计要求加工出缸口螺纹。

(10)外表面抛光及内表面珩磨。

使用外圆抛光机对外表面进行抛光,抛光至设计要求尺寸,且粗糙度≤Ra0.1。使用深孔珩磨机对内表面进行珩磨,珩磨至设计要求尺寸,且粗糙度≤Ra0.4。

(11)探伤及包装。

经过目视、超声波及着色探伤,确认无缺陷后进行涂油、涂漆,安装缸口挡盖、包装。

3 立柱修复质量指标

3.1 立柱内表面质量指标

①修复后内表面硬度达HB190~HB240,熔覆层剩余厚度不低于0.8mm,粗糙度≤Ra0.4;②修复后内表面直径尺寸达到原设计要求;③缸口螺纹与内表面的同轴度达到原设计要求;④内表面直径收缩量小于0.15mm;⑤修复部位没有气孔、裂纹、夹渣等缺陷。

3.2 立柱外表面质量指标

①修复后外表面硬度达HRC45~HRC52,熔覆层剩余厚度不低于0.4mm,粗糙度≤Ra0.1;②修复后外表面直径尺寸达到原设计要求;③修复部位没有气孔、裂纹、夹渣等缺陷。

4 结语

液压支架立柱内外表面的磨损是其主要的故障之一,通过对立柱内外表面激光熔覆修复工艺流程的说明和对熔覆设备及材料的选择,详细分析了立柱激光熔覆修复工艺,并提出了立柱修复质量指标,对液压支架的管理和维护有着重要意义。

参考文献

[1]成在先.机械设计手册[M].第三版.北京:化学工业出版社,1993.

[2]李晓豁,沙永东.采掘机械[M].北京:冶金工业出版社,2011.

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熔覆技术 篇6

一、带状电弧熔覆与送丝堆焊的技术经济分析

(一) 热源分析

电弧熔覆是材料表面熔融强化技术的一种新方法。它是利用高能密度的压缩电弧束将具有不同成分、性能的合金与基体表面快速熔化, 在基体表面形成与基体具有完全不同成分和性能的合金层的快速凝固过程。近年来, 随着电弧焊接工艺的研究开发, 给电弧热源应用于熔覆带来了新的生机。钨极氩气保护电弧的特点是热量集中, 能量密度介于自由电弧和压缩电弧之间, 加上工件被氩气包围, 加热、冷却过程中无氧化、烧损现象, 适于各种材料。一般实行手工操作, 灵活性高。因此, 对一些难以实现激光熔覆的大件、基体形状复杂件、野外装备维修作业的现场熔覆等方面, 可望采用电弧热源进行熔覆。熔覆工艺过程的目的是将熔覆材料粉末与基体材料同时在加热熔化并冶金结合在一起, 以充分发挥各种材料的优良性能, 一般来说在能满足工艺过程和熔覆层使用性能的前提下, 用什么热源并不重要, 而且应该以经济、方便灵活优先采用。电弧热源在能量密度方面足以使目前存在的所有材料熔化, 并且熔化的材料被氩气所包围, 使其被氧化烧损的倾向较小。因此在研究材料合金化效果和冶金结晶过程时, 采用这种热源即经济实惠, 来得也比较方便容易。在装甲装备机械零件磨损失效的修复工艺中, 采用此热源来研究熔覆材料方案不仅可行, 而且也是降低成本行之有效的方法。但是电弧热源与激光热源相比能量密度低, 在熔覆过程中, 熔覆材料和基体材料的加热速度相对较慢, 因此熔覆层和基体的变形、开裂倾向较大;另外, 由于熔覆层的冷却速度较慢, 获得的熔覆层稀释率大、显微组织较粗。

(二) 工艺分析

同送丝堆焊技术相比, 带状电弧熔覆具有以下的特点:1) 冷却速度快, 组织具有快速凝固的典型特征;2) 基体材料在热源加工过程中仅表面微熔, 微熔层为0.05~0.10mm;3) 加工过程中基体温升不高, 局部表层区域的快速熔覆对基体或被涂工件的热影响小, 加工后基本无热变形, 易实现选区涂层;4) 涂层的稀释率低, 与基体呈冶金结合结合强度不低于原基体材料的90%;5) 电弧熔覆技术可控性好, 自动化程度高;6) 熔覆表面平整, 无须机械加工, 适用于大面积的防腐蚀、防磨损处理;7) 电弧熔覆层组织可以由底层、中间层以及面层组成的各具特点的梯度功能材料。底层具有与基体浸润性好、结合强度高等特点, 中间层具有一定强度和硬度、抗裂性好等特点, 面层具有抗冲刷、耐磨损和耐腐蚀等性能, 可以根据零件不同的失效机理, 选择不同的功能材料, 使熔覆加工后的备件在安全性和使用性能上大大超过原设计材料的相关性能, 从而实现机械设备的再制造。

电源采用弧焊逆变器YD-800HFZ, 焊接电流60~800A, 焊接电压为16~45V, 恒流外特性, 负载持续率为100%, 并且保证长期工作稳定输出电流600~750A, 电弧稳定燃烧。电极为带状钨极, 也可以是带状含粉芯的熔化极, 带宽可调, 带厚1.5~2mm, 带宽20~40mm。能实现程序控制, 带动机件三维移动和转动。相对运动速度连续可调, 控制精度0.05mm。送粉装置采用Arcos公司设计的MU35型转盘气动式送粉器。送粉过程实现自动控制, 送粉误差小于5%, 熔覆材料粉末的有效利用率达98%以上。氩气气路完成送粉并保护熔覆区域。

带状电弧熔覆熔覆层硬度均匀, 组织稳定。而送丝堆焊稀释度大堆焊4毫米必须堆焊3层以上, 而带状电弧熔覆稀释度小, 一次成型, 组织稳定, 硬度均匀, 大大地节省贵重金属。

(三) 材料分析

使用熔覆技术能在低级材料上涂覆一种具有某种功能的特殊材料, 已被广泛地应用来改善基材的表面性能。涂层功能已从传统的耐磨损、抗腐蚀、抗氧化涂层发展到抗冲蚀、抗冲击、绝热及其它功能涂层, 例如生物陶瓷涂层和改善电接触特性涂层。显然, 单一的堆焊材料不能满足所有上述的目的和用途。而可供选用的熔覆材料具有一个庞大的体系, 从最初选用的Ni基、Co基和Fe基自熔合金逐步发展到在这些自熔合金中加入各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒形成的复合涂层, 甚至纯陶瓷涂层、各种合金、不锈钢、贵金属等。基体材料有铁基、有色合金 (如铜、铝基) 等。

例如采用电弧熔覆技术在40Cr钢上制备了 (Ti O2+B2O3+Al2O3+Ti B2) /Ni Cr Al金属陶瓷涂层, 其中Ti B2和Al2O3陶瓷颗粒在熔覆过程中为原位反应生成, 原位生成的两个陶瓷相都以弥散的方式存在于Ni Cr Al晶粒内部形成了晶内强化。在ZLl O4铝合金表面电弧熔覆铜基混合粉末, 结果发现熔覆层的硬度是基体的4~5倍, 并且涂层与基体间呈良好的冶金结合, 这说明铜基熔覆材料与铝基体具有良好的相溶性。采用自动送粉法进行宽带电弧熔覆, 可在42Cr Mo钢表面得到致密无裂纹的Ni Cr BSi涂层。

(四) 经济分析

带状电弧熔覆的熔化熔合效率、熔深及熔化材料范围很大, 特别适用于一般工业机械零件表面的处理, 具有优越的性价比。

以焊制一个材质为SA106B, 规格为Φ420mm×80mm的锻焊阀门为例, 带状电弧熔覆与送丝堆焊的经济性比较。

二、结论

1) 带状电弧熔覆几乎所有的金属材料, 特别是硬而脆的, 无法加工成丝材、棒材或不能加工成盘状焊丝的金属, 都可加工成粉末;2) 熔覆层厚度调节的范围宽, 一般为0.25~6.0mm;3) 熔覆层的稀释率低, 并可在较大范围内调节;4) 熔覆层表面平整光滑, 后续加工少;5) 熔覆层质量高, 无气孔之类缺陷;6) 熔覆过程易于实现自动化。

带状电弧熔覆层的组织致密, 性能优良, 熔覆过程无大的热流冲击, 控制精度高, 对基体无影响, 可以一次型, 反复维修多次, 不影响材料性能。等离子弧能量密度大, 效率高, 连续工作稳定可靠, 粉末选择范围宽, 涂层厚度及机械性能可灵活调整, 操作维护简单, 生产成本低。因此, 带状电弧熔覆技术有望在各机械制造领域广泛推广应用。

摘要：车辆零部件失效是一种常见现象, 而维修焊接技术是一种普遍使用的修复技术。传统的送丝堆焊虽然修复性能可靠, 但对基体的影响大, 容易出现焊接缺陷, 而且只能修复一次, 再制造性能差。新研制的带状电弧熔覆技术, 可以一次修复成型, 对基体无影响, 可以循环修复。本文从技术经济性方面对两种维修技术进行分析。

熔覆技术 篇7

自从2004年被首次提出以来,多主元高熵合金[1]以其优异的性能和潜在的应用前景迅速成为材料领域又一研究热点。目前,对高熵合金的研究主要集中在真空电弧熔铸块体材料上,这导致其制备尺寸受到了很大限制;且制备所使用的金属大都较昂贵,致使生产大型零件的成本太高。而制备高熵合金涂层既能避免上述弊端,又可以获得优异的使用性能。目前,有研究者采用电化学沉积[2]和磁控溅射[3，4]方法制备出高熵合金涂层,但因涂层厚度太小,不能满足高强度的应用场合。且上述工艺较为复杂,不利于高熵合金涂层的大规模应用。激光熔覆具有高的加热和冷却速率,对基体的热影响小,熔覆层晶粒细小且在基体中分布均匀,涂层与基体为冶金结合,结合强度高,涂层厚度最高可达到几毫米[5，6]。并且,可作为熔覆层的粉末范围广泛,因此,激光熔覆技术制备高熵合金涂层具有工艺和理论上的可行性,已成为高熵合金研究的一个新热点。

1 激光熔覆技术制备高熵合金涂层

激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术。目前,激光熔覆技术主要用于制备镍基、钴基、铁基合金涂层以及添加陶瓷颗粒增强的合金涂层。而借助激光熔覆技术制备高熵合金涂层的研究尚处于起步阶段,主要集中于微观结构、性能以及合金中一些元素含量的变化对涂层的相结构、硬度、耐磨性、耐腐蚀性和磁性能的影响规律等。

早期的相关研究主要集中于在不同钢基体上激光熔覆高熵合金涂层。马明星等[7]采用激光熔覆方法在45#钢基体上获得了成形良好的AlCoCrNiMo高熵合金涂层,涂层组织由共晶体和网状联接物组成,平均硬度在950~1250HV0.2之间,涂层在800℃下仍能保持700HV0.5的硬度,随着Al含量的增加,AlxCoCrNiMo涂层的相结构变得简单,网状联接的耐腐蚀相减少,涂层硬度虽略有降低,但始终在950HV0.2以上。Zhang Hui等[8]在低碳钢基体上激光熔覆了具有简单BCC固溶体相的6FeNiCoSiCrAlTi高熵合金涂层,涂层显微组织主要由等轴的多边形晶粒和不连续的枝晶间偏析纳米相组成,涂层显微硬度达到780HV0.5,另外,涂层快速凝固后获得的无序固溶体高温热处理过程中仅发生了BCC结构的B2和D03有序转变,并表现出良好的耐热性。经600~1000℃退火处理后,激光熔覆FeCoNiCrAl2Si高熵合金涂层为有序固溶体BCC结构,具有较高的硬度(900HV0.5),且结构和硬度的高温稳定性好。另外,经600℃退火5h后,熔覆涂层的枝晶和枝晶间的小角度晶界转变为大角度晶界,晶粒被细化[9]。

Huang Can等[10]对基体进行450 ℃预热,选择激光束功率2kW,扫描速率为3.0mm/s,进料速率2g/min,样品表面的激光束直径2.5mm,间距为1.5mm,在Ti-6Al-4V合金基体上获得了裂纹和缩孔较少的TiVCrAlSi高熵合金涂层,且涂层与衬底结合良好,涂层组织由BCC基体和分散的(Ti,V)5Si3析出物组成,高硬度的(Ti,V)5Si3相和相对韧性较高的BCC相基体相组合,提高了Ti-6Al-4V合金的耐磨性。而且,TiVCrAlSi涂层能够有效提高Ti-6Al-4V合金基体的耐氧化性,致密粘附在基体上的SiO2、Cr2O3、TiO2、Al2O3以及少量的V2O5是氧化性能提高的关键。另外,经800 ℃/24h真空退火处理后,TiVCrAlSi涂层的组成为(Ti,V)5Si3、Al8(V,Cr)5和BCC相,Al8(V,Cr)5相的出现使涂层硬度略有增加[11]。可见,选择合理的工艺参数以及对基体进行预热能够减少涂层缺陷,并有利于涂层与衬底的结合。上述研究表明,在不同钢基体上激光熔覆高熵合金涂层能够有效改善基体表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、耐热性和耐氧化性,同时合理的热处理工艺能够显著改善高熵合金涂层的组织和性能。

在激光熔覆高熵合金涂层中添加合金元素或碳化物,是改善涂层组织和性能的另一途径。Zhang Hui等[12]发现,Si、Mn和Mo元素添加前后FeCoNiCrCu高熵合金涂层均由简单FCC固溶体相组成。未添加Si、Mn和Mo的涂层显微组织主要由柱状晶粒和等轴晶粒组成,各种合金元素均匀地分布在合金中,其显微硬度达到了375HV0.5,这比电弧熔化相同成分合金的硬度高大约50%,但是这种涂层的韧性很差;添加Si、Mn和Mo后涂层的质量大大提高,显微硬度增加到450HV0.5,但是带来了成分偏析造成的不利影响,涂层的微观形貌转变为枝晶并伴随着枝晶间区域无序到有序的结构转变。上述研究表明,激光熔覆高熵合金涂层能够显著提高合金硬度,但如何选择合适的添加元素以避免成分偏析仍有待研究。添加不同含量WC的FeCoCrNiCu高熵合金涂层均由简单的FCC和BCC两相组成[13]。随着WC含量的提高,涂层中FCC相含量不断减少,BCC相含量不断增加。WC颗粒在激光熔覆过程中发生溶解并完全溶入FCC相和BCC相中,生成了复杂碳化物相。不同WC含量的涂层均为树枝晶组织,WC含量的增加使枝晶细化,硬度提高。

最近,Zhang Hui等[14]采用激光熔覆技术制备了Fe-CoNiCrCuTiMoAlSiB0.5高熵合金,其微观组织为板条状马氏体相,具有优良的硬度(11.6GPa)、弹性常数(187.1GPa)、断裂韧性(50.9 MPa·m0.5)和抗软化性(高达900 ℃)。研究表明,由于激光快速凝固和间隙硼溶质共同作用,提高了晶格畸变能,从而促进了马氏体相的形核。可见马氏体与间隙溶质的设计改善对提高高熵合金的硬度和韧性具有重要意义。Qiu Xingwu等[15]在Q235 钢基板上激光熔覆了Al2CrFeCoCuTiNix高熵合金涂层。 结果表明,Al2CrFeCoCuTiNix高熵合金涂层样品由熔覆区、边界区和热影响区组成,熔覆区主要由轴晶、纳米晶和细的白色结晶组成,涂层边界和衬底结合良好,样品的表面显微硬度达到1102HV,是基体的4倍左右。涂层在1mol/L的NaOH溶液和3.5%NaCl溶液中具有良好的耐腐蚀性。另外,研究表明激光熔覆AlCrFeCuCo高熵合金涂层微观组织主要为FCC和BCC固溶体相,存在元素偏析,合金具有优良的耐腐蚀性能[16]。

2 分析与展望

综上所述,激光熔覆高熵合金涂层硬度较高且具有良好的耐热性、耐腐蚀性和耐磨损性能,涂层组织中的成分偏析倾向以及添加元素对其微观组织影响的研究也取得了良好的进展。但是,由于激光熔覆的加热和冷却速度极快,势必会造成熔覆层与基体材料之间温度梯度和热膨胀系数的差异,可能会导致熔覆层中的多种缺陷。涂层的韧性是决定涂层质量的一个重要因素,而目前关于涂层韧性的研究却很少。另外,添加特定元素带来优良性质的同时也带来了不利的影响,如韧性变差、偏析等,因此如何选择合适的元素及其添加量仍有待进一步探索研究。而且,不同的工艺参数会对高熵合金涂层的成形质量以及微观组织结构等产生很大的影响,所以寻找合适的工艺参数是制备高熵合金涂层的一个重要研究方向。此外,涂层热处理方面的研究较少,尚需探索合理的热处理工艺以获得良好的组织和综合性能。目前,理论研究仍是重点,如涂层组织的形成机制,高混合熵与快速凝固过程中焓变的相互作用对形成固溶体的影响以及固溶体的热稳定性等。此外,完善制备方法、热处理工艺,进行特定性能高熵合金涂层的设计以及寻找更具实用性的高熵合金材料也是研究的一个重要方面。

熔覆技术 篇8

为节省新购零部件的费用, 特别是一些价值大的零部件, 如果能够花费少量费用进行有效修复, 将大大降低设备采购成本, 激光熔覆技术为企业设备零部件的维修提供了保证, 也为一些不方便更换的部件的修复提供了可能。

1 激光熔覆技术概述

(1) 激光熔覆技术定义。激光熔覆技术是指以不同的添加方法在被熔覆的基体上放置选择的涂层材料, 经高能密度激光束辐照加热, 使之和基体表面熔化, 并快速凝固, 从而在基材表面形成与其为冶金结合的表面涂层的工艺过程。

(2) 激光熔覆技术的优势:激光熔覆技术是一种新型的涂层技术, 它涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术, 可以解决传统制造方法不能完成的难题, 是国家重点支持和推动的一项高新技术。

(3) 大面积激光熔覆工艺方法主要有两种即激光熔覆合金预置法和合金同步送粉法。合金预置法是在基体的表面上通过一些方法将预涂材料置于其上, 然后采用高能激光束辐照, 涂层表面吸收能量使熔覆部位迅速升温、气化和熔化, 激光束离开后, 熔覆层与基体呈现良好的冶金结合;合金同步送粉法是将材料直接送入激光工作区, 使供料和熔覆同时完成, 利用激光作用, 把熔覆材料和基体一起熔化, 然后冷凝成熔覆层。

2 激光熔覆性能特点

激光熔覆技术是利用大功率、高能量激光束聚焦能量极高的特点, 瞬间将被加工件表面金属微熔, 同时使零件表面预置或同步自动送置的合金粉剂完全熔化。激光束扫描后合金快速凝固, 获得与零件基体完全冶金结合的致密熔覆层, 与其他传统加工技术相比, 激光熔覆具有几个显著特点。

(1) 激光熔覆层与基体为冶金结合, 结合强度不低于原基体材料的90%。基体材料在激光加工过程中表面微熔, 微熔层仅为0.05~0.1 mm。基体热影响区极小, 一般为0.1~0.2 mm。图1为激光熔覆热影响区示意图。

(2) 激光加工过程中基体温升不超过80℃, 激光加工后无热变形。激光熔覆技术可控性好, 易实现自动化控制。

(3) 熔覆层与基体均无粗大的铸造组织, 熔覆层及其界面组织致密, 晶体细小, 无孔洞、夹杂、裂纹等缺陷, 金相组织如图2所示。

(4) 激光熔覆复合层由底层、中间层以及面层各具特点的梯度功能材料组成 (图3) , 底层具有与基体浸润性好、结合强度高等特点;中间层具有一定强度和硬度、抗裂性好等优点;面层具有抗冲刷、耐磨损和耐腐蚀等性能, 使修复后的设备在安全和使用性能上更加有保障。激光熔覆技术可以任意仿形修复和制造零件, 熔覆层厚度可以按需要达到预定的几何尺寸要求。

(5) 激光熔覆技术的应用和发展, 解决了传统表面加工如:电焊、氩弧焊、喷涂、镀层等无法克服的材料选用局限性、工艺热变形、组织粗大、热疲劳损伤及结合强度差等一系列技术难题。

(6) 激光束的能量密度高, 加热速度快, 对基材的热影响较小, 引起工件的变形小。控制激光的输入能量, 可将基材的稀释作用限制在极低的程度, 一般为2%~8%, 从而可保持原熔覆材料的优异性能。激光熔覆涂层与基材之间结合牢固, 且熔覆涂层组织细小不易脱落。

3 激光熔覆技术的应用

(1) 适用范围广。利用激光熔覆的特点我公司在哈氏合金、锆材等特材泵轴的修复、氨压机转子磨损修复、压缩机缸体密封面、高压阀门密封面修复上取得了非常成功的案列, 节省了备件购买费用, 成功使得原来必须报废的设备又恢复了原使用性能。其中泵轴的修复采用了激光熔覆合金预置法, 而氨压机转子磨损修复、压缩机缸体密封面、高压阀门密封面修复均采用了合金同步送粉法。

(2) 性价比高。以1根DSHF4×6×19特材泵轴为例, 在未引入激光熔覆工艺前, 在轴承档、油封档发生磨损严重的情况下, 只能新购泵轴用以更换, 1根进口泵轴费用约100万人民币。采用激光熔覆法修复该泵轴只需10万元人民币。再以JLNVG25W-B氨压机为例, 因阴阳转子及吸气端端盖磨损需更换, 更换费用为25万元人民币, 因该转子的材料为球墨铸铁, 焊接易出现裂纹, 与激光熔覆单位共同讨论修复方案, 最终成功完成了修复工作, 修复费用为7万元人民币。

4 激光熔覆工作实例

4.1 氨冷机修复前的运行状况

机组在运行过程中制冷量下降, 不能满足生产要求且运行声音异常, 停车解体检测, 发现轴承间隙超标, 阴阳转子与吸气端端盖发生磨损, 造成转子有10 mm的窜动量, 吸气端端盖由于转子的窜到也造成约5 mm的磨损。由于阴阳螺杆转子与端盖均为球墨铸铁材质, 氨冷机制造厂建议我们更换一套转子, 由于公司与制造厂均无备件库存, 临时订购需20 d, 费用25万元人民。综合考虑费用和制造周期, 偏向于激光熔覆修复。熔覆过程中只要保证工件不变形, 就能将常规工艺无法修复的转子再次利用。

4.2 转子及端盖激光修复工艺

(1) 螺杆压缩机转子入厂检测、清洗、无损探伤, 原转子型线的测量和原始数据记录, 通过软件恢复原有形线, 激光熔覆专用材料配置。由于激光熔覆材料还没有完全成形和固定, 各修复工件的工况要求也不同, 市面上还没有专用的材料出售。根据这一情况, 结合球墨铸铁的特性和该机转子的实际工况, 配置了专用激光熔覆金属粉末。合金粉末属于镍基高温合金, 具有优异的高温抗氧化性、耐腐蚀性和组织稳定性, 并具有良好的综合性能。清理去除疲劳层及裂纹等缺陷后, 采用激光熔覆, 熔覆工艺参数根据转子形线设计结果和转子激光熔覆专用材料确定, 熔覆功率2 k W, 激光光斑直径2.5 mm, 扫描速度6 mm/s。熔覆后的金相组织如图4所示。

(2) 机械加工恢复原形线尺寸。由于螺杆压缩机的转子齿面主要用于压缩气体, 而不同于一般用于传输动力的齿轮。主要区别表现在为获得高的气体密封性, 转子型线由多段曲线组成, 并且其螺旋齿的齿数少、螺旋角大。更重要的是各生产厂家生产的螺杆转子形线都是特殊设计的, 有严格的质量要求, 即使在同一生产厂家, 对于不同的用户, 生产出的螺杆压缩机转子的型线也不一样, 所以对于一种特定型号的螺杆压缩机转子都需要设计制作专门的机械加工刀具来加工螺旋面, 这种专用刀具不仅费用昂贵, 而且设计制作周期长。监于这种情况, 采用球形铣刀代替传统的专用铣刀, 把恢复出的型线坐标值输入四坐标数控机床, 编写好加工程序, 就可以按照重新设计的转子型线加工出合格的转子。

(3) 转子检测。转子机械加工完成后, 先后对转子进行几何尺寸检测、形位公差检测、无损探伤检测, 并在专用检验工装上调整阴、阳螺杆转子的间隙。在型面检测完成后对螺杆转子进行抛光处理, 再做动平衡。检测后表明, 修复后的零件达到设备使用要求。

摘要：一些价值大的零部件, 使用激光熔覆技术修复可大大降低成本。激光熔覆技术概述, 氨冷机阴阳转子及螺杆压缩机转子的修复实例。

熔覆技术 篇9

Q235钢生产成本较低、价格便宜、塑性较好、韧性和强度较高,被广泛应用于铁道、桥梁、建筑、石油管道、农具等各种承载金属构件及一般焊接件,但表面硬度偏低、抗磨损及耐蚀能力较差,限制了其进一步应用。在众多的金属材料表面改性技术中,熔覆技术具有熔覆层厚度大、质量高、成分可调、工艺操作简单、灵活等优点,同时能将金属的强韧性与陶瓷材料的高硬度、高耐磨性等结合起来形成复合材料,使廉价的金属获得耐磨、耐蚀等特殊性能,尤其适合于恶劣工况下工作的关键部件的修复与硬化。在低碳钢表面熔覆一层耐磨耐蚀防护层,可以保留低碳钢塑、韧性极佳的优点,又大大提高其表面耐磨、耐蚀能力,不仅延长使用寿命,而且节省材料,具有较高的经济效益。Q235钢表面熔覆金属陶瓷涂层常用的处理方法有氩弧熔覆法、感应熔覆法、等离子熔覆法、激光熔覆法等。以下对上述常用技术的研究现状进行综述,并展望了其未来的发展方向。

1 金属陶瓷涂层的制备方法

1.1 氩弧熔覆

氩弧的热量集中,能量密度介于自由电弧和压缩电弧之间,工件加热部位被氩气包围,加热、冷却过程中几乎无氧化、烧损现象[1]。氩弧熔覆可有效地提高熔覆材料表面硬度,改善其耐磨性,且具有设备投资少、应用灵活和范围广等优点。

Ni35B-SiC,Ni35-Co包WC,Fe-Cr-Si-B系合金氩弧熔覆层主要由γ-Fe(Me),α-Fe(Me),Cr2B,M7C3,V3B4,VB2,M23C6等相构成;在硬度相近的情况下,3种熔覆层的耐磨性相差悬殊,Ni35-Co包WC熔覆层的耐磨性最好,Fe-Cr-Si-B合金次之,Ni35B-SiC最差[1]。以Mo粉、Si粉、Ni粉在Q235钢基材表面氩弧熔覆原位合成MoNiSi/Ni3Si金属硅化物复合涂层,显微硬度可达1 000 HV,耐磨性较基体提高12倍[2]。以Ti,B4C和Fe粉原位自生TiC-TiB2增强Fe基氩弧熔覆制备复合涂层,并优选出了最佳配比(40%Fe,Ti/B4C=3/2)和最佳工艺参数,所得涂层与Q235钢基体呈冶金结合,无裂纹、气孔等缺陷;涂层维氏硬度为8 300～9 000 MPa,比基体提高近4倍;最大耐磨性比基体提高近20倍,室温干磨损下具有优异的耐磨损性能[3]。以Ni粉、Zr粉和B4C粉为原料,在Q235钢基体材料表面氩弧熔覆原位合成的ZrC颗粒增强镍基复合涂层,与基体呈良好的冶金结合,无裂纹、无气孔;复合涂层具有高的硬度,从复合涂层底部到顶部显微硬度逐渐增大,室温干磨损下具有优良的耐磨性能,耐磨性较基体提高了7倍多[4]。将不同比例的Ni35B和SiC粉末加水玻璃调浆后涂在Q235基材上,烘干后氩弧熔覆,使金属表层显微组织发生了根本转变,表面硬度高达55 HRC[5]。

目前,氩弧熔覆技术的局限性主要有:(1)以金属陶瓷涂层作基体的防护层,由于氩弧能量密度有限,难以使TiC,SiC等高熔点陶瓷材料与基体达到良好润湿;(2)工作效率低,只适合处理气缸阀门等小件。

1.2 感应熔覆

感应熔覆是利用感应交变磁场在工件内产生感应电动势,感应电动势导致工件表面涂层内形成封闭的涡流。金属的阻抗很小,涡流能达到很高的数值,使涡流在工件表层产生大量热量。利用感应趋肤加热特性制备自熔性合金粉末涂层,可使涂层熔制热源得到有效利用,降低基体热影响,具有加热速度较快、操作简便、生产效率高、成本低等优点[6]。

在Q235钢上以高频感应重熔自制的免喷涂Fe30A粉末制得了表面强化层,重熔层与钢基体之间结合良好,未发现气孔、夹渣、未熔合等冶金缺陷,基体靠近熔合线处有一黑色珠光体组织过渡带,随着感应加热电流的增加,该过渡带宽度明显变窄[7]。因此,免喷涂合金粉末采用感应重熔是完全可行的。

用高频感应加热在低碳钢基体表面熔覆耐磨层,获得的复合材料层具有基体的强韧性和表层的耐磨性;分析了粉块厚度、组成及粉末粒度对加热时间的影响,发现粉块越厚,高熔点合金粉末含量越多,粒度越大,加热时间越长;熔覆层与基体达到了较好的冶金结合[8]。

采用高频感应熔覆法在Q235钢基体上制备厚度0.8～3.0 mm的微纳米WC颗粒增强Ni基复合涂层,结果涂层的硬度和耐磨性随微米WC含量的增加而提高。加入WC的涂层相对耐磨性为Ni60A涂层的2～6倍,当WC含量达到50%时,涂层的磨损失重最少,耐磨性最好,相对Ni60A(A1)涂层提高了6.5倍。当WC含量达到60%时,耐磨性有所下降。随着纳米WC含量的增加,B5涂层中硬度较高的W2C相的数量增多,韧性较好的Cr3C2相也增多,大大提高了涂层的硬度和耐磨性能[9]。

以Ni60A、微米级和纳米级WC粉末为原料,利用感应熔覆技术在钢表面制备微-纳米复合材料耐磨涂层,涂层由WC、Cr23C6、Co6W6C等物相组成,熔覆层与基体的结合为冶金结合;在感应熔覆过程中,微米级WC没有氧化烧损,保留了WC的原始硬度。纳米级WC在感应加热过程中团聚成微米级的大颗粒,均匀地分布在微米级颗粒之间;涂层具有很高的硬度,在滑动干摩擦条件下具有优异的耐磨性[10]。

目前,感应熔覆制备陶瓷涂层方法适合于一些形状简单、面积较大,且熔覆质量要求不太高的的零件。

1.3 等离子熔覆

等离子熔覆可使基体材料表层获得优异的耐磨、耐蚀、耐热、耐冲击等性能。等离子束能量密度大,效率高,连续工作稳定可靠,粉末选择范围宽,涂层厚度及力学性能可灵活调整,操作维护简单,生产成本低,已广泛应用于工程机械、矿山机械以及钢铁加工机械零部件中。

通过等离子束熔覆预涂的Ni60A+TiC涂层,得到了金属-陶瓷梯度涂层,其熔覆层的显微硬度远高于Q235钢基材,掺有纳米级TiC涂层的Q235钢比水轮机常用材料ZG06Cr13Ni5Mo的抗气蚀能力更强[11]。

采用大气等离子喷涂法在Q235钢基体上制备常规微米、纳米Al2O3-13%TiO2复合涂层,2种涂层中的α-Al2O3均有所减少,生成了γ-Al2O3,金红石TiO2相转变成了板钛矿型TiO2相,增加了涂层的内应力,加剧了裂纹的扩展;常规微米涂层中的孔洞细小但密集,纳米涂层中的孔洞较大但不密集,且大部分气孔都存在于部分熔化区的内部;涂层在喷涂过程中生成的气孔以及热氧化过程中由于热应力而产生的裂纹是造成涂层失效的直接原因[12]。

以Q235A钢为基体,钴基碳化钨陶瓷粉末WC-12Co为热喷涂材料,采用低功率(5.2～9.1 kW)内送粉等离子喷涂方法,在保持等离子弧电流恒定的情况下,通过改变弧电压在不同功率下制备了WC-Co陶瓷涂层。结果表明:原始喷涂粉末的XRD谱中仅能观察到主相WC和极少量的金属Co,而低功率等离子喷涂WC-Co陶瓷涂层中除了WC相以外,还含有W2C,Co3W3C,Co3W9C4等其他相,并且随着等离子喷涂功率的增加,WC衍射峰强度降低,而包括W2C在内的其他相衍射峰强度升高。保持等离子弧电流130 A不变,涂层显微硬度随弧电压升高呈先下降后上升的趋势,电压70 V时涂层具有最高的显微硬度[13]。

采用等离子熔-喷技术制备了WC-17%Co涂层,采用光学显微镜、SEM、TEM、及EDS等方法对熔-喷层的组织形貌、相结构及成分进行了研究。结果表明,熔-喷涂层组织结构较复杂,且有规律地分布在涂层中的不同区域,表层主要由十字花状Fe3W3C初晶、鱼骨状γ- Fe + Fe3W3C共晶、鱼骨状共晶周围的“黑边”和基体组成。中部主要由粗大的树枝状Fe3W3C初晶和枝晶间γ- Fe + Fe3W3C (FeW3C)共晶组成。底部组织较细密,主要由碳化物WC、Fe3W3C初晶和γ- Fe + Fe3W3C(FeW3C)共晶组成[14]。

用Ni包Al作过渡层材料、球磨法混合G112和不同含量的Al2O3粉末作面层材料,等离子喷涂制备金属-陶瓷涂层,涂层的耐冲蚀磨损性能随Al2O3含量增加先上升后下降,18%Al2O3时耐冲蚀性能最好[15]。

采用等离子喷涂法在Q235碳钢基体上制备了NiCoCrAlY2O3-ZrO2梯度涂层,在基体和陶瓷层厚度相同(300 μm)而粘结层厚度不同的条件下,当粘结层厚度小于110 μm时,涂层热震寿命随粘结层厚度增加而增加,增加趋势逐渐趋缓;粘结层厚度相同时,以不锈钢为基体的涂层先于以碳钢为基体的涂层失效。当陶瓷层厚度相同而粘结层厚度超过110 μm时,涂层热震寿命不再随着粘结层厚度的增加而显著增加,此时不锈钢基体的涂层与碳钢基体的涂层热震寿命差别很小;喷涂态ZrO2等离子喷涂层内部存在大量微裂纹,随着在炉中热震次数的增加,陶瓷层内微裂纹通过大孔隙的连通方式逐渐在涂层内部扩展,宽度也随之增加,最后在涂层表面形成宏观裂纹;与ZrO2单层陶瓷涂层相比,NiCoCrAlY2O3-ZrO2双层涂层和NiCoCrAlY2O3-ZrO2梯度涂层都具有较好的抗热震性能,浸蘸铁水热震条件下,梯度涂层的热震寿命比双层涂层热震寿命提高了20.3%[16]。

然而,等离子熔覆技术仍需从以下2个方向努力:(1)揭示某些等离子熔覆过程产生残余拉应力和裂纹的机理,并提出具体解决方案;(2)进一步优化工艺参数,研制、改进设备,优化工艺等。

1.4 激光熔覆

激光熔覆可实现涂层与基体的冶金结合,获得具有特殊性能的表面涂层,达到表面改性或表面修复,从而显著改善基体的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能。

对预涂覆于Q235钢基体表面的金属陶瓷粉末采用CO2激光熔融,能够获得与基体呈冶金结合的金属陶瓷熔覆层,熔覆层的硬度均呈梯度分布,其中镍基自熔合金粉末的熔覆层和自熔合金与陶瓷粉的熔覆层硬度较接近,约为800 HV1 N。金属陶瓷粉的熔覆层硬度显著高于其他2种,达到1 000 HV1 N左右,可在水力机械上得到应用[17]。

采用钛铁、钒铁、石墨等组分,利用5 kW横流CO2激光器,在氩气保护下制备了致密、无孔隙、与基体呈冶金结合的原位自生TiC-VC复合碳化物颗粒增强Fe基熔覆层,所得熔覆层具有良好的抗磨损性能,在同样磨损条件下,熔覆层的平均摩擦系数比母材低0.10～0.15,变化范围也较小[18]。

激光熔覆WC颗粒涂层成形良好,基本无宏观缺陷,与Q235钢基体形成冶金结合;其硬度为1 100～1 400 HV,平均硬度1 354 HV,约为Q235钢的6倍;1 N载荷下,开始400 s内摩擦系数稳定在0.2,1 000 s时缓慢上升到0.6,波动较小,具有良好的耐磨性能[19]。

目前激光熔覆技术存在的问题:(1)熔覆层质量不稳定,存在多种缺陷,主要包括气孔、裂纹、变形和表面不平;(2)激光熔覆层的开裂敏感性是一个难题,也是工程应用及产业化的障碍;(3)激光发生器设备价格昂贵,操作困难,需要特殊防护,必须优化工艺参数,研制先进工艺设备,以促进其在工业中的应用。

2 展 望

在Q235钢表面熔覆陶瓷涂层成功地实现了金属和陶瓷的优势结合,大大拓宽了金属材料和陶瓷材料的应用范围,其今后的发展方向如下:

(1)发展纳米陶瓷涂层 当前,纳米陶瓷涂层的制备技术还处于发展阶段,且存在涂层晶粒尺寸和成分均匀性不易控制等问题;

(2)“相互交叉法”制备陶瓷涂层 如等离子原位合成陶瓷涂层,激光熔覆原位合成陶瓷涂层,等离子喷涂-激光熔覆陶瓷涂层,氩弧熔覆-热化学反应法制备陶瓷涂层等交叉进行,以制备性能更优异的复合涂层;

(3)进一步加强稀土(氧化物)掺杂对陶瓷涂层性能影响及其机理的研究;

(4)研发节能、环保、低成本的陶瓷涂层 目前,大多数陶瓷涂层的原料和成本较高,很难推广应用。实现废物利用,简化现有涂层制备工艺,研发节能、环保、低成本的陶瓷涂层也是今后努力的方向。

摘要：综述了近年来Q235钢表面金属陶瓷涂层制备技术的研究进展,重点介绍了常见的金属陶瓷涂层制备方法如氩弧熔覆、感应熔覆、等离子熔覆、激光熔覆等及其存在的问题,展望了今后的发展方向。