激光熔覆技術(shù)在模具表面處理中的研究進(jìn)展

童和強(qiáng)，錢星月，程 虎

（臺(tái)州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

激光熔覆技術(shù)在模具表面處理中的研究進(jìn)展

童和強(qiáng)，錢星月，程 虎＊

（臺(tái)州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

著重介紹了激光熔覆技術(shù)在鍛壓、塑料等模具表面處理中的研究現(xiàn)狀，分析了模具表面處理中存在的問(wèn)題，如氣孔、變形和開裂等，指出了激光熔覆技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向：激光熔覆多源復(fù)雜信息耦合的研究、激光熔覆基礎(chǔ)理論研究、激光熔覆材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)、激光熔覆工藝模型的建立以及激光熔覆設(shè)備的改進(jìn)。

激光熔覆；模具表面處理；研究進(jìn)展

1 引言

模具失效往往是從其表面開始的，而表面處理技術(shù)可提高模具表面性能以及使用壽命。目前可用于模具制造的表面工程技術(shù)十分廣泛，既包括傳統(tǒng)的表面淬火技術(shù)、熱擴(kuò)滲技術(shù)、堆焊技術(shù)和電鍍硬鉻技術(shù)，又包括近20年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的物理氣相沉積技術(shù)、化學(xué)氣相沉積技術(shù)、離子注入技術(shù)、熱噴涂技術(shù)、熱噴焊技術(shù)等，這些方法在一定程度上可延長(zhǎng)模具的使用壽命，但它們存在工藝復(fù)雜、處理周期較長(zhǎng)、模具變形大、表面層薄而脆等缺點(diǎn)［1］。因此，應(yīng)當(dāng)尋求一種提高模具表面性能的實(shí)用新工藝。

激光熔覆技術(shù)已經(jīng)成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外表面工程研究的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。激光熔覆技術(shù)是指在需處理的零部件表面預(yù)置一層能滿足使用要求的特制粉末材料，然后用高能激光束對(duì)涂層進(jìn)行快速掃描處理，預(yù)置粉末在瞬間熔化并凝固，涂層下基體金屬隨之熔化一薄層，兩者之間的界面在很窄的區(qū)域內(nèi)迅速產(chǎn)生分子或原子級(jí)的交互擴(kuò)散，同時(shí)形成牢固的冶金結(jié)合。在快速熱作用下，基體受熱影響極小，無(wú)變形，熔覆層合金自成體系，其組織致密，晶粒細(xì)化，硬度和強(qiáng)韌性提高，表面性能大大改善［2］。若將激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于模具表面處理中，可以有效延長(zhǎng)模具的使用壽命。本文將著重介紹激光熔覆技術(shù)在鍛壓模具、塑料模具等方面的應(yīng)用，并針對(duì)激光熔覆技術(shù)目前存在的主要問(wèn)題，指出了其未來(lái)主要發(fā)展方向。

2 激光熔覆技術(shù)在模具表面處理中的應(yīng)用

2.1 鍛壓模具表面處理

鍛壓模具是通過(guò)對(duì)毛坯料施加外力，使其產(chǎn)生塑性變形，轉(zhuǎn)變其尺寸、形狀，從而打造成型的模具，是鍛造和沖壓模具的總稱，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛。然而目前鍛壓模具的使用壽命仍然比較低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于模具壽命低而造成的鋼材、工時(shí)和能源浪費(fèi)，以及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響所帶來(lái)的損失，每年達(dá)數(shù)十億人民幣。因而，提高模具壽命是模具制造業(yè)中亟待解決的問(wèn)題［3］。

近年來(lái)，利用激光熔覆技術(shù)在提高高溫鍛壓模具表面質(zhì)量以及使用壽命方面已經(jīng)取得很大的進(jìn)展。江勝波［4］等針對(duì)在航空領(lǐng)域中部分渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片采用4Cr5W2SiV熱作模具鋼鍛壓成型，常處于高溫（1000℃以上）、高交變應(yīng)力的服役環(huán)境中，需要有很高的摩擦磨損性能以及力學(xué)性能等情況，成功研制出專用于中低碳鋼及合金鋼的鐵基合金粉末。用該粉末對(duì)報(bào)廢模具成功地進(jìn)行了激光熔覆修復(fù)，模具表面的耐磨性能得到顯著的提高，并且解決了熔覆層大規(guī)模開裂問(wèn)題。穆亞輝［5］等自配了鐵基合金粉末，通過(guò)激光熔覆技術(shù)在高溫鍛壓模具鋼基材上制備了具有特殊性能的復(fù)合涂層，獲得了無(wú)裂紋的熔覆層，熔覆層與基材實(shí)現(xiàn)了良好的化學(xué)冶金結(jié)合。文獻(xiàn)［6］中做了許多嘗試，利用2kW CO2連續(xù)激光器在H13熱作模具鋼表面熔覆Stellite x-40鈷基合金，選擇最佳的交互作用時(shí)間進(jìn)行激光熔覆處理，獲得了均勻細(xì)小的熔覆層組織，并系統(tǒng)研究了熔覆層的組織結(jié)構(gòu)、元素分布、磨損性能及電化學(xué)腐蝕性能。結(jié)果表明，H13熱作模具鋼經(jīng)激光熔覆Stellite X-40鈷基合金后，其抗磨損及腐蝕性能得到明顯改善，經(jīng)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用壽命考核，采用激光熔覆處理的H13鋼模具，使用壽命提高3倍以上。同樣，坤鍛模具也是生產(chǎn)中經(jīng)常使用的高溫鍛壓模具之一，在工件坤鍛成形過(guò)程中，模具表面經(jīng)常發(fā)生嚴(yán)重磨損，從而導(dǎo)致產(chǎn)品合格率下降，造成生產(chǎn)成本提高，產(chǎn)品質(zhì)量下降。同時(shí)，由于模具使用壽命較低也會(huì)造成產(chǎn)品成本提高。因此，坤鍛模具表面處理成為生產(chǎn)中亟待解決的問(wèn)題之一。趙洪云［7］等以汽車連桿坤鍛為研究對(duì)象，在基體材料9SiCr經(jīng)常規(guī)熱處理后，在其表面熔覆一層WC陶瓷層，以提高模具使用壽命為目標(biāo)，進(jìn)行了一些探索性試驗(yàn)，并取得了良好的應(yīng)用效果。

冷作模具鋼需要具備高硬度、良好的耐磨性以及足夠的強(qiáng)度和韌度等性能。采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行表面處理后其性能得到了很大的提高。陳童［2］等通過(guò)將激光熔覆前后的Cr12MoV模具鋼進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，說(shuō)明在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，金屬材料耐磨性能在經(jīng)過(guò)激光熔覆處理后比沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理時(shí)的耐磨性能有了明顯的提高。

汽車大型覆蓋件模具一般用合金鑄鐵制造。合金鑄鐵的特性不宜進(jìn)行整體熱處理，傳統(tǒng)工藝采用火焰淬火，其淬火硬度僅為40～50HRC。文獻(xiàn)［8］中改用激光淬火，模具表面硬度可提高到55～65HRC，硬化層有效深度為0.5～0.7mm，模具耐磨性大大提高，零件拉傷問(wèn)題得到有效控制，模具在線維修率控制在4%以下。處理前每次生產(chǎn)完成后均需對(duì)拉伸模進(jìn)行大面積推磨，處理后只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單維護(hù)保養(yǎng)便可。

2.2 塑料模具表面處理

塑料模具在塑料成型加工中起著重要作用，其制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，加工成本高。尤其是精密、復(fù)雜或大型塑料模具僅制造費(fèi)用就高達(dá)十幾萬(wàn)元甚至數(shù)百萬(wàn)元。模具失效可造成企業(yè)減產(chǎn)或停產(chǎn)，給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)失效塑料模具進(jìn)行修復(fù)再利用，無(wú)疑有著顯著的經(jīng)濟(jì)效益［9］。塑料模具的發(fā)展趨勢(shì)之一是小型化、精密化，其失效的尺寸已是毫米級(jí)、微米級(jí)，需要精密修復(fù)。與其他修復(fù)技術(shù)相比，激光熔覆技術(shù)以其良好的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于模具修復(fù)。常明［10］等綜合考慮LWS-300WC系列脈沖Nd：YAG激光熔覆工藝參數(shù)對(duì)工藝過(guò)程的作用及其相互關(guān)系，利用單脈沖能量和重疊率描述上述工藝參數(shù)的影響和相互作用，建立理論方程分析了影響因素，從而優(yōu)化了工藝參數(shù)，對(duì)塑料模具表面進(jìn)行了有效的精密修復(fù)。駱?lè)迹?1］等在塑料模具鋼P(yáng)20表面預(yù)置非晶的納米Al2O3、TiC、WC等陶瓷硬質(zhì)顆粒的涂層，采用CO2激光器進(jìn)行熔覆處理。對(duì)激光熔覆陶瓷復(fù)合涂層的顯微組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并測(cè)試了其硬度和耐磨性。結(jié)果表明，通過(guò)高能量密度的激光處理，基體和熔覆層元素相互擴(kuò)散與反應(yīng)，其中的WC、Al2O3、FeSi成為熔覆層中的硬質(zhì)相，顯著提高了材料的硬度和耐磨性。

2.3 其它模具表面處理

激光熔覆技術(shù)在其他模具表面處理中也得到了應(yīng)用，如玻璃模具表面的處理。

玻璃模具是玻璃制品的主要成型工具，它在使用過(guò)程中頻繁交替地與高溫玻璃熔體接觸，尤其是合縫線處，要求具有較高的耐磨性。閆忠琳［1］等利用激光熔覆工藝，采用NiCrBSi合金粉末，對(duì)玻璃模具進(jìn)行了處理，并將激光熔覆處理的玻璃模具在QD6型行列式制瓶機(jī)上進(jìn)行裝機(jī)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出激光熔覆技術(shù)是模具表面強(qiáng)化和修復(fù)的有效途徑，能顯著提高模具壽命。

3 存在的主要問(wèn)題

雖然模具的加工表面經(jīng)激光熔覆后，其硬度、耐磨性、耐腐蝕性等方面都能取得一定程度的提高［12］，但是在激光熔覆過(guò)程中，由于熔覆層和基體材料的溫度梯度和熱膨脹系數(shù)的差異，往往造成模具表面不平整，熔覆層成份控制不均勻等；由于涂層粉末熔覆前因受潮和熔覆時(shí)發(fā)生氧化，在熔覆層內(nèi)容易產(chǎn)生氣孔；另外，由于激光加熱和冷卻速度極快，模具表面容易產(chǎn)生燒損、變形、裂紋甚至開裂等現(xiàn)象。

其中，裂紋是激光熔覆技術(shù)中最棘手的問(wèn)題，裂紋產(chǎn)生的主要原因是熔覆層中存在的熱應(yīng)力。由于激光熔覆過(guò)程中加熱和冷卻的速度較快，且液態(tài)熔池金屬流動(dòng)性差，導(dǎo)致內(nèi)部殘余應(yīng)力來(lái)不及釋放，從而產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)局部拉應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂紋。同時(shí)，裂紋的產(chǎn)生也受到熔覆過(guò)程中工藝參數(shù)、熔覆層和基體材料、熔覆層厚度以及處理工藝等多種因素的影響。由于激光加熱冷卻過(guò)快，使得熔覆層內(nèi)部的氧化物、硫化物等雜質(zhì)得不到釋放，引起結(jié)晶內(nèi)部的位錯(cuò)和空位增多，凝固組織的缺陷增多，同時(shí)，熱脆性增大，塑韌性下降，也極易產(chǎn)生裂紋。

4 未來(lái)發(fā)展方向

激光熔覆技術(shù)是一項(xiàng)具有高科技含量的表面改性技術(shù)與裝備維修技術(shù)，其研究和發(fā)展具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在工業(yè)中已獲得了大量應(yīng)用，解決了工程中大量維修的難題［13-17］，但為進(jìn)一步解決熔覆過(guò)程中產(chǎn)生的氣孔、裂紋、變形、熔覆層開裂等缺陷，激光熔覆未來(lái)將從以下幾方面展開研究。

4.1 激光熔覆多源復(fù)雜信息耦合的研究

激光熔覆過(guò)程是由制造裝備、零件、工藝以及執(zhí)行過(guò)程等多方面的信息匯聚而成的。其中激光功率、功率分布、激光掃描速度、光束直徑、搭接率、熔池溫度場(chǎng)分布及影響、外部環(huán)境影響、有無(wú)輔助氣體及種類成份、熔覆材料特性等因素也影響激光熔覆的精度，因此，對(duì)熔覆過(guò)程中多源復(fù)雜耦合信息的復(fù)合作用規(guī)律及決策機(jī)制的揭示和研究，已成為提高激光熔覆精度的重要手段之一。

4.2 激光熔覆基礎(chǔ)理論研究

激光熔覆基礎(chǔ)理論研究是以凝固動(dòng)力學(xué)、相變理論和結(jié)晶學(xué)為基本出發(fā)點(diǎn)而展開的系統(tǒng)研究。激光熔覆過(guò)程是一種遠(yuǎn)離平衡的動(dòng)態(tài)過(guò)程，其快速加熱和冷卻過(guò)程中的相變動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、界面行為等理論都與傳統(tǒng)的固態(tài)相變理論和界面理論有極大不同。因此需要積極開展激光熔覆中的系統(tǒng)理論研究，從而更加完善加工工藝參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)激光熔覆工業(yè)化奠定基礎(chǔ)。

4.3 激光熔覆材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)

激光熔覆涂層質(zhì)量與涂層材料密切相關(guān)，而目前激光熔覆所用的涂層材料在功能上或在體系上等諸多方面都不能滿足激光熔覆工藝的需求。因此，應(yīng)開發(fā)和研究滿足各種熔覆涂層要求的新型的激光熔覆專用合金粉末材料。

4.4 激光熔覆工藝模型的建立

激光熔覆工藝參數(shù)是決定激光熔覆工藝熔覆層的關(guān)鍵因素，其主要包括激光功率P、光斑尺寸（直徑D或面積S）、激光掃描速度、多道搭接系數(shù)、涂層材料的添加方式和保護(hù)方式等。隨著對(duì)激光熔覆層性能要求的提高，工藝參數(shù)的優(yōu)化也變得極其重要。因此，需要采用有限元分析軟件模擬基體和激光束相互作用的溫度場(chǎng)，借助數(shù)值模擬技術(shù)模擬熔覆層的應(yīng)力場(chǎng)分布，為熔覆過(guò)程的工藝參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化提供理論依據(jù)，從而進(jìn)一步提高了熔覆層性能。

4.5 激光熔覆設(shè)備的改進(jìn)

目前，激光熔覆設(shè)備的精度和穩(wěn)定性還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)要求，并且設(shè)備性能的不穩(wěn)定容易導(dǎo)致熔覆層質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題。雖然激光熔覆技術(shù)還未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?，但隨著科技進(jìn)步的日新月異，激光熔覆技術(shù)必定會(huì)取得進(jìn)一步的發(fā)展。因此，應(yīng)努力開發(fā)和研究大功率、小型化激光器，進(jìn)一步改進(jìn)激光器的控制系統(tǒng)，其中，自動(dòng)化、智能化、人性化將成為激光器控制系統(tǒng)未來(lái)研究的重要方向。

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Research Progress on Laser Cladding Technology in Mold Surface Treatment

TONG He-qiang，QIAN Xing-yue，CHENG Hu

(School of Mechanical Engineering，Taizhou University，Taizhou 318000，China)

The development status of laser cladding technology in the surface treatment of forging and plastic mold was mainly introduced in this thesis. The existing problems in mold surface treatment,such as air hole,deformation and cracking etc.,were analyzed,and the development direction of laser cladding technology was suggested,namely study on laser cladding technology based on Multi-sources information fusion,study on the basis theory about laser cladding,design and development of laser cladding materials,establishment of laser cladding technology model and improvement of laser cladding equipment.

laser cladding;mold surface treatment;research progress

周小莉）

TG 174.4

A

1672-3708（2011）03-0040-04

2011-01-14

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃（新苗人才計(jì)劃）項(xiàng)目（2010R428023）；臺(tái)州學(xué)院校立學(xué)生科研項(xiàng)目（10XS40）

程 虎（1981- ），男，江西九江人，講師，主要從事金屬材料表面改性技術(shù)研究。