激光熔覆修復(fù)青銅零件的實(shí)驗(yàn)研究和工程應(yīng)用

傅 衛(wèi)，鄧琦林

（1.上海寶鋼工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司，上海201900；2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240）

激光熔覆修復(fù)青銅零件的實(shí)驗(yàn)研究和工程應(yīng)用

傅 衛(wèi)1，鄧琦林2

（1.上海寶鋼工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司，上海201900；2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240）

青銅具有極好的耐海水腐蝕性和耐磨損性能，在艦艇、船舶中大量存在青銅零件，但對(duì)這些零件進(jìn)行修復(fù)非常困難。由于青銅對(duì)激光的強(qiáng)烈反射及其優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性，給激光熔覆修復(fù)青銅零件帶來了很大的困難。通過激光熔覆修復(fù)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化了激光熔覆修復(fù)工藝參數(shù)。在對(duì)激光熔覆修復(fù)過程進(jìn)行最優(yōu)控制的條件下，獲得了界面結(jié)合良好、耐腐蝕性和耐磨損性均符合要求的激光熔覆修復(fù)試樣。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)際艦船青銅零件的激光熔覆修復(fù)。

激光熔覆修復(fù)；艦艇和船舶；青銅零件

由于青銅具有極好的耐海水腐蝕性和耐磨損性能，故大量的青銅零件被用于艦艇和船舶中。但這些青銅零件經(jīng)長期使用后，還是會(huì)因腐蝕、磨損而必須進(jìn)行修復(fù)。有時(shí)，因腐蝕、磨損嚴(yán)重，修復(fù)量非常大，會(huì)給修復(fù)方法的選擇帶來困難。常規(guī)的熱堆焊方法由于熱輸入大，零件修復(fù)后變形嚴(yán)重，可能造成無法裝入原工位的問題。

激光熔覆修復(fù)是一種新型修復(fù)技術(shù)，它利用激光加熱的方法，將金屬粉末熔化并與零件表面冶金結(jié)合在一起，從而達(dá)到修復(fù)零件的目的。激光熔覆所用的金屬選擇范圍廣泛，青銅粉末也是可選材料之一。同時(shí)，激光熔覆修復(fù)層與零件表面通過冶金結(jié)合后，強(qiáng)度高，修復(fù)的零件具有很強(qiáng)的抗振動(dòng)和抗沖擊性能；修復(fù)時(shí)熱輸入量少，零件表面基本保持常溫狀態(tài)，使零件的熱變形極小。但由于青銅對(duì)激光的反射很強(qiáng)烈，加上其導(dǎo)熱快，對(duì)青銅進(jìn)行激光熔覆修復(fù)也是有一定困難的。

1 工藝實(shí)驗(yàn)

為了保證對(duì)實(shí)際青銅零件的成功修復(fù)，需對(duì)零件進(jìn)行激光熔覆修復(fù)實(shí)驗(yàn)研究。青銅零件的激光熔覆修復(fù)采用HJ-3000型3000 W CO2橫流激光器、四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工作臺(tái)及氣動(dòng)送粉器，并根據(jù)零件成分選配了一種較合適的青銅合金粉末。激光熔覆修復(fù)工藝參數(shù)的優(yōu)化及修復(fù)過程的最優(yōu)控制極為重要，工藝參數(shù)主要包括激光功率、掃描速度、光斑直徑、送粉量等，修復(fù)過程控制主要通過觀察激光熔覆時(shí)形成的熔池形貌，對(duì)激光熔覆修復(fù)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)以達(dá)到最佳的熔覆狀態(tài)。上述選擇、控制稍有不當(dāng)，就有可能造成激光熔覆修復(fù)層出現(xiàn)氣孔、裂紋及結(jié)合不良。

通過前期多次的激光熔覆修復(fù)工藝實(shí)驗(yàn)，獲得了一組針對(duì)青銅零件較合適的激光熔覆修復(fù)工藝參數(shù)：激光功率為2000～3000 W，掃描速度為5～10 mm/s，光斑直徑為4～6 mm，送粉量為5～7 g/min。同時(shí)，獲得了激光熔覆修復(fù)后的青銅試樣（圖1）。

圖1 激光熔覆修復(fù)后的青銅試樣

2 性能檢測

2.1 機(jī)械車削檢測

激光熔覆修復(fù)后的青銅試樣經(jīng)機(jī)械車削加工，其外觀形貌見圖2、圖3。可看出，激光熔覆修復(fù)層組織致密、無裂紋、無氣孔，且與基體材料呈冶金結(jié)合。

圖2 試樣1經(jīng)機(jī)械車削后的外觀形貌

圖3 試樣2經(jīng)機(jī)械車削后的外觀形貌

2.2 金相檢測

對(duì)激光熔覆修復(fù)試樣進(jìn)行金相組織檢測，結(jié)果見圖4?？煽闯?，激光熔覆修復(fù)部分組織致密、無裂紋、無氣孔，且與基體材料呈冶金結(jié)合。

圖4 激光熔覆修復(fù)試樣的金相組織

2.3 耐腐蝕性能測試

在對(duì)實(shí)際零件進(jìn)行修復(fù)時(shí)，要求修復(fù)后的材料耐海水腐蝕性能不降低。為此，需對(duì)零件的激光熔覆修復(fù)層進(jìn)行耐海水腐蝕測試。

將金相試件重新拋光后放入腐蝕液中，試件中既有基體材料，又有激光熔覆材料，使其處于相同的腐蝕環(huán)境，能很好地區(qū)別它們的耐腐蝕性能。腐蝕液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的NaCl水溶液，它是NaCl水溶液中最具腐蝕能力的溶液，可用來模擬海水腐蝕環(huán)境。測試實(shí)驗(yàn)在鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱中進(jìn)行，腐蝕環(huán)境為干濕交替，且環(huán)境溫度控制在36℃左右，是一種加速腐蝕試驗(yàn)方法。測試結(jié)果見圖5?？梢?，零件激光熔覆層的耐腐蝕性優(yōu)于基體材料。

圖5 激光熔覆試樣的耐腐蝕性能測試結(jié)果

2.4 耐磨損性能測試

在對(duì)實(shí)際零件進(jìn)行修復(fù)時(shí)，要求修復(fù)后的零件耐磨損性能應(yīng)與原零件接近，這是從零件便于拆裝和修復(fù)的角度考慮的。與待修復(fù)的鋁青銅零件配合的零件材料為0Cr17Ni6不銹鋼，其關(guān)聯(lián)的零件很多，且不易拆裝和修復(fù)，下次修復(fù)時(shí)還是修復(fù)鋁青銅零件。為此，對(duì)激光熔覆修復(fù)試樣進(jìn)行了耐磨損性能測試。

磨損實(shí)驗(yàn)在磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。為使實(shí)驗(yàn)環(huán)境接近實(shí)際零件的使用環(huán)境，在對(duì)磨試件中加入了5%的NaCl水溶液和泥沙。為了獲得更合理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將基體材料和激光熔覆材料均做成盤狀轉(zhuǎn)動(dòng)部件，將對(duì)磨材料0Cr17Ni6不銹鋼做成塊狀靜止部件。實(shí)驗(yàn)過程如下：先將鋁青銅基體材料在有腐蝕液和泥沙的環(huán)境中與0Cr17Ni6不銹鋼對(duì)磨，再將激光熔覆層在同一環(huán)境中與相同的0Cr17Ni6不銹鋼對(duì)磨，然后用稱重法測量它們的耐磨性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：不銹鋼與激光熔覆層之比為3∶1，不銹鋼與鋁青銅基體之比為3.5∶1?？梢?，激光熔覆修復(fù)層的耐磨性比原零件略好，符合實(shí)際加工要求。

3 工程應(yīng)用

3.1 方向舵上舵承內(nèi)膽的激光熔覆修復(fù)

方向舵上舵承內(nèi)膽是艦船上的一個(gè)關(guān)鍵零件，其材料為鋁青銅，零件的內(nèi)外表面均要求進(jìn)行激光熔覆修復(fù)，修復(fù)面積和厚度大，且需保證修復(fù)質(zhì)量穩(wěn)定可靠。激光熔覆修復(fù)過程見圖6。

圖6 方向舵上舵承內(nèi)膽的激光熔覆修復(fù)過程

3.2 方向舵舵柄球軸承的激光熔覆修復(fù)

左右方向舵舵柄球軸承是艦船上的二個(gè)關(guān)鍵零件,其材料為鋁青銅，零件的內(nèi)外表面均要求修復(fù)，且內(nèi)孔非常小，直徑僅為75 mm，給激光導(dǎo)光和送粉帶來了很大的困難。激光熔覆修復(fù)過程見圖7。

圖7 方向舵舵柄球軸承的激光熔覆修復(fù)過程

4 結(jié)論

（1）采用合適的工藝參數(shù)和青銅粉末，在青銅棒表面成功地進(jìn)行了激光熔覆修復(fù)實(shí)驗(yàn)，獲得了激光熔覆青銅試樣。

（2）試樣經(jīng)機(jī)械車削加工和金相測試，結(jié)果表明，激光熔覆的青銅層組織致密，無氣孔、裂紋，與青銅基體呈冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高。

（3）激光熔覆的青銅層的耐海水腐蝕和耐泥沙磨損性能略好于青銅基體，符合青銅材料類零件的修復(fù)要求。

（4）采用激光熔覆技術(shù)成功地修復(fù)了艦船上的一些關(guān)鍵青銅材料類零件。

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Experimental Study and Engineering Application of Repairing Bronze Parts by Laser Cladding

FU Wei1，DENG Qilin2
（1.Shanghai BAOSTEEL Industry Technological Service Co.,Ltd.，Shanghai 201900，China；2.School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

The bronze has excellent corrosion resistance and abrasion resistance.There are a large number of bronze parts in ships and warships.But the repair of these parts is very difficult.Due to the strong reflection to the laser and the excellent thermal conductivity of bronze，it also brings great difficulties in laser cladding repair.The experimental parameters of laser cladding repair were optimized by laser cladding repair experiment.Under the condition of the optimal control of laser cladding repair process，the laser cladding repair samples with good interface，corrosion resistance and wear resistance are obtained.On the basis of the experiment，the laser cladding repair of the bronze parts of the actual ship is realized.

laser cladding repair；warships and ships；bronze parts

TG665

A

1009－279X（2017）02－0055-03

2017-02-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51275303）；國家科委國際合作項(xiàng)目（2014DFR10360）

傅衛(wèi)，男，1983年生，工程師。