27SiMn液壓支架立柱的激光熔覆多道搭接工藝研究

曹青 蔡志海 杜學(xué)蕓 尤家玉 秦航

摘要：大面積激光熔覆是經(jīng)由多道搭接成形的，且礦用液壓支架立柱的激光熔覆加工規(guī)模較大。但是，激光熔覆產(chǎn)生的氣孔、夾渣、開裂已經(jīng)成為凸顯的行業(yè)基礎(chǔ)共性問題，為控制不銹鋼立柱的熔覆性能，減少氣孔、夾渣、開裂等熔覆缺陷，以27SiMn材質(zhì)的液壓支架立柱為基體，開展大面積激光熔覆工藝多道搭接控制研究，深入探討多道搭接熔覆的搭接區(qū)及其對(duì)耐腐蝕性能的影響，并通過調(diào)整熔覆步距進(jìn)行多道搭接工藝試驗(yàn)，分析了熔覆平整度、稀釋率對(duì)立柱成品的影響，以及熔覆層金相組織結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：搭接區(qū)存在組織結(jié)構(gòu)差異，容易存在氣孔、砂眼等缺陷，立柱表面經(jīng)機(jī)械加工后顯露的搭接線周圍是防腐蝕薄弱區(qū)，應(yīng)該嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化工藝以保障該區(qū)域性能;熔覆平整度需要控制在0.03 mm以內(nèi);稀釋率控制在10%以內(nèi)的熔覆層組織結(jié)構(gòu)平整均勻、與基體之間是冶金結(jié)合。

關(guān)鍵詞：液壓支架立柱;激光熔覆;多道搭接熔覆;熔覆步距

中圖分類號(hào)：TG457 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）07-0080-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.11

0 前言

在煤礦的開采進(jìn)程中，液壓支架不可或缺，它在井下支撐著開采工作面。近年來，在大量研究者的努力下，立柱的表面性能及使用性能得到顯著提升[1-5]，可廣泛適用于軟、硬、大厚層、薄層各種煤炭的開采。針對(duì)煤礦安全來說，支架的支護(hù)作用必須安全有效，這就要求液壓支架立柱有足夠高的耐磨、耐蝕、抗沖擊的綜合使用性能。目前激光熔覆技術(shù)在液壓支架不銹鋼立柱再制造及強(qiáng)化方面獲得了卓有成效的應(yīng)用[1-6]。激光熔覆工藝過程短暫而復(fù)雜，是一個(gè)非平衡的驟冷驟熱過程，涉及移動(dòng)熔池、復(fù)雜的熱傳導(dǎo)及相變過程。目前研究工作的重點(diǎn)是熔覆設(shè)備優(yōu)化升級(jí)、熔覆動(dòng)力學(xué)、合金材料配比研究、熔覆缺陷控制、結(jié)合強(qiáng)度等[7-12]。

在液壓支架立柱的實(shí)際生產(chǎn)中，一般需要通過稀釋率、硬度、耐腐蝕性能綜合評(píng)判激光熔覆層的性能并進(jìn)一步篩選最佳工藝用于批量生產(chǎn)。文中僅以液壓支架立柱的激光熔覆為研究對(duì)象，開展激光熔覆工藝多道搭接控制研究，分析了多道搭接熔覆及激光熔覆成形對(duì)耐腐蝕性能的影響，并通過調(diào)整熔覆步距對(duì)比分析了熔覆平整度對(duì)立柱成品生產(chǎn)工序的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用基材為液壓支架立柱母材27SiMn，其化學(xué)成分如表1所示。熔覆粉末為多組元鐵基合金粉末，化學(xué)成分如表2所示，粒度為-100～+270目。

采用10 000 W半導(dǎo)體光纖耦合激光加工系統(tǒng)，光斑大小為28 mm×4 mm，對(duì)母材為27SiMn的液壓支架立柱進(jìn)行多道搭接激光熔覆，激光功率為8 000～8 500 W，掃描線速度為10～15 mm/s，調(diào)整步距控制搭接率，采用大容量重力送粉器送粉，調(diào)節(jié)送粉流量40～50 g/min，全程氬氣保護(hù)，氣流量50 mL/s，調(diào)節(jié)送粉量控制熔覆厚度均為1.0～1.5 mm。

熔覆表面經(jīng)機(jī)械加工后截取弧面試樣（尺寸φ140 mm×120 mm）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)中性鹽霧試驗(yàn)（試驗(yàn)箱溫度35±2 ℃，飽和箱溫度50±2 ℃，鹽霧沉降率1.2 mL/80 cm2·h）。沿垂直于掃描方向線切取10 mm×10 mm×10 mm試塊，經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在Axio Lab.A 1金相顯微鏡下檢測(cè)熔覆深度、觀察熔覆層的顯微組織結(jié)構(gòu)。使用蔡司EVO-10MA電子顯微鏡及牛津能譜儀進(jìn)行熔覆層微區(qū)成分分布檢測(cè)。

2 結(jié)果及討論

2.1 多道搭接熔覆分析

多道搭接熔覆的關(guān)鍵因素有激光功率、掃描速度、光斑大小、步距、送粉厚度等。其中為滿足工業(yè)化應(yīng)用，在保障一定能量密度的前提下，激光器的光斑規(guī)格一般與功率大小匹配設(shè)計(jì)，光斑寬度及其能量分布均勻性決定了熔覆單道的寬度、平整度及組織均勻性，因此通過改變光斑尺寸引起熔覆層表面輻照的激光能量分布變化，所獲得的熔覆層形貌和組織性能都會(huì)有較大的差別。10 000 W激光器28×4規(guī)格的光斑能量分布如圖1所示，光斑能量分布較為均勻。

在實(shí)際生產(chǎn)中，光斑規(guī)格和送粉噴嘴規(guī)格一般是匹配的，這樣既可以最大化提升熔覆效率又可以有效保護(hù)熔覆基體及熔覆層。而在保障熔覆充分的前提下設(shè)定合理的步距，經(jīng)多道搭接熔覆后即可獲得均勻平整的大面積熔覆層。

多道熔覆搭接示意如圖2所示。沿著步進(jìn)方向，激光由第一道向前移動(dòng)一個(gè)步距進(jìn)行第二道熔覆，重疊區(qū)域即為搭接區(qū)，搭接區(qū)經(jīng)歷了二次熔池，熔池存在時(shí)間更長(zhǎng)，粉末過燒、合金元素?fù)p失，存在非均質(zhì)形核而出現(xiàn)了不同于其他部位的組織結(jié)構(gòu)。搭接處熔化粉末后剩余的光能量較強(qiáng)，此部分光對(duì)已有的前一道熔覆層產(chǎn)生負(fù)面作用，圖2中黑色痕跡線認(rèn)為是受激光影響最為強(qiáng)烈處。由于前一道熔覆層的存在，送粉邊緣在激光的輻照下隨著熔池向當(dāng)前熔覆道收縮，導(dǎo)致前一道表面受激光影響程度不同，進(jìn)而引起顯著的結(jié)構(gòu)差異。

典型的搭接區(qū)域金相組織結(jié)構(gòu)如圖3所示，受后一道熔覆時(shí)的激光束影響，前一道熔覆層的表層晶粒明顯粗大，而且越靠近上部越明顯。加之前一道熔覆層表面氧化皮等雜質(zhì)的存在，導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)了一些氣孔、夾渣等缺陷，如圖4所示。甚至由于熔覆過程中的驟熱驟冷使得熔覆層內(nèi)部產(chǎn)生了極大的應(yīng)力而誘發(fā)了裂紋，所以該區(qū)域會(huì)成為耐腐蝕防護(hù)的薄弱點(diǎn)，而且一旦出現(xiàn)腐蝕點(diǎn)多圍繞痕跡線分布。

激光熔覆不銹鋼立柱在經(jīng)過車削、磨削、拋光后的成品表面均勻分布著肉眼可見的痕跡線，如圖5a、5b所示，線間距恰好等于步距。因?yàn)轱@露的痕跡線正是機(jī)械加工去除一定熔覆層厚度后的搭接處，故后文統(tǒng)稱為搭接線。以搭接線為中心，其顏色以前一道方向?yàn)橹?，后一道方向稍淺，這可能是由于前一道熔覆層弧度的存在導(dǎo)致該處粉末量少、激光焦距更近，有效熔覆部分接受的激光輻照最為強(qiáng)烈，生成的碳化物等硬質(zhì)相也更多[12]，硬度偏高，而后一道方向有粉末覆蓋且焦距稍遠(yuǎn)，高溫作用較弱，在接受車削、磨削時(shí)熔覆表面各處粗糙度已經(jīng)存在差異，在進(jìn)行拋光時(shí)硬度高點(diǎn)難于實(shí)現(xiàn)拋光而硬度低點(diǎn)容易實(shí)現(xiàn)拋光，進(jìn)而表征出來顏色變化，而隨著拋光時(shí)間的延長(zhǎng)，表面粗糙度逐漸降低并逐漸趨向于均勻，表面色差變淡直至消失。

另外，經(jīng)鹽霧試驗(yàn)出現(xiàn)的銹蝕點(diǎn)沿著熔覆方向分布在搭接線的前方（見圖5a），有時(shí)搭接線左右出現(xiàn)多個(gè)（見圖5b）。這些銹蝕大部分出現(xiàn)在搭接區(qū)域，而出現(xiàn)這兩種情況的原因可能是機(jī)械加工去除量的不同導(dǎo)致了當(dāng)前表面暴露的搭接范圍不同，分別對(duì)應(yīng)圖5c所示線d、e兩處。經(jīng)上述分析，搭接區(qū)域由于粉末較薄且前一道表面覆蓋有氧化皮，當(dāng)光打在粉末較薄處時(shí)容易出現(xiàn)組織差異或者前一道遺留的氧化皮等作為夾渣形成缺陷，在腐蝕環(huán)境中更容易構(gòu)成原電池。鑒于上述分析，實(shí)際生產(chǎn)工中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)工藝和工序，在采用合理的激光熔覆參數(shù)以控制適當(dāng)激光能量輸入的前提下，適當(dāng)延長(zhǎng)熔池存在時(shí)間，使熔覆層獲得均勻的組織結(jié)構(gòu)并讓氣孔、夾渣有效逸出。

2.2 調(diào)整步距的多道搭接工藝試驗(yàn)

2.2.1 調(diào)整步距對(duì)熔覆平整度的影響

激光熔覆不銹鋼立柱是通過激光熔覆增材、機(jī)械加工減材獲得成品的。熔覆厚度和機(jī)械加工去除量要嚴(yán)格匹配，否則嚴(yán)重影響立柱成品質(zhì)量，而激光熔覆層的平整度直接決定最小機(jī)械加工去除量，因而涉及合金粉末耗費(fèi)量、熔覆及機(jī)械加工工時(shí)，對(duì)激光熔覆不銹鋼立柱成品加工效率和成本控制產(chǎn)生較大影響。在激光器選定的情況下，步距將直接決定多道熔覆的搭接率和熔覆平整度，因此，保證熔覆充分的其他工藝參數(shù)不變，設(shè)定步距如表3所示。因?qū)嶋H應(yīng)用中的光斑規(guī)格和送粉嚴(yán)格匹配，所以光斑尺寸基本等于單道寬度，因此多道熔覆的搭接率可根據(jù)公式“（光斑尺寸-步距）/步距=搭接率”進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)該注意的是，由于每臺(tái)激光器光斑質(zhì)量不同，對(duì)應(yīng)的最適宜的搭接率大小是不同的。采用自制小型精密深度測(cè)量工裝進(jìn)行表面凹凸差值測(cè)量，用于評(píng)價(jià)熔覆表面粗糙度，結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示。

由表3可知，步距15 mm的表面平整度最佳，即其機(jī)械加工去除量最低，但搭接率最大意味著熔覆效率最低;步距20 mm的搭接率最低意味著熔覆效率最高，但表面平整度較低，導(dǎo)致該試樣在保留同等有效熔覆厚度的技術(shù)條件下，具備同等熔覆原始厚度卻無法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械加工。綜合考慮合金材料耗費(fèi)和加工工時(shí)，應(yīng)該將熔覆平整度控制在0.03 mm以下。

2.2.2 調(diào)整步距對(duì)稀釋率的影響

稀釋率過大，則基體成分對(duì)熔覆層成分過分稀釋，降低熔覆層固有功能;稀釋率過小，熔覆界面形不成良好的冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度達(dá)不到使用要求。經(jīng)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)不同的熔覆條件和材料體系，存在一個(gè)保證熔覆層與基體良好結(jié)合的臨界比能，根據(jù)比能公式El=P/v可見，激光功率和掃描線速度決定了線比能，而熔覆表面吸收的有效能量越大，熔池深度越大，熔覆層與基體之間的稀釋率越大。一般認(rèn)為，稀釋率控制在5%～10%即可獲得良好的熔覆層性能和較強(qiáng)的結(jié)合強(qiáng)度[13]。對(duì)上述多道搭接熔覆試樣進(jìn)行剖面金相尺寸測(cè)量，并按照公式“（熔覆深度-熔覆層高度）/熔覆深度=稀釋率”計(jì)算名義稀釋率，不同于單道熔深測(cè)量，多道搭接采用三次測(cè)算平均值，結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4所示，三種試樣的稀釋率均符合工藝要求，但是由于步距變化導(dǎo)致基體吸收激光能量有所變化，稀釋率大小稍有不同。

由于27SiMn基體中不含Cr元素，可通過觀察Cr元素沿著熔覆層縱深方向的含量變化對(duì)比分析稀釋程度。三組試樣的Cr含量線分布趨勢(shì)如圖6所示，可以看出，結(jié)合界面處的平整度存有差異，所選取的檢測(cè)區(qū)域Cr含量曲線由零增大到一定數(shù)值時(shí)的緩增范圍大小差異不明顯，符合表4結(jié)果。

選取步距15 mm的熔覆試樣觀察金相組織，如圖7所示，熔覆層上部組織均勻細(xì)致、無缺陷，結(jié)合界面清晰、平滑，表明基體與熔覆層之間為良好的冶金結(jié)合，靠近結(jié)合界面處的組織為一薄層較為短小的平面晶，隨后在中部沿著逆熱流方向形成較發(fā)達(dá)的枝晶組織，由于表層的散熱機(jī)制晶體長(zhǎng)大受阻，所以頂部組織較中部稍顯細(xì)膩。

3 結(jié)論

（1）多道熔覆搭接區(qū)的組織結(jié)構(gòu)有差異，容易存在氣孔、砂眼等缺陷，因此，立柱表面經(jīng)機(jī)械加工后顯露的搭接線周圍是防腐蝕薄弱區(qū)，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化工藝以保障該區(qū)域性能。

（2）在激光工藝參數(shù)不變的情況下，步距是影響熔覆平整度的主要因素，為了便于機(jī)械加工，熔覆平整度需控制在0.03 mm以內(nèi);為了保障激光熔覆結(jié)合強(qiáng)度，稀釋率控制在10%以內(nèi)，此時(shí)的熔覆層組織結(jié)構(gòu)平整均勻、與基體之間為冶金結(jié)合。

（3）熔覆層靠近結(jié)合界面處的組織為一薄層較為短小的平面晶，隨后在中部沿著逆熱流方向形成較發(fā)達(dá)的枝晶組織，由于表層的散熱機(jī)制晶體長(zhǎng)大受阻，頂部組織較中部稍顯細(xì)膩。

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