激光熔覆再制造技術(shù)影響因素的研究

韓輝輝，黎文強(qiáng)，王騰飛，馬宗彬

(河南省煤科院耐磨技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450001)

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，鋼鐵材料已被廣泛應(yīng)用在工程機(jī)械、煤礦機(jī)械等各行各業(yè)，但每年因機(jī)械部件表面磨損和腐蝕導(dǎo)致材料損傷或失效而消耗鋼鋼材量占鋼材總量的10%左右。機(jī)械零部件的磨損腐蝕不僅致使設(shè)備使用壽命大幅度縮短，同時(shí)存在較大安全隱患。為減少磨損腐蝕造成的損失，工業(yè)上廣泛在高精密零件的關(guān)鍵部位的表面進(jìn)行耐磨耐腐蝕強(qiáng)化處理及再制造技術(shù)，提高零部件使用壽命[1]。設(shè)備零部件表面強(qiáng)化及修復(fù)的方法主要有等離子堆焊、電鍍、氣相沉積、激光熔覆等。激光熔覆再制造技術(shù)與其他表面處理技術(shù)相比具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，具有稀釋率低、工件變形小、熔覆層組織致密、界面結(jié)合強(qiáng)度高、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，是一種新興的綠色表面再制造強(qiáng)化技術(shù)。其不僅可以對(duì)已失效工件進(jìn)行再制造強(qiáng)化處理，實(shí)現(xiàn)工件的重復(fù)利用，還可以對(duì)新零件關(guān)鍵部位進(jìn)行耐磨耐腐蝕強(qiáng)化處理，能夠顯著延長(zhǎng)工件的使用壽命，有效降低成本，符合國(guó)家制定的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[2-4]。

1 激光熔覆再制造技術(shù)簡(jiǎn)介

激光熔覆再制造技術(shù)以激光為加熱熱源，將合金粉末以預(yù)置或同步的送粉方式涂覆在基體表面，經(jīng)過高能量密度的激光照射后，熔覆合金粉末與基體表層材料同時(shí)快速熔化、快速凝固，形成稀釋率較低、耐磨、耐腐蝕、抗氧化、組織致密的熔覆層，同時(shí)保持基材擁有原有的強(qiáng)度和韌性的高端表面強(qiáng)化技術(shù)。激光熔覆再制造技術(shù)可以在不影響基體力學(xué)性能的前提下，增強(qiáng)基體表面硬度、耐磨、耐腐蝕性能，具有能量密度集中，熔覆層融化和結(jié)晶速度快，組織致密，晶粒細(xì)小，對(duì)工件熱輸入少，熱影響區(qū)小，粉末可選擇性多，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，工件可批量化生產(chǎn)等其他工藝所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。激光熔覆再制造技術(shù)修復(fù)的工件不受熔覆厚度及熔覆次數(shù)的限制，磨損腐蝕的工件可以得到多次重復(fù)利用，使用壽命加長(zhǎng)，同時(shí)避免其回爐冶煉工序，節(jié)約稀有貴重金屬材料，為國(guó)家節(jié)約了大量能源及稀有資源。國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)80年代初期開始對(duì)激光熔覆再制造技術(shù)展開研究。目前，這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速，已廣泛應(yīng)用在航空航天、煤礦、化工、汽車、軌道交通、冶金等多個(gè)領(lǐng)域[5]。

2 激光熔覆再制造技術(shù)的影響因素

(1)激光熔覆材料。激光熔覆材料是關(guān)乎激光熔覆層表面是否表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性、耐腐蝕性及抗氧化性等物理特性的關(guān)鍵影響因素。主要由于激光熔覆材料中的合金元素種類及含量決定著表面熔覆層的熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性、流動(dòng)性等一些物理特性和熔覆層組織成分物象種類、數(shù)量，而這些物理特性及組織成分最終影響著熔覆層質(zhì)量、性能及缺陷等問題[6]。

激光熔覆層的質(zhì)量好壞與選擇的粉末材料種類密切相關(guān)。因不同種類的合金粉末具有不同的性能及性質(zhì)，通常激光熔覆再制造技術(shù)要求合金粉末材料與基體材料之間具有相似的熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)等物理性質(zhì)，以保證熔覆過程中兩者潤(rùn)濕性和匹配性。若熱膨脹系數(shù)相差較大的2種材料結(jié)合，在界面處易產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，使熔覆層產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重情況下甚至開裂、脫落。而自熔性合金粉末因其良好的力學(xué)性能、成型性及與基體結(jié)合良好的匹配性被激光熔覆再制造技術(shù)廣泛使用。

(2)工藝參數(shù)對(duì)激光熔覆層影響。激光熔覆是利用高能量激光將霧化合金粉末快熔快凝，同時(shí)具有流動(dòng)、傳質(zhì)、傳熱現(xiàn)象的冶金過程。在工藝參數(shù)影響激光熔覆層質(zhì)量因素中，對(duì)熔覆層質(zhì)量和性能起關(guān)鍵作用的主要包括激光功率密度，送粉速度，掃描速度，搭接率等。這些參數(shù)的綜合協(xié)調(diào)作用下才能確保熔覆層具有較好質(zhì)量，最為直觀的不會(huì)出現(xiàn)氣孔、裂紋等宏觀缺陷。

激光功率密度是激光熔覆層熱量輸入的核心控制參數(shù)，對(duì)激光熔覆層寬度、厚度和稀釋率都有較大影響。隨著激光功率密度增加，熔覆層的厚度、寬度和稀釋率都增加，這是由于激光功率密度增大使合金粉末接收的能量增多，單位時(shí)間進(jìn)入熔池的合金粉末增多，基體融化深度增加。但激光功率過大時(shí)，一方面工件稀釋率大，基體輸入熱量過多，導(dǎo)致工件變形嚴(yán)重；另一方面，熔池溫度過高導(dǎo)致合金粉末元素?zé)龘p嚴(yán)重和熔覆層表面氧化嚴(yán)重，降低熔覆層耐磨耐腐蝕性能。激光功率過小時(shí)，會(huì)造成合金粉末熔化不充分、熔覆層與基體結(jié)合力不夠等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響熔覆層質(zhì)量。因此，激光功率密度大小的選擇成為制備高質(zhì)量激光熔覆層的關(guān)鍵因素之一。杜學(xué)蕓等[7]研究不同功率密度對(duì)激光熔覆層的影響，研究表明，隨著激光功率密度的提高，熔覆層顯微組織晶粒變的粗大，Cr元素分布不均勻，易造成局部貧鉻，導(dǎo)致激光熔覆層的耐蝕性能變差。

掃描速度是指激光光斑在工件上的移動(dòng)速度，對(duì)激光熔覆效率和熔覆的厚度起著關(guān)鍵作用。隨著掃描速度的提高，雖然提高了熔覆效率，但代表著光斑在工件表面停留時(shí)間降低即單位時(shí)間接收的能量減少，熔池存在時(shí)間減少，熔覆層冷卻速度增大，產(chǎn)生氣孔裂紋傾向增大，同時(shí)參與形成熔覆層粉末減少，熔覆層的厚度下降。掃描速度過大會(huì)造成熔覆層厚度較薄，達(dá)不到產(chǎn)品的工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，影響產(chǎn)品最終使用性能[7]。

搭接率是影響激光熔覆效率和熔覆層平整度的關(guān)鍵工藝參數(shù)。減小搭接率可以一定程度上提高熔覆效率，但會(huì)使兩搭接熔覆層之間形成小的溝壑，導(dǎo)致熔覆層表面不平，平整度降低。搭接率增高雖然可以提高熔覆層平整度，但會(huì)造成熔覆效率降低，搭接處出現(xiàn)裂紋氣孔缺陷的幾率增加，因此需要選擇合適的搭接率在保證熔覆層平整度的同時(shí)提高熔覆效率[8]。

送粉速度對(duì)熔覆層厚度影響尤為明顯。在不改變其他工藝參數(shù)的條件下，提高送粉速度會(huì)使熔覆層厚度增加，但過多粉末輸送到熔池內(nèi)，使合金粉末熔化不充分，一方面導(dǎo)致粉末利用率降低，造成粉末浪費(fèi)；另一方面粉末出現(xiàn)黏接現(xiàn)象，影響熔覆層表面成型質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制送粉速度，在保證熔覆層厚度滿足要求的前提下適當(dāng)降低送粉速度，有效防止粉末因未熔化而浪費(fèi)[9]。

綜述所述，激光熔覆再制造技術(shù)要獲得高質(zhì)量的熔覆層，需要綜合考慮各工藝參數(shù)對(duì)熔覆層的作用，合理搭配，消除各因素的相互影響，進(jìn)而制備出組織致密、表面無缺陷、性能優(yōu)異激光熔覆層。

3 技術(shù)存在問題

(1)理論研究不夠深入，不可控因素多。國(guó)內(nèi)激光熔覆再制造技術(shù)一方面起步晚，研究歷程短，另一方面企業(yè)只重視實(shí)際應(yīng)用，輕視機(jī)理的原因，導(dǎo)致目前科研及生產(chǎn)單位應(yīng)用的激光熔覆技術(shù)參數(shù)以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為主，缺乏基礎(chǔ)的原理性研究，理論研究不夠深入，如激光熔覆層的凝固原理、晶粒生長(zhǎng)機(jī)制、缺陷形成機(jī)理等。另外激光熔覆的過程受到粉末種類，工藝參數(shù)、基體尺寸等多種因素的影響，這些參數(shù)相互影響和相互制約，不可控因素較多，使激光熔覆再制造技術(shù)理論研究變得更為復(fù)雜化[10]。

(2)熔覆層易產(chǎn)生缺陷。在激光熔覆再制造技術(shù)制備熔覆層過程中，熔覆層表面易出現(xiàn)裂紋、氣孔、凹坑、氧化及工件變形等缺陷問題，對(duì)激光熔覆再制造技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生不利影響。激光熔覆層缺陷形成受到熔覆層材料與基體材料之間熱膨脹系數(shù)偏差、工件表面與熔覆層之間較大溫差、激光熔覆急速加熱快速冷卻特性、工藝參數(shù)選擇不適合及熔覆層組織與基體之間形成內(nèi)應(yīng)力等一種或多種因素的影響。在多種不利因素綜合影響下，熔覆層表面易出現(xiàn)裂紋、氣孔等多種不良缺陷。

(3)高端核心部件國(guó)產(chǎn)化程度低。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用較廣泛激光熔覆設(shè)備零部件多為進(jìn)口技術(shù)特別是激光器，主要是因?yàn)檫M(jìn)口激光器相比國(guó)內(nèi)激光器的穩(wěn)定性和使用壽命相對(duì)較好。但購(gòu)買進(jìn)口產(chǎn)品存在較大弊端，一方面，采購(gòu)周期長(zhǎng)，不利于企業(yè)關(guān)鍵技術(shù)形成核心競(jìng)爭(zhēng)力，搶占有利的市場(chǎng)份額；另一方面，限制了國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的研發(fā)需要大量資金支持，國(guó)內(nèi)企業(yè)研發(fā)產(chǎn)品賣不出去，就會(huì)導(dǎo)致激光器芯片、整形鏡片、激光器光柵等高端核心部件國(guó)產(chǎn)化技術(shù)發(fā)展緩慢，以至于出現(xiàn)核心產(chǎn)品的發(fā)展受制于人的情況。

4 改善措施

針對(duì)激光熔覆過程出現(xiàn)的氣孔和裂紋等缺陷，可以通過加強(qiáng)理論研究、合理設(shè)計(jì)粉末成分、優(yōu)化工藝參數(shù)、結(jié)合一些輔助手段等措施改善，提高激光熔覆層的整體質(zhì)量和使用性能。

(1)加強(qiáng)理論研究，為激光熔覆再制造技術(shù)發(fā)展提供理論支撐。加強(qiáng)理論研究，從理論上解釋各工藝參數(shù)對(duì)激光熔覆層的作用原理及缺陷形成機(jī)理，才能從根本上解決問題，使激光熔覆再制造技術(shù)滿足客戶需求，達(dá)到工件服役要求，有效避免熔覆層出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷。

(2)調(diào)整熔覆材料成分，優(yōu)化激光熔覆工藝參數(shù)。熔覆工藝和熔覆材料是影響激光熔覆層組織和使用性能的至關(guān)重要因素，加強(qiáng)其研究對(duì)激光熔覆技術(shù)的開發(fā)至關(guān)重要。裂紋和氣孔是激光熔覆層最易出現(xiàn)的缺陷。熱應(yīng)力是影響熔覆層裂紋產(chǎn)生的重要因素，熱應(yīng)力可表達(dá)為：

式中，αc和αm分別為熔覆層和基體的熱膨脹系數(shù)，Tm和Tc分別為熔覆前的起始溫度和熔覆層的熔點(diǎn)，Ec為熔覆層彈性模量，εc為熔覆層材料的泊松比。

通過公式分析可以得知，可以采取調(diào)整熔覆層合金元素成分縮短熔覆層與基體之間的熱膨脹系數(shù)差，基體激光熔覆前預(yù)熱處理、減小熔覆層材料的彈性模量等措施有效減少熔覆層熱應(yīng)力，進(jìn)而防止裂紋的產(chǎn)生。另外可以通過優(yōu)化工藝參數(shù)，合金粉末進(jìn)行防潮保存，激光熔覆前將粉末進(jìn)行干燥等措施都能有效減少氣孔的產(chǎn)生。在粉末中添加可形成韌性相的合金元素，能夠有效降低裂紋敏感性，如鐵基合金粉末中加入一定量的鎳、鈷元素后，形成一些增強(qiáng)熔覆層韌性的組織結(jié)構(gòu)，有效降低了熔覆層裂紋形成概率。

(3)超聲振動(dòng)輔助提高激光熔覆層質(zhì)量。由于激光熔覆是極快的速度熔化和冷卻過程，凝固后熔覆層內(nèi)極易殘留較大的內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)熔池內(nèi)元素存在偏析的原因，導(dǎo)致裂紋和氣孔的產(chǎn)生。超聲輔助裝置利用超聲波的聲流效果和機(jī)械效應(yīng)，一方面，引起熔池液態(tài)金屬上下翻滾，起到攪拌熔池和除氣作用，減小成分偏析和應(yīng)力集中，進(jìn)而抑制裂紋和氣孔的產(chǎn)生；另一方面，可縮短熔池凝固時(shí)間，打碎初生和正在長(zhǎng)大的晶粒，將組織內(nèi)晶粒細(xì)化。因此，超聲振動(dòng)輔助激光熔覆技術(shù)不但改善熔覆層組織結(jié)構(gòu)，提高熔覆層致密性，還有效阻止激光熔覆層裂紋、氣孔等缺陷產(chǎn)生。申井義等[11]研究了空載式超聲振動(dòng)對(duì)激光熔覆層組織和性能的影響，結(jié)果表明，對(duì)熔池施加超聲振動(dòng)后，熔覆層組織改善，氣孔和裂紋減少，與未施加超聲振動(dòng)相比，熔覆層耐磨性能得到大幅度提高。

(4)電磁場(chǎng)輔助提高激光熔覆層質(zhì)量。其主要利用電磁力對(duì)激光熔覆層金屬內(nèi)部的攪拌和渦旋作用，實(shí)現(xiàn)與材料不直接接觸細(xì)化熔覆層組織晶粒，減小熔覆層中氣孔和裂紋等不良缺陷，提高熔覆層的組織質(zhì)量及性能。楊光等研究了電磁攪拌對(duì)激光熔覆層熔池凝固過程的影響，研究表明，施加電磁攪拌后，熔池內(nèi)部及表面液體流動(dòng)性明顯增強(qiáng)，內(nèi)部熱交換加快，熔池內(nèi)溫度分布更加均勻，有效促進(jìn)熔池內(nèi)柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變，減少熔覆層成分偏析，降低裂紋開裂敏感性[12]。

5 結(jié)論

激光熔覆再制造技術(shù)是隨著激光器應(yīng)用的逐漸成熟而興起一種綠色表面再制造強(qiáng)化技術(shù)。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用到失效圓軸類高精密零件表面的耐磨耐腐蝕再制造強(qiáng)化處理，實(shí)現(xiàn)了待報(bào)廢產(chǎn)品的循環(huán)再利用，節(jié)約大量的鋼鐵資源以及冶煉能源，減少對(duì)環(huán)境的污染，符合國(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展理念，具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)發(fā)展需求。經(jīng)過多年研究發(fā)展，我國(guó)在激光熔覆再制造技術(shù)行業(yè)已經(jīng)積累了大量的工業(yè)經(jīng)驗(yàn)，激光熔覆再制造技術(shù)得到不斷優(yōu)化改進(jìn)，但仍然存在基礎(chǔ)理論研究不夠深入、熔覆層出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷、核心部件國(guó)產(chǎn)化低等問題。只有采取不斷加強(qiáng)基礎(chǔ)理論知識(shí)研究、優(yōu)化熔覆工藝參數(shù)及研發(fā)高性能的合金粉末等措施，才能制備出高質(zhì)量、高性能的激光熔覆層。另外還要加強(qiáng)激光器相關(guān)核心部件國(guó)產(chǎn)化，才不會(huì)被國(guó)外卡脖子，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)激光熔覆再制造技術(shù)的健康可持續(xù)發(fā)展。