激光熔覆技術(shù)在工程裝備零部件維修及再制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展

劉 策，王海濤，譚業(yè)發(fā)，王俊杰

（陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210000）

0 引言

軍隊(duì)工程裝備（engineer equipment）主要由渡河橋梁裝備、道路陣地機(jī)械、筑城施工機(jī)械、野戰(zhàn)給水機(jī)械、工程偵察與指揮裝備等裝備組成。對(duì)于這些工程機(jī)械進(jìn)行維修時(shí)，多方面考慮戰(zhàn)場(chǎng)上保障時(shí)限短、零件后方調(diào)配困難、裝備易磨損易腐蝕等因素，對(duì)小型零部件主要采用換件維修，即對(duì)損傷零部件直接更換，而大型零件直接更換難度大、成本高，通常采用表面工程技術(shù)在零部件表面制備出性能更加優(yōu)越的涂層，此法不僅可以將已經(jīng)失效零部件修復(fù)至原始尺寸，而且可以提升零部件的性能，保障了再制造工程裝備整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性，與傳統(tǒng)的換件維修相比，極大地降低了生產(chǎn)成本。

目前，工程裝備主要采用的表面工程技術(shù)主要有機(jī)涂裝、熱浸鍍、熱噴涂、電鍍、化學(xué)鍍、氣相沉積、堆焊、激光熔覆等。激光熔覆技術(shù)相比其他表面工程技術(shù)，具有以下特點(diǎn)：激光能量密度高，加熱速度快，對(duì)基材熱影響區(qū)較小，熱變形?。焕鋮s速率較快（102～106K/s），涂層上組織密實(shí)，晶粒?。煌繉酉♂尩?，涂層與基體呈冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高；材料選擇范圍廣，金屬材料、陶瓷材料及復(fù)合材料均可作為熔覆材料；易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，無環(huán)境污染[1]。激光熔覆技術(shù)被廣泛應(yīng)用于船舶制造、航空航天、汽車再制造、礦山機(jī)械、軍事保障等領(lǐng)域[2]。

本文對(duì)激光熔覆技術(shù)原理進(jìn)行概述，以及利用該技術(shù)對(duì)工程裝備零部件進(jìn)行維修及再制造的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景，并有針對(duì)性地提出了4 點(diǎn)可供參考的研究方向。

1 激光熔覆技術(shù)

激光熔覆技術(shù)（Laser Cladding，LC）是一種表面改性技術(shù)，該技術(shù)屬于多元型學(xué)科，包括激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)和控制技術(shù)等。其原理為以高能量密度（104～106W/cm2）的激光熱源，使涂層材料和基材表面薄層同時(shí)熔化，并快速凝固形成稀釋率極低，與基材呈冶金結(jié)合的表面熔覆層，從而顯著改善基材表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等的一種表面強(qiáng)化方法。

根據(jù)送粉方式，目前最常用的LC 方法是同軸粉末系統(tǒng)[3]和預(yù)置粉末系統(tǒng)[4]。同軸送粉為當(dāng)粉末通過載氣從送粉噴嘴噴出時(shí)，激光束照射基材形成液體熔池[5]，粉末與激光相互作用后，隨著送粉噴嘴與激光束同步移動(dòng)，進(jìn)入液體熔池并形成熔覆層。與同軸粉末系統(tǒng)不同，熔覆材料在預(yù)置粉末系統(tǒng)中預(yù)先放置在基板上。然后，通過激光束掃描將預(yù)置的粉末熔化，熔池迅速冷卻，形成熔覆層。一般而言，預(yù)置粉系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，熔覆質(zhì)量較好，但穿透深度不易控制，稀釋度大。同軸粉末系統(tǒng)激光利用率高，但對(duì)熔覆設(shè)備的質(zhì)量要求很高。

激光熔覆材料的應(yīng)用中，主要有自熔性合金粉末、陶瓷材料、金屬陶瓷復(fù)合材料、稀土元素改性材料。材料之間性能差異較大，可根據(jù)實(shí)際需求選擇恰當(dāng)?shù)牟牧蟍6]。

2 激光熔覆技術(shù)在工程裝備零件維修及再制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景

目前，對(duì)工程裝備修復(fù)所應(yīng)用的主要技術(shù)有電弧噴涂、熱處理、堆焊等，但隨著激光熔覆技術(shù)的不斷發(fā)展，制備涂層性能日漸優(yōu)異，效率也在不斷變高，為工程裝備修復(fù)及再制造提供了新方法新思路。

2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

張世憑在挖掘機(jī)磨損斗齒表面用激光熔覆技術(shù)制備VC 鐵基復(fù)合材料涂層，恢復(fù)原件尺寸，提升了其耐磨性[7]。德國漢諾威萊布尼茲大學(xué)Klaierle 等利用激光熔覆與激光重熔復(fù)合工藝完成了對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的修復(fù)[8]。蘇倫昌等對(duì)煤礦機(jī)械關(guān)鍵設(shè)備之一的液壓支架立柱進(jìn)行再制造對(duì)比研究，研究表明，激光熔覆再制造是電鍍修復(fù)技術(shù)使用壽命的6 倍，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益方面亦有著明顯優(yōu)勢(shì)[9]。

激光熔覆技術(shù)除了可以對(duì)損壞的零件進(jìn)行修復(fù)以外，還能用來對(duì)已有的工程機(jī)械零部件進(jìn)行再制造，從而提升工件性能，延長使用壽命。焦陽等以低碳高鉻鐵基熔覆粉末為原始材料，利用激光熔覆技術(shù)制備了不同Mo 加入量的鐵基熔覆層，明顯改善了液壓油缸熔覆層材料的耐蝕性，可以滿足苛刻的煤礦液壓支架防護(hù)要求[10]。陸偉明利用激光熔覆技術(shù)對(duì)柴油機(jī)的活塞進(jìn)行再制造處理，利用三大類共計(jì)11 種不同成分的自熔性合金粉末，在以42CrMo 為基材的試樣上進(jìn)行激光熔覆，最終選擇Fe60 作為該活塞的熔覆粉末，而后從激光入射角、激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)綜合分析，進(jìn)行2 輪共計(jì)12 組試驗(yàn)，獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)。該研究為活塞的批量化生產(chǎn)以及再制造產(chǎn)品的可靠性提供有力的技術(shù)支撐[11]。

2.2 應(yīng)用前景

與航空航天、汽車再制造、船舶再制造等高端制造領(lǐng)域相比，利用激光熔覆對(duì)工程裝備進(jìn)行維修和再制造發(fā)展較慢、水平較低，為保障工程裝備完好率和可靠性，借鑒其他領(lǐng)域的激光熔覆先進(jìn)成果，從表面強(qiáng)化、提高耐腐蝕性2 個(gè)方面進(jìn)行研究。

2.2.1 表面強(qiáng)化

工程裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件種類繁多，一些零件不僅要求具有足夠的剛度和韌性，還要求表面具有足夠的硬度和耐磨性，如齒輪齒面、傳動(dòng)軸配合面等，都要求較好的耐磨性和較高的表面硬度。

在提升零部件耐磨性方面，李云峰以大型齒圈常用的ZG42CMoA 鋼為基材，設(shè)計(jì)了一種包含界面連接層、增韌層與耐磨層的夾層式復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層以提升齒面的耐磨和耐沖擊性能[12]。封慧等在45 鋼表面利用激光熔覆技術(shù)制備Fe 基熔覆層，優(yōu)化工藝參數(shù)后，得到致密無缺陷的熔覆層，其硬度明顯高于基體，曲軸軸頸出現(xiàn)過度磨損以及裂紋的問題得到了有效解決[13]。Zhang 等在利用激光熔覆技術(shù)，在45 鋼表面制備Ni60A 涂層，全面系統(tǒng)地探究了基材及激光熔覆涂層在不同載荷下相對(duì)于GCr15 球滑動(dòng)的高溫摩擦和磨損行為，隨著載荷的增加，基材和熔覆層的耐磨性雖都有所增加，但是涂層與基材的磨損率比為1/6.2[14]。坦克在執(zhí)行任務(wù)中，發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸會(huì)承受氣門周期性打開與關(guān)閉的沖擊，并導(dǎo)致凸輪桃尖磨損失效。董世運(yùn)等人在坦克凸輪軸表面激光熔覆Fe90 鐵基合金粉末，獲得沒有裂紋、氣孔且組織致密的涂層，其耐磨性得到了較大改善[15]。

在提升零部件硬度的方面，張艷麗等在45 鋼表面分別制備Fe60 合金和Ni60 合金激光熔覆涂層，并對(duì)兩者的性質(zhì)作以比較得出結(jié)論，Ni60 合金熔覆涂層雖然硬度較高，但裂紋較多，而Fe60 合金熔覆涂層不僅結(jié)合區(qū)硬度高，而且具有良好的冶金結(jié)合，無明顯缺陷，得出結(jié)論，F(xiàn)e60 合金粉末更適合在45 鋼表面進(jìn)行激光熔覆處理[16]。牛興林等利用某鐵基合金粉末在45 鋼表面制備激光熔覆層，研究表明，由于熔覆過程加熱和冷卻速度極快，因而得到較大的過冷度，熔池內(nèi)合金元素快速形成化合物，熔覆層晶粒尺寸和組織更加細(xì)密，獲得了硬度較大的熔覆層[17]。吳思等采用激光熔覆技術(shù)在45 鋼表面制備WC－12Co 金屬陶瓷熔覆層，熔覆層從上至下，硬度逐漸下降，表層C含量較高，硬度最高，從而得出結(jié)論WC 顆粒提升熔覆層的硬度[18]。

2.2.2 提高耐腐蝕性

工程裝備的零部件絕大多數(shù)為金屬材質(zhì)，盡管其零部件在剛出場(chǎng)時(shí)都有一定的防銹保護(hù)，如電鍍、涂裝等表面工程技術(shù)，但是裝備一般在室外且條件較為惡劣的露天環(huán)境作業(yè)，裸露的金屬仍然易產(chǎn)生氧化銹蝕。所以可以利用激光熔覆技術(shù)制備耐腐蝕涂層，從而阻斷金屬與大氣和水分直接接觸，從而起到防銹保護(hù)的作用[19]。

邱等人研究了激光熔覆Al2CrFeCoxCuNiTi HEA涂層在Q235 鋼上的耐腐蝕性能，結(jié)果表明包覆層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl 和1 mol/L NaOH 溶液中的耐腐蝕性能良好[20]。白永濤等在液壓支柱、千斤頂表面以不同配比激光熔覆低碳馬氏體和不銹鋼混合粉末，提高了其耐磨耐蝕性，延長了液壓支柱的使用年限[21]。上述研究結(jié)果表明，激光熔覆技術(shù)為耐腐蝕防磨的實(shí)現(xiàn)提供了一定的可行性。

研究發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)外場(chǎng)條件的添加和控制可以顯著提高熔覆層耐腐蝕性。翟璐璐以純鐵為基體，Ni60自熔性合金粉末為熔覆材料，采用單一交變電流、單一穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)及電-磁復(fù)合場(chǎng)三種輔助形式，詳細(xì)考察了電磁場(chǎng)條件下激光熔覆涂層的表面形貌、橫截面尺寸、凝固組織、裂紋數(shù)量以及顯微硬度的變化。通過實(shí)驗(yàn)最終利用較小的電-磁復(fù)合參數(shù)便能夠獲得優(yōu)質(zhì)的激光熔覆涂層，提升了涂層的耐腐蝕性。此方案為利用激光熔覆技術(shù)強(qiáng)化工程裝備提供了技術(shù)指導(dǎo)[22]。綜上，激光熔覆技術(shù)對(duì)提升工程裝備的耐腐蝕性提供了一定的可行性。

3 結(jié)語

自1974 年Gnanamuthu 在金屬基材表面激光熔覆一層金屬并獲得相關(guān)專利后，該技術(shù)經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的研究，目前，積累了大量經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但其在工程裝備修復(fù)強(qiáng)化中的研究與應(yīng)用仍然較少，為實(shí)現(xiàn)激光熔覆在工程裝備維修與再制造領(lǐng)域的推廣，今后可以從以下幾個(gè)方向研究：

1）吸取激光熔覆技術(shù)在高端行業(yè)研究中積累的成果，并沿用至工程裝備中，從而改善工程裝備維修及再制造水平低、發(fā)展速度慢的現(xiàn)狀。

2）激光熔覆技術(shù)在軍用和民用架橋機(jī)上的應(yīng)用仍然較少，武鋼研究院在對(duì)架橋機(jī)大臂鋼板使用中開裂進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，該裝備在遠(yuǎn)未達(dá)到使用壽命，鋼板失效屬于焊縫夾渣部分疲勞斷裂，并沿該焊縫路徑擴(kuò)展，同時(shí)焊縫中存在材質(zhì)較脆的馬氏體組織[23]。采用激光熔覆技術(shù)對(duì)架橋機(jī)大臂鋼板進(jìn)行處理，不僅可以有效提升其力學(xué)性能，還可以增強(qiáng)抗腐蝕和抗氧化能力，為軍用和民用架橋裝備維修及再制造技術(shù)提供新思路、新方法。

3）熔覆層與基材的冶金結(jié)合強(qiáng)度穩(wěn)定性有待提高。由于熔覆層加熱和冷卻速度極快，熔覆材料與基材的熱膨脹系數(shù)、熔點(diǎn)以及潤濕性等性能方面存在差異，使得冶金結(jié)合處易產(chǎn)生裂紋，所以冶金結(jié)合的效果還有待提高。

4）對(duì)激光熔覆的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。在激光熔覆中，如何快速高效的找到一套工藝參數(shù)組合的最優(yōu)解，一直是科研工作者攻關(guān)的重點(diǎn)課題，同時(shí)合適的的工藝參數(shù)對(duì)于制備優(yōu)質(zhì)涂層具有重要意義。

盡管在現(xiàn)有環(huán)境下，激光熔覆在軍隊(duì)中的應(yīng)用范圍較少，許多技術(shù)還未走出實(shí)驗(yàn)室，但是相信在軍隊(duì)各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的幫助和科研工作者的共同努力下，在不久的將來，激光熔覆設(shè)備將成為提升部隊(duì)后勤保障能力、快速恢復(fù)戰(zhàn)損裝備的有力工具。