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激光熔覆

激光快速熔覆技术在钢铁行业的广泛应用

作者: 来源: 日期:2016-03-18 07:14:20 人气:

    激光熔覆技术在最近两年内应用范围越来越广泛。我国有数万亿元的装备在服役之中,每年因其关键零部件的腐蚀、磨损,使设备停产、报废造成的损失占国民经济总产值的3%~5%。激光表面改性技术在工业生产中易损易耗零部件的表面强化与制造方面发挥了重要作用。我国经过几个五年国家科技攻关计划,使该技术已在多个领域得到了应用,尤其是在钢铁行业中。 

    “目前因大多数钢铁企业在加工生产过程中会产生大量的高载荷、低转速及高精度、高合金的承载设备,且部分零部件极易产生腐蚀、磨损和失效报废等现象,但自从激光熔覆技术的投入使用,很好的解决了这些问题,不仅可对零部件进行改善和修复,且还大大节省了钢铁企业的成本。”据金模钢铁网首席研究员罗百辉介绍,目前全国钢铁行业每年只是各种轧钢生产线上的重要零部件所消耗的费用就达80亿元。传统方法主要是更换这些设备零部件,甚至因部分零部件的损坏而无法报废需要更换整机,为了确保生产效率,则需要更换大量的备件,总得计算下来会占用巨额的资金和资源。为了改善此现状,国内研发出了一系列高新技术,比如激光快速熔覆技术、激光快速成形制造技术、激光纳米合金化和表面强化技术等高新技术的应用,为这类设备和零部件的修复开辟一条崭新的道路。 

    激光快速熔覆技术的广泛应用,可有效解决失效、报废设备及零部件现象,也可延长一些新产品的使用寿命,甚至可达到多寿命周期的效果。比如中间轴、传动齿轮齿轮轴和壳体等经过激光仿形熔覆技术和快速成形技术修复后,就可恢复到原有新件的技术指标。 

    激光熔覆工艺发展现状及前景分析

    激光熔覆( 亦称激光堆焊) 是指以不同的添加方法在被熔覆的基体上放置选择的涂层材料,经高能密度激光束辐照加热,使之和基体表面熔化,并快速凝固,从而在基材表面形成与其为冶金结合的表面涂层的工艺过程。激光熔覆具有如下优点: 

    1) 激光束的能量密度高, 加热速度快,对基材的热影响较小,引起工件的变形小;

    2) 控制激光的输入能量,可将基材的稀释作用限制在极低的程度(一般为2%-8%),从而保持了原熔覆材料的优异性能;

    3) 激光熔覆涂层与基材之间结合牢固(冶金结合),且熔覆涂层组织细小。这些特点使得激光熔覆技术近十年来在材料表面改性方面受到高度的重视。  

    大面积激光熔覆工艺方法主要有两种:多道搭接和多层叠加,即从横向和纵向两个方向进行的加工处理。多层叠即先在基体上进行第一次熔覆,然后在熔覆后的涂层上进行二次粉末预置,待粉末干燥后进行第二次熔覆,按此方式继而完成多层熔覆,不同层可以预置不同的粉末,从而达到不同的预期效果。

    1.1 激光熔覆材料体系

    (1) 自熔性合金粉末:可分为镍基自熔合金、钴基自熔合金和铁基自熔合金,其主要特点是含有硼和硅,具有自脱氧和造渣能力, 即自熔性。自熔合金的硬度与合金含硼量和含碳量有关,随硼、碳含量的增加而提高,这是由于硼和碳与合金中的镍、铬等元素形成硬度极高的硼化物和碳化物的数量增加所致。  

    (2) 碳化物复合粉末体系:由碳化物硬质相与金属或合金粘结相组成,主要有(Co、Ni)/WC和(NiCr、NiCrAl) Cr3C2等系列。这类粉末中的粘结相能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解。碳化物复合粉末作为硬质耐磨材料,具有很高的硬度和良好的耐磨性, 其中(Co、Ni)/WC 系适应于低温(<560℃)的工作条件,而(nicr,nicral)>  

    (3) 氧化物陶瓷粉末:具有优良的抗高温隔热、耐磨、耐蚀等性能,主要分为氧化铝和氧化锆两个系列, 而后者比前者具有更低的热导率和更好的抗热震性能,因而广泛用作热障涂层材料。 

    1.2 激光熔覆工艺种类

    激光熔覆的工艺可以分为两种:一种是激光处理前供给添加材料,即粉末预置法;另一种是激光处理过程中同步供给添加材料,即同步送粉法。粉末预置激光熔覆是将材料事先放置于基体材料表面的熔覆部位,然后采用激光束辐射扫描熔化,熔覆材料可以采用粉末、丝材或板材的形式加入,其中,以粉末的形式最为常用。绝大多数研究采用粉末预置方式。预置涂层式激光熔覆的主要工艺流程为:基体熔覆表面预处理、预置涂层材料、预热、激光熔化、后热处理。同步送粉式激光熔覆是将熔覆材料直接送入激光束中,使供料和激光熔覆同时完成。熔覆材料的加入方法主要是以粉末的形式送入,有时也会采用线材和板材的形式进行同步送料。对于熔覆面积比较大的零件可采用同步送粉法。此种方法送粉量可以调节,同步送粉器可以连续工作,因而熔覆效率高,适用于实际生产中大批零件的表面激光熔覆。同步送粉式激光熔覆的主要工艺流程为:基体熔覆表面预处理、送料激光熔化、后热处理。 

    1.3 激光熔覆工艺参数

    激光熔覆工艺参数主要包括激光功率P、光斑尺寸(直径D或面积S)、激光扫描速度V、多道搭接的搭接率或多层叠加的停光时间、涂层材料的添加方式和保护方式等。上述工艺参数是决定激光熔覆涂层宏观力学性能、微观组织结构的关键因素。目前工艺参数的选择是以试验归纳为主,文献研究了宽带激光熔覆工艺参数对梯度生物陶瓷涂层显微组织与烧结性的影响。结果表明,当D、V 不变时,随着P 增加,涂层的致密度逐渐下降,孔隙率逐渐增大。试验表明,粉末的种类、数量和粒度不同,激光熔覆的工艺参数变化很大。  

    1.4 激光熔覆涂层的性能 

    (1) 耐磨性能


    (2) 耐蚀性能  

    WangA H等利用YAG激光器对SiC增强ZK60(Mg-6%Zn-0.5%Zr)镁基复合材料熔覆Al-Si合金,使复合材料极化曲线出现明显的钝化,腐蚀电位有很大的提高,腐蚀电流密度明显降低。胡乾午对Mg-SiC复合材料喷涂铜合金,然后用2 kW- Nd:YAG激光器进行激光熔覆,熔覆后表层Cu60Zn40合金与Mg-SiC基体熔合良好,激光熔覆试样的腐蚀电位Ecorr比未处理的提高3.7倍,其相对腐蚀电流密度Jcorr降低约22倍。

    2. 激光熔覆技术的应用 

    激光熔覆是新型的局部表面处理方法,是未来工业应用潜力最大的表面改性技术之一,具有很大的技术经济效益,其应用大致体现在以下几个方面:

    2.1 在汽车工业中的应用  

    早在十几年前,欧洲汽车工业就开始将高功率激光器用于车身的焊接和切割。由于汽车的发动机阀、汽缸内槽、齿轮、排气阀座以及一些精密微细部件需要高的耐磨耐热以及耐蚀性能,因此激光熔覆有了很广泛的应用,例如在汽车发动机铝合金缸盖门座上激光熔覆直接成型铜合金阀门座圈,取代传统的粉末冶金/压配座圈,可以显著改善发动机的性能,降低生产成本,延长发动机阀门座圈的工作寿命。

    1) 在航空航天中的应用

    钛合金虽然已经在航空航天部门广泛使用,但是其摩擦系数大,耐磨性差,在其表面熔覆一层增强材料就能显著的改善表面性能。如NiCrBSi 和NiCoCrAlY 合金粉末均为常用的热喷涂材料,其涂层致密、结合强度大,耐腐蚀、耐高温,抗氧化性也很优良。

    2.2 模具方面的应用

    模具的使用寿命在很大程度上决定了一些设备的生产率和生产成本,经过激光熔覆处理过的模具,其表面硬度、耐磨性、抗高温性等都有显著的提高,从而提高了使用寿命。

    2.3 轧辊行业中的应用

    轧辊是轧钢工业中耗用量较大的工具,作为轧钢机直接的工作部件,它的质量直接关系到轧板、带材的产量和质量,因此用激光熔覆对其进行处理已成为目前普遍关注的问题。

    2.4 生物医用方面的应用

    不锈钢、钛及其合金作为生物医用材料,因其具有良好的力学性能而受到人们的普遍欢迎,但其较差的耐蚀性、生物相容性及金属离子潜在的毒副作用却使它在机体中的应用受到极大限制,在基材TC4 表面进行激光熔覆原位合成与涂覆羟基磷灰石(HA)等生物陶瓷的改性方法因合成HA 效率高、工艺新颖、操作方便而引起广泛关注。

    3. 激光熔覆工艺存在的问题  

    评价激光熔覆层质量的优劣,主要从两个方面来考虑。一是宏观上,考察熔覆道形状、表面不平度、裂纹、气孔及稀释率等;二是微观上,考察是否形成良好的组织,能否提供所要求的性能。此外,还应测定表面熔覆层化学元素的种类和分布,注意分析过渡层的情况是否为冶金结合,必要时要进行质量寿命检测。目前研究工作的重点是熔覆设备的研制与开发、熔池动力学、合金成分的设计、裂纹的形成、扩展和控制方法、以及熔覆层与基体之间的结合力等。 

    裂纹是大面积激光熔覆技术中最棘手的问题。裂纹产生的主要原因是熔覆层中存在的残余应力,包括热应力、组织应力和约束应力。由于激光束的快速加热,使得熔覆层完全熔化而基体微熔,熔覆层和基体材料间产生很大的温度梯度,在随后的快速凝固过程中,形成的温度梯度和热膨胀系数的差异造成熔覆层与基体体积收缩不一致,而且一般而言,熔覆层的收缩率大于基体材料,熔覆层受到周围环境(处于冷态的基体) 的约束,因此在熔覆层中形成拉应力。当局部拉应力超过材料的强度极限时,就会产生裂纹。实际上固态金属在冷却的过程中还受到由于基体材料中马氏体相变而引起的组织应力的影响。但是由于在快速凝固过程中,各处的体积收缩极大的不同时性,因此热应力的影响占主导地位。

    此外,裂纹的产生也受到熔覆过程中工艺参数、熔覆层和基体材料、熔覆层厚度以及处理工艺等多种因素的影响。激光加热冷却速度极快,熔池存在的时间极短,使得熔覆层中存在的氧化物,硫化物和其它杂质来不及释放出来,很容易形成裂纹源;熔覆层在瞬间凝固结晶,晶界位错、空位增多,原子排列极不规则,凝固组织的缺陷增多,同时热脆性增大,塑韧性下降,开裂敏感性增大,熔覆层越厚,上述情况就越明显;自熔性合金元素B 和Si 能够生成硬质相,其含量越大,形成裂纹的倾向越严重;此外,B 在Fe 及Ni 中的溶解度均为零,因此析出物聚集于晶界易引起裂纹。钟敏霖等对NiCrBSi 合金在送粉激光熔覆条件下裂纹形成的因素进行了研究,赵海鸥等人的研究表明,激光熔覆的多道搭接和重叠多次熔覆均会增大熔覆层的裂纹敏感性,激光熔覆前试样进行预热和单道熔覆后的回火去应力均会显著降低裂纹敏感性;董世运等发现在熔覆层与基体界面交界处存在宏观裂纹,在熔覆层顶层存在微裂纹,且界面处和熔覆层顶部产生了最严重的应力集中。

    4. 激光熔覆技术前景展望

    激光熔覆技术是一种新兴的表面处理技术,有着很大的发展前景。为拓宽激光熔覆技术的应用领域,以下工作应进一步研究:

    (1) 研究大功率、高寿命和小型化的激光装置。①研制适用于大功率激光的光学器件材料②提高电源的稳定性和寿命③大功率激光装置的小型化。

    (2)熔覆工艺探索研究熔覆层产生残余应力和裂纹的机理,寻找出有效的解决方法。梯度功能涂层的开发为解决裂纹问题提供了新思路。采用在基底材料和熔覆层之间设置韧性良好的中间层的方法来缓解熔覆层中的残余应力能获得无裂纹的熔覆层。

    (3)基础理论研究从凝固动力学、结晶学和相变理论出发,系统研究激光快速凝固行为,揭示材料微结构的形成、演化机理及其规律;研究熔池的温度场分布, 熔池流的对流机制,冷凝时熔覆层内发生的组织变化过程及其规律,进而完善加工工艺参数。

【光粒网综合报道】( 责任编辑:光粒网 )
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