激光熔覆技術在表面失效機械件中的應用

張玉杰，楊建華，許玲萍

（煙臺職業學院機械工程系，山東煙臺264670）

磨損、腐蝕以及斷裂是金屬材料三大失效形式，也是造成金屬機械部件失效報廢的重要因素。為了對腐蝕或磨損失效后的機械件進行修復使其恢復原有性能或者避免磨損或者腐蝕造成的金屬部件提前失效報廢，目前常用熱噴涂、冷噴涂、電鍍、PVD、CVD、表面堆焊等技術對機械件表面進行處理，以期失效機械件進行再使用并減少或延緩金屬表面的磨損或腐蝕［1，2］。隨著激光增材制造技術的不斷發展和完善，激光熔覆技術逐漸應用于金屬機械部件表面的處理，延長機械部件的使用壽命。

激光熔覆技術采用激光作為熱源，將功能性金屬材料加熱熔化后沉積在同時經激光輻照熔化的金屬表面，形成一種功能保護層的先進制造技術［3］。由于功能性金屬材料與金屬基體表面是經熔化后結合在一起的，二者之間形成了冶金結合，所以激光熔覆形成的熔覆層可以無限次的累積疊加，決定了激光熔覆技術可以制備大厚度的功能層，在磨損、腐蝕失效的機械部件具有重要的應用價值。

本文介紹了激光熔覆技術的工作原理及系統結構，概述了激光熔覆層的耐磨性和耐腐蝕性研究進展，總結了激光熔覆技術在修復再制造磨損失效機械部件、腐蝕失效機械部件上的應用現狀，闡述了激光熔覆技術在失效機械部件上應用的可行性和先進性。

1 激光熔覆技術及裝備

1.1 激光熔覆技術

激光熔覆技術需要足夠的熱量將金屬填料和基材表面熔化，所以需要大功率的激光器。雖然早在1960年激光器就已經問世，但是直到20世紀70年代制造出大功率激光器，激光熔覆技術才獲得了應用并迅速發展［8］。目前常用的金屬填料為金屬粉末和金屬絲材，根據粉末或絲材填料方式的不同，激光熔覆分為同軸送粉、旁軸送粉、同軸送絲、旁軸送絲以及預鋪金屬粉末等技術。圖1所示為同軸送粉激光熔覆技術，激光首先輻射照到粉末束然后少量激光穿過粉末束照到基材表面，粉末束吸收了大部分激光而熔融徹底，不會造成熔覆層出現氣孔、未熔等缺陷，基材吸收激光較少，熱影響較小不易發生變形等缺陷。同時，金屬粉末束與激光束的走向相同，易于進行控制，對于型面復雜的機械部件易于通過CAD驅動進行自動化生產［4］。正是由于以上因素，目前同軸送粉成為了激光熔覆技術的主要應用形式，并且一般采用“粉包光”（激光束在內，金屬粉末在外）的形式。為了進一步提高金屬粉末的利用率以及提高激光熔覆成型的質量，近年來蘇州大學的研究人員還開發出了“光包粉”（激光束在外，金屬粉末在內）的光內同軸送粉激光熔覆技術［5-6］。

1.2 同軸送粉激光熔覆裝備

如圖1所示，激光熔覆裝備一般由激光器、送粉器、激光熔覆頭、機床、控制系統以及冷卻系統等組成［7］。其中激光器和送粉器是整個裝備中的核心部件，激光器激光的穩定性以及送粉器送粉的穩定性對激光熔覆的質量起著決定性的作用。常用的激光器以進口為主，國產激光器近年來也有了較大的發展，但是大功率激光器在穩定性方面與進口產品還存在著不小的差距，送粉器則是沿用技術比較成熟的熱噴涂使用的送粉器。

圖1 “粉包光”同軸送粉激光熔覆Fig.1 laser cladding of coaxial powder outside the laser

國內常用的激光熔覆設備主要分為兩種形式：一是以工業機器人作為運動載體控制激光熔覆頭進行運動，并附加第四軸組成的激光熔覆設備，這也是目前最為常見的激光熔覆裝備，這種形式的激光熔覆裝備控制靈活，對型面較為復雜的機械件適應性較強。另外一種是采用龍門框架結構的機床作為運動載體控制激光熔覆頭進行運動，這種裝備的精度高，但是制造成本也較高。

2 激光熔覆技術在磨損機械件的應用

2.1 激光熔覆層耐磨性研究

激光熔覆是以高能激光束輻射金屬粉末使其瞬間熔化后沉積在室溫下的基材上，在較大過冷度的條件下，熔融液滴快速冷卻凝固，形成的晶粒細小，并且熔覆層內部組織致密，不存在氣孔等缺陷，決定了熔覆層具有優異的性能［8］。大量研究文獻表明［9-10］，激光熔覆層以樹枝晶、柱狀晶、等軸晶以及平面晶為主，并且晶粒細小，硬度較高。

張磊等［11］采用同軸送粉激光熔覆技術研究了45鋼表面Fe-Mo-V-C合金熔覆層的摩擦磨損性能，分析表明，激光熔覆層致密、晶粒細小，并且合金元素與碳形成的碳化物硬質顆粒均勻分布在鐵基合金相中，熔覆層在硬質顆粒“彌散強化”的作用下，顯微硬度超過了1000HV0.2，并且在磨損過程中，硬質顆粒的“扎釘”以及“抗磨骨架”作用，大幅提高了熔覆層的耐磨性。Zhang等［12］采用激光熔覆技術在45鋼表面制備了（NiCoCrTi0.5Nb0.5）Cx高熵合金熔覆層并采用OM和SEM技術檢測了高熵合金熔覆層的微觀組織，熔覆層主要以（Ti，Nb）C、Cr3C2碳化物為主，當C含量為6%時，熔覆層的耐磨性達到最優，證明了激光熔覆技術在制造工具、模具和機械零件上應用的可行性。朱福棟等［13］研究了45鋼表面Co/WC增強Ni基復合激光熔覆層的微觀組織、成分分布、硬度以及耐磨性，結果表明熔覆層內部以柱狀晶和樹枝晶為主，在高功率下，WC存在一定的溶解，熔覆層硬度跟WC的分布均勻性和溶解量有關。

研究人員在合金鋼表面也開展了激光熔覆層的耐磨性研究。Qin等［14］在18Cr2Ni4WA合金鋼表面制備了高鈷鎳二次硬化合金鋼熔覆層，研究發現，微量的CeO2可以減少WC在高溫下的分解，并且有效抑制裂紋的產生和擴展，進一步細化了晶粒，對提高熔覆層的耐磨性十分有益。Liu［15］等采用IPG光纖激光器在30CrNiMo基體上制備了Co06耐高溫磨損熔覆層，研究表明，熔覆層內部組織以平面晶、柱狀晶、樹枝晶和等軸晶為主，熔覆層在600℃高溫下的耐磨性和耐氧化性能均優于基體材料，并且熔覆層內部的Cr23C6等碳化物具有顯著的減磨作用，對提高高速列車制動盤的耐磨性非常有利。

2.2 激光熔覆在磨損失效機械件上的應用

磨損是機械部件常見的失效形式之一，資料顯示，每年由于磨損導致的機械件報廢占機械件報廢總量的50%左右。激光熔覆層具備優異的耐磨性能，并且激光熔覆過程中對基材的熱影響較小，不會造成磨損零件原有機械性能的改變以及機械部件的變形，在冶金機械、礦山機械、油田以及煤礦設備磨損機械件的修復上近年來得到了十分廣泛的應用。

白新波［16］采用激光熔覆技術成功進行了寶鋼冷軋連退機組失效的支撐輥輥頸的修復再制造，結果表明，修復后的支撐輥表面沒有裂紋、氣孔等缺陷，修復后的支撐輥滿足使用要求。這為磨損報廢失效支撐輥的再使用提供了新的技術方案，實現了支撐輥的全壽命使用。王運喜等［17］采用激光熔覆技術對核電廠的上充泵轉子進行了修復，結果表明經激光熔覆修復的上充泵轉子使用1.5 a后仍正常運行，沒有發生由于轉子問題而產生的振動或軸承溫度升高等異常現象，解決了上充泵轉子磨損后直接報廢無法再利用的難題。程建峰［18］對礦用卡車電動輪Q235鋼主軸磨損面進行了激光熔覆修復，修復表面成型良好、無氣孔、無裂紋等缺陷，修復后的性能達到了電動輪主軸使用的力學性能指標，實現了礦用卡車電動輪磨損失效主軸的修復再制造，延長了電動輪的使用壽命。

3 激光熔覆技術在易腐蝕機械件的應用

3.1 激光熔覆層耐腐蝕性研究

常見的金屬腐蝕分為均勻腐蝕、晶間腐蝕、點腐蝕以及應力腐蝕等。激光熔覆作為一種新型的表面處理技術在均勻腐蝕和點腐蝕表面起著重要的作用。

朱成才等［19］以45鋼為基材研究了Ni基復合激光熔覆層的耐腐蝕性能，結果表明，激光熔覆Ni-TiC-Cr層可以顯著提高45鋼的耐腐蝕性能。研究認為TiC的加入可以起到類鈍化膜的作用，Cr元素可以促進試樣形成穩定致密的鈍化膜，并且隨著TiC和Cr含量的增加，激光熔覆層的抗點腐蝕能力得到了明顯的提高，在靜態3.5% NaCl溶液腐蝕試驗中，Ni-50TiC-20Cr熔覆層的耐點蝕能力達到了最優，沒有出現明顯的點腐蝕坑。郭巖等［20］在H13鋼表面成功制備了WC增強鎳基和鐵基復合激光熔覆合金層，合金層內部組織致密，WC顆粒分布均勻，起到了優異的彌散強化作用。經鹽霧腐蝕試驗，激光熔覆H13粉末/20%碳化鎢的耐腐蝕性能最優，研究認為彌散分布的碳化物顆粒有助于提高耐鹽霧腐蝕性能。

鮑亞運等［21］研究了低合金鋼Q345表面FeCr-NiCoCuAlx（x=0，1，2，3）高熵合金激光熔覆層的耐腐蝕及耐沖蝕性能，結果表明，Al的添加使得熔覆層在3.5% NaCl溶液中生成了鈍化膜，提高了高熵合金熔覆層的耐蝕性。陳堅等［22］研究了不同鎳含量的鐵基激光熔覆層的耐腐蝕性能，電化學測試和鹽霧試驗測試結果表明，控制鎳含量可使激光熔覆鐵基合金層具有較好的耐腐蝕能力，并可以應用于液壓支柱的修復再制造。

3.2 激光熔覆在腐蝕失效機械件上的應用

腐蝕是金屬機械件失效的另一個重要因素，據不完全統計，全球每年有超過30%以上的報廢鋼鐵是由于腐蝕問題造成的，我國每年由于腐蝕造成的經濟損失超過2萬億人民幣。

軋機是軋鋼廠主要的生產設備之一，軋機處于冷卻水與高溫水蒸氣的交替循環的環境中，受到雙重腐蝕作用，在使用一段時間后就會發生嚴重腐蝕。南京鋼鐵公司［23］采用激光熔覆技術在腐蝕過的軋機表面制備耐腐蝕層，現場實際應用表明激光熔覆層具有優異的耐腐蝕性能，證明激光熔覆技術在鋼鐵冶金部件的耐磨耐腐蝕方面具有較高的實用價值。

肖潔等［24］研究了采煤機高速軸激光熔覆WC增強鎳基合金復合層的耐腐蝕性，測試結果表明激光熔覆技術制備的鎳基合金層的耐腐蝕性優于目前常用的電鍍法和陰極保護法，充分說明了激光熔覆方法在修復腐蝕的采煤機高速軸上應用的可能性和先進性。其它研究人員［25～27］研究了激光熔覆技術修復煤礦用液壓支架的可行性，研究結果表明激光熔覆技術可以替代目前液壓支架立柱表面鍍硬鉻技術，采用該技術修復腐蝕失效的液壓支架能夠有效延長液壓支架的使用壽命，在煤礦開采行業具有十分顯著的社會效益和經濟效益。

4 結論與展望

隨著大功率激光器的出現和不斷完善，激光熔覆技術作為一種先進的表面處理技術和增材制造技術越來越受研究人員和技術人員的青睞和重視。激光熔覆層與基材之間為冶金結合，解決了熱噴涂、電鍍、冷噴涂等修復件在使用過程中易發生剝落的情況。熔覆層內部組織致密、晶粒細小，具有優異的耐磨性和耐腐蝕性，可以提高修復再制造零件的使用壽命。并且激光熔覆采用高能激光束，熱量利用率高，不易造成機械件本體的變形和原有性能的改變，適于機械件的修復再制造，具有十分廣闊的應用前景。