激光熔覆再制造技術(shù)及其在機車車輛中的應(yīng)用

廖芳蓉

（中國鐵路南昌局集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究所， 江西 南昌 330002）

引言

當(dāng)前，保護(hù)地球環(huán)境、構(gòu)建可循環(huán)經(jīng)濟(jì)和保持社會可持續(xù)發(fā)展是民眾共同關(guān)心的話題。激光熔覆再制造技術(shù)是一種先進(jìn)的零部件表面修復(fù)技術(shù)，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于航天航空、兵器、核工業(yè)以及汽車制造業(yè)中關(guān)鍵零部件的修復(fù)和制備。激光熔覆再制造技術(shù)包括激光熔覆加工工藝技術(shù)、激光熔覆材料技術(shù)和激光熔覆裝備等技術(shù)，主要用于再制造修復(fù)零部件的表面損傷，恢復(fù)零部件外形尺寸，使再制造零部件的使用性能達(dá)到甚至超過原有新零部件的水平，是當(dāng)前高附加值零部件修復(fù)的重要方式和主要發(fā)展方向[1-2]。綠色再制造技術(shù)已經(jīng)在汽車、國防、航空航天等領(lǐng)域進(jìn)行了一系列應(yīng)用和探索，但對鐵路機車車輛關(guān)鍵零部件的綠色再制造研究較少。本文對激光熔覆技術(shù)進(jìn)行闡述，并結(jié)合鐵路機車車輛零部件的激光熔覆應(yīng)用，驗證再制造的現(xiàn)實可行性。

1 激光熔覆再制造技術(shù)的理論與方法

1.1 激光熔覆再制造技術(shù)原理

激光熔覆再制造技術(shù)是一種全新的材料表面加工技術(shù)，其原理如圖1 所示。激光經(jīng)聚焦透鏡聚焦后作為高能量熱源（104～106 W/cm2）對材料進(jìn)行輻照，使預(yù)置在基材上的粉末在高能量熱源的輻照下迅速融化、擴(kuò)展，并與熔融的基材結(jié)合或者反應(yīng)，生成一層具有特殊性能并與基材成冶金結(jié)合的熔覆層[3]。

圖1 激光熔覆技術(shù)原理

1.2 激光熔覆技術(shù)的特點

激光熔覆采用高能激光束作為熱源，與其他噴涂方法相比，具有以下優(yōu)點：熔覆粉末多種多樣，并沒有太多的限制；激光熔覆層稀釋率低，熔覆層與基材呈冶金結(jié)合，激光束能量集中，熱影響區(qū)很?。桓吣芗す庾饔脮r間很短，冷卻速度快，熔覆層的組織結(jié)構(gòu)為典型的快速凝固特征；熔覆區(qū)域可以根據(jù)需要自由選擇，熔覆材料消耗少，對減少資源消耗、保護(hù)環(huán)境具有很大的貢獻(xiàn)；熔覆過程比較容易實現(xiàn)自動化?；谝陨系膬?yōu)點，激光熔覆技術(shù)已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注和重視，并已運用到實際的生產(chǎn)之中[4]。

1.3 激光熔覆材料的選擇

熔覆材料在激光熔覆技術(shù)中是不可或缺的一個重要組成部分。激光熔覆材料是直接影響熔覆層性能和質(zhì)量的主要因素，因此，從激光熔覆技術(shù)出現(xiàn)以來，激光熔覆材料的研究一直是科學(xué)研究中的重中之重。目前，激光熔覆材料主要包括自熔性合金粉末、碳化物彌散或復(fù)合粉末、陶瓷材料等[5]。

1.4 激光熔覆材料供給方式

激光熔覆根據(jù)熔覆材料的供給方式，可以分為預(yù)置式材料供給和同步送粉式材料供給兩種方式。預(yù)置式激光熔覆是先將熔覆材料通過黏結(jié)劑涂覆于材料表面的熔覆位置，然后利用高能激光束將涂覆于材料表面的熔覆材料掃描照射融化，如下頁圖2-1 所示，熔覆材料主要以粉末形式加入，常見還有絲狀和板狀的形式；同步送粉式激光熔覆則是通過送粉器實現(xiàn)供料和熔覆的一致性，其原理如下頁圖2-2 所示，其熔覆材料也大多以粉末的形式送入。

圖2 激光熔覆示意圖

2 激光熔覆再制造技術(shù)在機車車輛零部件的應(yīng)用

失效零部件的可再制造性是一個綜合考慮的結(jié)果，只有失效零部件能夠體現(xiàn)自身的再制造價值，再制造工程才能夠得到有效的開展。失效零部件的絕大部分結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或組織仍存在較高的剩余價值，僅由于局部損傷而導(dǎo)致整體的失效，通過對局部組織進(jìn)行激光熔覆再制造可恢復(fù)或者提升零部件的性能，延長其生命周期，這就是零部件的可再制造性。在機車車輛上的具有再制造價值的關(guān)鍵零部件主要包括車輪、車鉤、鉤尾框和轉(zhuǎn)向架等。本文主要以機車車輪為重點進(jìn)行分析。

車輪作為機車車輛的行走部件，是機車載荷的主要承載部位。車輪的磨損、疲勞破壞等問題已經(jīng)成為影響列車安全運行的關(guān)鍵因素。車輪踏面、輪緣、輪轂等部位由于長期受到比較嚴(yán)重的磨損或機械性疲勞等原因，主要會出現(xiàn)磨耗、裂紋、剝落和崩裂等失效類型[6]。

對車輪等機車車輛零部件進(jìn)行激光熔覆再制造，主要就是對磨損的車輪以及裂紋進(jìn)行修復(fù)。通過激光熔覆技術(shù)的獨特優(yōu)點對車輪的損傷表面進(jìn)行再制造修復(fù)，最關(guān)鍵的是要確定合適的熔覆工藝參數(shù)，獲得最優(yōu)的熔覆層。主要技術(shù)路線為：參照有關(guān)資料初定合金粉末配方；在合金粉末配方的基礎(chǔ)上改變激光工藝參數(shù)，根據(jù)熔覆層表面狀態(tài)、冶金結(jié)合情況、硬度梯度分布和成分均勻性等情況來調(diào)整和優(yōu)化工藝參數(shù)；在優(yōu)化的工藝參數(shù)下對初選粉末配方各組分進(jìn)行不同水平試驗，確定最優(yōu)粉末配方；對配方和熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，相互優(yōu)化，最終確定最優(yōu)配方和對應(yīng)的激光熔覆工藝參數(shù)。

3 結(jié)語

激光熔覆技術(shù)的研究始于20 世紀(jì)70 年代，美國Sulzer Metco 公司利用激光表面熔覆技術(shù)成功修復(fù)了航空發(fā)動機組件，這項技術(shù)給Sulzer Metco 公司創(chuàng)造了大約12 億美元的年產(chǎn)值。經(jīng)過多年的發(fā)展，該技術(shù)在零部件修復(fù)再制造方面取得了較好的應(yīng)用前景。鐵路車輛關(guān)鍵部件批量大，零部件的失效形式主要集中在局部磨損和裂紋，對再制造工程的需求很大。在今后的軌道交通發(fā)展過程中，對車輛關(guān)鍵零部件的再制造和生產(chǎn)應(yīng)該引起更大的關(guān)注，隨著激光熔覆技術(shù)的不斷發(fā)展和研究，激光再制造工程的應(yīng)用也將不斷擴(kuò)大和發(fā)展。