激光熔覆技術(shù)在半浸槳裝置中的應(yīng)用

王森金 劉 兵 桑為上 劉振宇

（1.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082；2.上海申蘇船舶修造有限公司，上海 200949）

0 引言

半浸式螺旋槳（簡稱半浸槳，又稱表面槳），是一種在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一半槳葉浸入水中而能正常工作的螺旋槳。半浸槳推進(jìn)裝置是一種使用半浸式螺旋槳進(jìn)行工作的高速船用驅(qū)動(dòng)裝置，在高航速和淺吃水航行的船舶中得到廣泛應(yīng)用。

1 激光熔覆技術(shù)相關(guān)內(nèi)容概述

激光熔覆技術(shù)是基于激光這一能量體發(fā)展而來的技術(shù)，其發(fā)展過程伴隨著激光器具的發(fā)展，經(jīng)歷了固體YAG有色寶石激光器—CO2氣體激光器—半導(dǎo)體激光器幾個(gè)發(fā)展階段。其工作原理如下：將激光束作為主要熱源，集中加熱后可以將合金粉末或絲材與基體表面進(jìn)行同時(shí)熔化，等待其快速凝固后，會(huì)在原來位置形成與基體充分結(jié)合的表面熔覆層，從而達(dá)到改善基體的耐磨性、耐腐蝕性、抗氧化性等性能的作用[1]。

2 半浸槳裝置中槳軸磨損問題分析

半浸槳推進(jìn)裝置槳軸材料選用022Cr23Ni5Mo3N（2205）雙相不銹鋼，具有較高的抗腐蝕性，強(qiáng)度高，有足夠的塑韌性，是高速艇槳軸首選材料之一，但其表面硬度不高，洛氏硬度HRC22～30。

保養(yǎng)時(shí)拆解后發(fā)現(xiàn)槳軸支架端的油封處出現(xiàn)磨損，檢測(cè)后有0.1～0.23 mm不等的凹槽，如圖1所示。

圖1 槳軸磨損圖

3 激光熔覆技術(shù)在半浸槳裝置中的應(yīng)用方法

針對(duì)以上槳軸表面油封處硬度偏低易磨損的問題，擬采用特殊的工藝增強(qiáng)槳軸油封處的表面硬度，提高耐磨性，延長使用壽命。經(jīng)調(diào)研，常用的軸系修復(fù)工藝有噴涂和激光熔覆（表1），但并沒有對(duì)2205材料進(jìn)行修復(fù)使用的工程案例。

表1 軸系修復(fù)工藝及材料特性

噴涂是通過噴槍或蝶式霧化器，借助于壓力或離心力，將鍍層材料分散成均勻而微細(xì)的霧滴，施涂于被涂物表面的涂裝方法[2]。

激光熔覆是通過激光與配置的合金粉末同步作用于金屬表面（基材）的方法，熔覆層組織致密，無氣孔、裂紋等缺陷，與基體形成冶金結(jié)合層，具有焊接部位熱影響區(qū)小、不變形等特點(diǎn)，從而能達(dá)到修復(fù)強(qiáng)化工件（基材）表面、延長工件壽命的效果[3]。

為選出合適的材料和工藝，通過加工試樣檢測(cè)不同方案的熔覆能力、耐海水腐蝕性和耐磨性，最終確定改進(jìn)實(shí)施方案。

3.1 熔覆層檢測(cè)

將表1中的三種粉末合金材料采用相應(yīng)的工藝在基材2205雙相不銹鋼表面處理后檢測(cè)它的表面硬度、熔覆層厚度和結(jié)合力。圖2中1#件采用高溫噴涂工藝，材料為碳化鉻（Cr3C2）涂層；2#、3#件采用激光熔覆工藝，材料分別為鈷基司太立粉末合金（Stellite6）和鎳基碳化鎢粉末合金（NiWc）。

圖2 檢測(cè)試樣

1#試樣檢測(cè)軸檢驗(yàn)結(jié)果（碳化鉻Cr3C2、噴涂工藝）：

表面硬度：643HV0.5、659HV0.5、685HV0.5、672HV0.5。

涂層厚度：平均0.238 mm。

表層梯度硬度如圖3所示，曲線變化比較大，檢測(cè)樣軸縱向截面，表面涂層及基體未見明顯缺陷。

圖3 1#試樣檢測(cè)軸梯度硬度

試樣1檢測(cè)軸表面涂層，微觀可見有麻點(diǎn)及細(xì)小裂紋缺陷，如圖4所示。

圖4 1#試樣檢測(cè)軸表面涂層微觀圖

2#試樣檢測(cè)軸檢驗(yàn)結(jié)果（鈷基司太立粉末合金Stellite6、激光熔覆工藝）：

表面硬度：596HV0.5、613HV0.5、614HV0.5、597HV0.5。

涂層厚度：平均0.523 mm。

表層梯度硬度如圖5所示，曲線變化較小，檢測(cè)樣軸縱向截面，表面涂層及基體未見明顯缺陷。

圖5 2#試樣檢測(cè)軸梯度硬度

激光對(duì)母材熱影響區(qū)深度平均值：5.89 μm，如圖6所示。

圖6 2#試樣檢測(cè)軸熱影響區(qū)形貌圖

3#試樣檢測(cè)軸檢驗(yàn)結(jié)果（鎳基碳化鎢粉末合金NiWc、激光熔覆工藝）：

表面硬度：460HV0.5、464HV0.5、473HV0.5、474HV0.5。

涂層厚度：平均0.628 mm。

表層梯度硬度如圖7所示，硬度曲線變化平穩(wěn)，檢測(cè)樣軸縱向截面，表面涂層及基體未見明顯缺陷。

圖7 3#試樣檢測(cè)軸梯度硬度

激光對(duì)母材熱影響區(qū)深度平均值：10.7 μm，如圖8所示。

圖8 3#試樣檢測(cè)軸熱影響區(qū)形貌圖

3.2 熔覆層耐海水腐蝕性試驗(yàn)

本次試驗(yàn)共加工了三組試樣，將配置的不同粉末合金材料通過激光熔覆在基材2205雙相不銹鋼表面，將基材表面與銅合金捆綁后同時(shí)放入海水中進(jìn)行電化腐蝕試驗(yàn)，檢測(cè)海水對(duì)基材耐腐蝕性。2021年5月15日開始在廣東汕尾海域進(jìn)行試驗(yàn)，如圖9、圖10所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，各方案材料耐海水腐蝕性能良好，其中碳化鉻、鎳基碳化鎢粉末合金表現(xiàn)較好。

圖9 海水浸泡90天左右試樣

圖10 經(jīng)過沖洗后的試樣

3.3 熔覆層耐磨性試驗(yàn)

通過耐磨性試驗(yàn)考核不同材料的使用壽命。

采用兩種粉末合金材料（碳化鉻、鎳基碳化鎢粉末合金）在試驗(yàn)轉(zhuǎn)軸兩端表面油封處分別進(jìn)行噴涂和激光熔覆工藝處理，將處理好的試驗(yàn)轉(zhuǎn)軸安裝在試驗(yàn)裝置上。

將試驗(yàn)裝置安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，通過電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，電機(jī)工作轉(zhuǎn)速：1000～1800 r/min。在試驗(yàn)臺(tái)架中配置了人工海水，按天然海水的鹽度3.4%～3.5%比例進(jìn)行配置。

拆解連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)1200 h后的轉(zhuǎn)軸，檢測(cè)轉(zhuǎn)軸油封處磨損深度在0.01～0.04 mm，即采用修復(fù)工藝后可大幅延長轉(zhuǎn)軸使用壽命。

4 試驗(yàn)結(jié)論

通過熔覆能力、耐海水性能、耐磨性等檢測(cè)試驗(yàn)可知，將上述三種不同粉末合金材料應(yīng)用于基材2205雙相不銹鋼的表面修復(fù)，鎳基碳化鎢粉末合金（NiWc）材料綜合效果較好。通過××艇1000 h實(shí)船應(yīng)用和考察跟蹤，拆解后檢測(cè)槳軸油封處只有輕微磨損，深度低于0.03 mm，所以采用鎳基碳化鎢粉末合金（NiWc）材料的激光熔覆技術(shù)適用于槳軸局部區(qū)域的修復(fù)。

5 結(jié)束語

綜上所述，激光熔覆技術(shù)具有良好的應(yīng)用價(jià)值，通過整理該技術(shù)在半浸槳裝置磨損修復(fù)過程中的應(yīng)用要點(diǎn)，不僅可以加快該技術(shù)的應(yīng)用速度，而且能夠提高技術(shù)的應(yīng)用效果，提高處理后半浸槳裝置的綜合效益。