（化学工程专业论文）转动轴激光熔敷修复技术的应用研究.pdf

中文摘要 动设备失效的重要因素之一是转动部件的磨损，因此提高其易损部位的硬度 和耐磨性是动设备延长使用寿命的关键。相对于其它表面强化处理技术，激光表 面强化技术有其独特的优点。 本文通过对不同熔敷材料在不同基材形成的凝固组织、成份分布的观察分析 及其显微硬度特征的研究，考察了激光熔敷层的凝固结构特征及其对性能的影 响，并考察了激光熔敷工艺参数对于激光熔敷层组织和性能的影响，研究了在激 光熔敷这种快速凝固条件下枝晶的形核规律，讨论了熔敷层形成裂纹的种类、原 因及减少裂纹率的方法。 为保证熔敷层的性能，减少熔敷层的裂纹率，论文还通过调整激光熔敷操作 工艺以及对激光熔敷材料的调配和筛选，总结出用于轴类易磨损部位修复的激光 熔敷工艺条件及操作方法并在生产中进行了实际应用。 实践表明：采用激光熔敷技术可以有效改善修复部位的表面强度和耐磨性， 提高其使用性能，延长工件的使用寿命，保证设备的完好运行，从而大大降低设 备维修成本，提高企业经济效益。 关键词：激光熔敷：关键零件；裂纹率；耐磨性能 a b s t r a c t g e n e r a l l y , r o t a t i n ge q u i p m e n t s l o s i n ge f f e c t i v e n e s si sd u e t og r i n d i n go fr o t a t i n g p a r t s ，s oi m p r o v i n gt h e i rs u r f a c e sh a r d n e s sa n dt h ef u n c t i o no fa n t i g r i n d i n g ，d e l a y t h e i ru s i n gl i f ei sv e r yi m p o r t a n t c o m p a r i n g w i t l lo t h e rt e c h n o l o g yo fs u r f a c e t r e a t m e n t ，t h el a s e r - m e l t r e p a i r i n gh a si t s e l f a d v a n t a g e s t h ea r t i c l es t u d ya b o u tt h ec o a t i n gf o r m i n gb yd i f f e r e n tm e l t i n gp o w d e ra n d w o r k p i e c e s o fd i f f e r e n tm a t e r i a la n di t s s o l i d i f i c a t e d c o n s t r u c t i o n 、c o m p o s i t i n g d i s t r i b u t i o n 1 a s e r - m e l t i n gc l a d d i n g s s t r u c t u r ec h a r a c t e ra n di t s i n f l u e n c et ot h e f u n c t i o n s i nt h es a m et i m e ，i ts t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h el a s e r - m e l t i n gt e c h n i c s p a r a m e t e r st ot h er u l e so ff o r m i n gd e n d r i t e su n d e rr a p i df r e e z i n gc o n d i t i o n ，d i s c u s s e s t h es o r t sa n dr e a s o n so ff o r m i n gl a s e rc l a d d i n gc r a c k s ，t h ew a y sh o wt or e d u c et h e c r a c k s t og u a r a n t e et h el a s e rc l a d d i n g s f u n c t i o n s ，t h et e c h n i c sp a r a m e t e r sa n d p o w d e r s a r e a d j u s t e da n d s e l e c t e d t h e p a p e r s u m m a r i z e st h et e c h n i c s p a r a m e t e r sa n do p e r a t i o np r o c e s s e sa n dp u t i n t o p r a c t i c a l u s e i tw a sp r o v e d ，b yt l l et e c h n o l o g yo fl a s e r - m e l t r e p a i r i n g ，s e l e c t i n gd i f f e r e n t m e l t i n gp o w d e r st og u a r a n t e et h ec o a t i n g s f u n c t i o n sa n dr e d u c et h ec r a c kr a t e s i n f a c t , t ot h el o s e - e f f e c t i v ec r i t i c a lp a r t s ，b yt h i sk i n do fe x p e r i m e n t a t i o n ，t h e yc a r lb e i m p r o v e d t h e i rs u r f a c e sh a r d n e s s ，s t r e n g t h e n e dt h e i rt h ef u n c t i o no fa n t i - g i i n d i n ga n d d e l a y e dt h eu s i n gl i f e ，i n o r d e rt or e d u c et h ec o s t so f e q u i p m e n t sa n db e t t e r e c o n o m i cr e s u l t s k e yw o r d s ：l a s e rc l a d d i n g ，c r i t i c a lp a r t s ，c r a c kr a t e s ，g r i n d i n gr e s i s t a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 1 1 l 列签字醐： 泐铸歹月络 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 签字脯砖7 月胗 导师签名 喀为 签字盼撕在9 月缈日 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 前言 石油化工工业是我国重要的支柱产业，天津石化公司是我国特大型企业之 一，石油化工机械设备价格昂贵，连续运转时间长，对零件可靠性要求高。然而 机械设备在运行过程中，经常发生关键零部件的磨损失效现象。采用一般的方法 很难进行修复，或者勉强能修复，但性能不能令人满意而且价格昂贵。天津石化 公司每年用于设备修复、更换的费用达数千万元“1 。 设备失效通常是由于动设备的磨损和静设备的老化造成的，动设备转动部件 的磨损主要与零件动配合部分的表面性能如硬度、耐磨性等有关，因此对于动设 备，提高其关键部件的硬度及耐磨性是延长其使用寿命的关键。激光表面强化技 术包括激光固态相变硬化、激光熔敷、激光合金化、激光熔凝等几个方面。目前， 在工业上应用较普遍的是激光固态相变硬化和激光熔敷技术。 激光表面强化技术开始于上世纪六十年代，1 9 6 5 年，美国钢铁公司的s p e i c h 和f i s h e r 等人首次用红宝石激光器对钢铁材料进行热处理试验叫。1 9 7 4 年，美 国通用汽车公司将激光相变硬化技术用于实际生产过程，建立了17 条激光热处 理生产线，每月处理3 3 0 0 0 个工件，大大提高了工件的耐磨性踟。前苏联a3 7 i k 生产的“莫斯科人”汽车零部件也采用了激光表面强化技术。我国于1 9 7 9 年 开始进行激光热处理的研究工作，在上世纪八十年代发展十分迅速。1 9 8 6 年， 西安内燃机配件厂建成拖拉机缸套激光热处理生产线，提高了缸套的耐磨性，取 得显著的经济效益。 激光合金化和激光熔凝技术尚处于研究开发阶段，而对激光熔敷技术的研究 始于1 9 7 4 年，几十年来，国内外很多单位在炭钢、不锈钢、灰铸铁、可锻铸铁 等基体上进行了激光熔敷实验和研究，所用的熔敷材料有n i 基合金、f e 基合金、 c 0 基合金等。在开始阶段，人们用胶粘剂或通过热喷涂的方法将合金粉末粘结 在基体表面上然后进行激光重熔，但是熔敷质量不能令人满意近年来倾向于采 用自动送粉装置将粉末直接送到激光熔池进行熔化。在激光熔敷技术的应用过程 中，熔敷层的开裂是困扰大家的最大的问题，部分文献中也提到了这一点。近几 年来国内各个研究单位和激光表面强化应用企业对激光熔敷层的裂纹问题都进 行了大量研究，开发了部分激光熔敷的专用粉末材料，对于表面硬度要求较低工 件已有部分熔敷工艺可以解决裂纹问题，但由于商业利益的驱使都未见到详实的 第一章文献综述 熔敷工艺资料，同时对于表面性能要求较高如：高硬度和高耐磨性的熔敷层的裂 纹问题还在研究当中，而熔敷层的开裂对工件的危害十分严重，所以它限制了这 项技术的进一步的推广应用。 目前，天津石化公司现有机械转动设备几十万台，其主要转动零部件的磨损、 表面开裂，导致设备寿命的缩短，增加检修费用，增加了设备成本。我们针对这 种现象，通过引进快激光合金化和激光熔凝技术并改进其工艺，对以上缺陷进行 修复，达到延长设备寿命周期、节约成本的目的。 1 2 快激光合金化和激光熔凝技术简介 快激光合金化和激光熔凝技术属于r p 技术的一种。 r p 技术( 快速成型技术) 又叫快速原型制造技术，英文：r a p i dp r o t o t y p i n g ( 简称r p 技术) ，或r a p i d p r o t o t y p i n g m a n u f a c t u r i n g ，简称r p m 。 r p 技术是在现代c a d c a m 技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服 驱动技术等基础上集成发展起来的一项先进制造技术，对促进企业产品创新、缩 短开发周期、降低开发成本、提高产品竞争力有积极推动作用。它可以在无需准 备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计( c a d ) 数据，快速 制造出新产品的样件、模具或模型。由传统的“去除法”到今天的“增长法”， 由有模制造到无模制造，这就是r p 技术对制造业产生的革命性意义。 1 2 1r p 系统的基本工作原理 不同种类的快速成型系统因所用成型材料不同，成型原理和系统特点也各有 不同。但其基本工作原理都是一样的，那就是“分层制造，逐层叠加”，类似于 数学上的积分过程。形象地比喻：快速成型系统相当于一台“立体打印机”。将 一个复杂的三维物理实体离散成一系列二维层片的加工，是一种降维制造的思 想，大大降低了加工难度，并且成形过程的难度与待成形的物理实体的形状和结 构的复杂程度无关。o ” 其整个成型过程是在没有任何刀具、模具及工装卡具的情况下，快速直接地 实现零件单件生产的，这个过程只需很短的时间。 2 第一章文献综述 1 2 2r p 系统的成型机理 首先由c a d 软件设计出所需零件的计算机三维曲面模型或实体模型；然后 根据工艺要求，按一定的规则将该模型离散为一系列有序单元，通常在z 向将其 按一定厚度进行离散( 习惯称为分层或切片) ，把三维数字模型变成一系列的二 维层片；再根据每个层片的轮廓信息进行工艺规划，选择合适的加工参数，自动 生成数控代码；最后由成形机( 数控机床) 接受指令控制激光器( 或喷嘴) 有选 择性地烧结一层接一层的粉末材料( 或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割 一层又一层的片状材料，或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂) 形成一系列具 有一个微小厚度和特定形状的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐 层堆积成一个三维物理实体。o ”1 自美国3 d 公司1 9 8 8 年推出第一台商品s l a 快速成型机以来，到现在己经 有十几种不同的成型系统，其中比较典型的有激光固化成型( s l a ) ，选择性激 光烧结成型( s l s ) 、激光层压成型( l o m ) 和熔积成型( f d m ) 等方法，其中 熔积成型又分为多种材料组织的熔积成型和气相沉积成型( s a l d ) 两种。1 激光熔覆最初是一种涂层技术，激光熔覆可以获得高性能的表面涂层，将激 光熔覆面沿垂直方向空间多层叠加便可以制造出三维金属零件。由于激光熔覆的 快速凝固特征，所制造出的金属零件具有优良的质量和强度。 总之，r p 技术是二十一世纪世界先进制造技术和新产品研发的手段。当前， 市场竞争愈演愈烈，产品更新换代加速，迫切需要采用先进的创新手段。r p 技 术在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况下，可实现任意复杂形状的新产品 样件的快速制造，提高此快速柔性系统的精度是当今急迫解决的问题。 1 2 3 激光快速成形技术现状、最新发展及应用 激光快速成形( l a s e rr a p i dp r o t o t y p i n g ：u 冲) 是将c a d 、c a m 、c n c 、 激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成的一种全新制造技术。与传统制造 方法相比具有：原型的复制性、互换性高；制造工艺与制造原型的几何形状无关； 加工周期短，成本低，一般制造费用降低5 0 ，加工周期缩短7 0 以上；高度 技术集成，实现设计制造一体化。m 3 近期发展的l p r 主要有：立体光造型( s l a ) 技术；选择性激光烧结( s l s ) 技 术；激光熔覆成形( l c f ) 技术；激光近形( l e n s ) 技术；激光薄片叠层制造 第一章文献综述 皿o m ) 技术：激光诱发热应力成形( l f ) 技术及三维印刷技术等。目前，这些 技术广泛应用于制造形状复杂、精细的零件、模具，汽车工业等。 金属激光表面强化就是l i p 技术的一个实际应用。激光表面强化包括金属表 面淬火、表面合金化、表面涂覆三个方面，激光表面强化是利用大功率c 0 2 激 光器产生的激光束作热源，用激光来辐射待强化的金属表面。通过激光淬火、激 光熔融改变合金表面成分，激光熔敷难熔金属或陶瓷，以大幅度改变金属表面的 机械性能、化学性能、耐热抗氧化性能，该技术效率高、适应性强、淬火硬度比 一般热处理高5 - - 1 0 h r c ，同时节约材料和能源，不变形，无公害。 钢材零件表面硬化，刀具表面硬化，模具表面硬化，表面合金化，激光焊接， 激光切割等。激光是本世纪科学技术的重大成就之一，大功率c 0 2 激光器是一 种高效、节能、经济效益巨大的高新技术，其发展潜力巨大。嘲 1 3 激光表面强化技术 1 3 1 激光熔敷技术与几种表面处理技术的比较 表面处理和强化技术在国内、外有很多种，常见的有等离子喷涂，氧乙炔喷 涂，堆焊，电刷镀，电镀等多种方法。目前，使用较为广泛的是等离子喷焊技术。 激光熔敷具有比离子喷焊更高的能量密度，能获得更致密、更细小的熔敷质量， 是一种极有前途的表面改性技术。而且激光加工指向性好、效率高；得到的熔敷 层组织的稀释率低、热影响区小，因此很适合于质量要求较高的零件局部处理以 及修复，尤其适合需要修复后要求几何形状变形小的轴类零件的修复。 下面就常用的几种方法和激光熔敷在性能方面做一对比。 4 第一章文献综述 表卜1 激光熔敷技术与几种表面处理技术的比较 t a b l e l 一1c o m p a r i n gw i t ho t h e rs u r f a c e t r e a t m e n tt e c h n o l o g y 1 3 2 激光熔敷工艺特点 激光熔敷是利用高能密度的激光束所产生的快速融凝过程，在基材表面形 成与基材相互熔合的、且具有完全不同成分与性能的合金敷层，从而获得特殊性 能的表面薄层的一种方法。激光熔敷通过控制辐射量( 功率密度和时间) ，使基材 表面微熔，以增加敷层的结合力，同时，又可以尽量减少基材的熔化层厚度，以 防止基材与熔敷层中的金属元素相互扩散，改变涂层的成分和性能。 采用激光熔敷的方法可以获得低成本、高性能的使用材料。更为重要的是 利用激光熔敷可以对现有材料进行有效的表面改性，从而可以有效的保护设备的 前期投资，利用较小的成本对设备实现高质量的改进，因而在攻讦实际中有很诱 人的前景，美、日、英等国家对激光熔敷的研究和应用都给予了极大的重视。我 国自八十年代初开始对激光熔敷进行研究以来，一直是热点的问题，其在工程中 的应用也日益广泛。比如在石油化工行业，利用激光熔敷来加工或者修复重要工 件，有效地提高了其使用寿命。 当然，出于目前的激光熔敷工艺不成熟，没有激光熔敷专用的材料，所以 熔敷加工过程中容易出现工件的开裂，这在一定程度上制约了激光熔敷的推广使 第一章文献综述 用。 由于激光有极高的加热和冷却速度，一般可达到l o l l 0 。s ，从而熔敷层 可出现微晶、非晶及其他一些非常高的、热平衡相图上不存在的亚稳态相，这些 相往往有较好的性能或者能够强烈影响激光熔敷组织的性能。一般来说，主要利 用的激光熔敷层的优良的性能有耐磨性、耐蚀性、抗氧化、热障性。 激光表面强化工艺是利用高功率密度的激光束，在工件表面按一定的速度进 行扫描，使之获得一定的性能。由于聚焦后的激光束能量密度高，功率密度可达 l 矿一1 0 w c m 2 。以1 0 s 以上的速度迅速将金属表面加热至材料的熔点以上， 激光扫描过后，对基材的热影响小，引起的热应力变形也小。控制激光的输入能 量，还可以将基材的稀释作用限制在最低的程度( 一般为2 - 8 9 6 ) ，从而保证了原 熔敷材料的优异性能。同时，由于基体金属的热传导作用，金属快速冷却，根据 需要在基体表面形成熔敷层或表面淬火层。 激光熔敷可以将高熔点的材料熔敷在低熔的基材表面，且材料的成分亦不受 通常的冶金热力学的限制。因此，所采用的熔敷材料的范围相当广泛。 总之，激光表面熔敷技术的特点有： ( 1 ) 非接触式加工，激光是利用强光束加热工件，不需要接触工件。 ( 2 ) 热量输入可以控制。即：通过控制加工的输出功率，光斑直径的大小 和扫描速度来控制输入基体中的热量。 ( 3 ) 可以实现局部加工和处理。激光表面强化过程中表面温升和冷却速度 快，在强化区附近的热影响区小，对未强化基体的组织变化影响小。 ( 4 ) 能量密度大，可以实现短时间处理，生产效率高。 ( 5 ) 易于和计算机配合实现自动化。现在国内已经有多家厂家生产数控激 光加工机床。 ( 6 ) 利用激光对零件表面淬火时，激光加热和冷却速度快，零件的热影响 区小，淬火后零件变形小，后加工量小。 ( 7 ) 激光熔敷时，熔敷层与基体为冶金结合，结合强度高。 ( 8 ) 修复后，几何形状变形小。 ( 9 ) 熔敷层硬度很高，表面具有良好的耐磨、耐热、耐蚀性能。 除此之外，从微观角度，激光熔敷层还有以下特点： ( 1 ) 非平衡相的形成。 在快速凝固的条件下，平衡相的析出可能被抑制，而析出非平衡的亚稳 6 第一章文献综述 定相。 ( 2 ) 细化凝固组织。 大的冷却速度不仅可细化枝晶，而且由于形核速率的增大而使晶粒细化。随 着冷却速度的增大，晶粒尺寸减小，获得微晶，乃至纳米晶。因此，如果在比较 合理的工艺条件下，激光熔敷层的组织要比等离子喷焊组织细小得多。 ( 3 ) 非晶态的形成。 当冷却速度极高时，结晶过程将被完全抑制，获得非晶态的固体。 综上所述，激光熔敷是一种较为理想的表面强化和修复技术。在激光熔敷技 术的应用过程中，由于熔敷层从凝固到冷却过程中温度梯度大，基体材料和熔敷 层材料的性能差异，导致熔敷层易于开裂，所以它限制了这项技术的进一步推广 应用，基于此，采取以下措施： ( 1 ) 基体预热，减小熔敷过程中的基体和熔敷层的温度梯度； ( 2 ) 熔敷后的后保温，减小熔敷层冷却的速度； ( 3 ) 优化激光熔敷工艺参数。 1 4 本课题的目的和意义 本文研究的目的在于针对石化行业的特点，对原有激光熔敷工艺进行改进， 控制激光熔敷层的裂纹状况。开发激光熔敷裂纹控制新工艺。生产中有不同的修 复工件，它们的材料及热处理状态不同，使用要求不同。需要选择不同的熔敷粉 末材料和熔敷工艺措施以保证熔敷层的性能特别是减少熔敷层的裂纹率。 本文试图通过对不同熔敷材料在不同基材形成的凝固组织、成份分布的显微 观察分析及其硬度特征的研究，考察激光熔敷层的凝固结构特征及其对性能的影 响，考察激光熔敷工艺参数对于激光熔敷层组织和性能的影响，研究在激光熔敷 这种快速凝固条件下枝晶的形核规律，探索熔敷层形成裂纹的种类、原因及减少 裂纹率的方法，以便更好的指导激光熔敷修复的实际操作。在试验研究的基础上， 针对生产实际中磨损失效的关键轴类零件，进行激光熔敷修复和表面强化，提高 它的耐磨性，以恢复和提高其使用性能，为公司设备的完好运行提供技术服务。 由此可见，如何进一步开发出高效率、高性能的表面强化技术，减少贵重材 料的消耗，提高生产效率，降低产品成本、设备的维修成本，提高其使用寿命和 可靠性，已成为当前迫切需要解决的问题。 7 第= 章试验方案 第二章试验方案 2 1 激光加工设备的介绍 2 。1 1 激光器 为了满足石化设备的激光表面强化处理，同时为了提高生产效率，激光器的 额定输出功率为5k w ，型式为横流多模连续输出激光器。为武汉团结激光成套设 备有限公司生产，5k w 激光器质量稳定可靠，成套配置激光加工机床、光路系统 及冷却系统。 2 1 2 数控激光加工机床 根据我所开展的设备维修工作有维修零部件多，工艺重复性差，同一零部件 维修量小的特点，激光加工机床为多用途的通用数控加工机床。是由武汉武华重 工激光成套设备有限公司制造。数控部分为华中理工大学数控中心开发的数控系 统。数控机床可实现五维控制四轴联动，由武汉团结激光成套设备有限公司配套 提供。 2 1 3 光路系统及其它 光路系统随加工机床配套生产的，冷却系统也与激光器成套配置。 2 1 4 激光加工装置配制及功能 2 1 4 1 加工装置的配制 a ：tj h l t5 000 型5k w 激光器一台，包括：光、机、电一体化 5k w c0 ，激光器整机一台，激光功率显示仪一台。 b ：龙门式数控激光加工机一台，具体包括以下内容： 机械部分 a ：龙门式三坐标数控激光加工机机械本体一套； b ：0 6 0 0 咖机床转盘附件一套； c ：机床轴类零件加工卡盘一套( 最大轴直径巾2 0 0 ) ； d ：光头移动多种加工组合光筒及热处理、熔敷、切割和焊接光头各一套； 8 第二章试验方案 e - 交流伺服电机与有关运动卡盘、转盘的联接及固定结构； 数控及驱动部分 a ：两轴联动交流伺服多功能数控系统( 华中数控i 型) 一套； b ：两轴联动交流伺服驱动电源一套； c ：交流伺服驱动电机5 台，具体包括： x 轴、y 轴驱动电机各一台； 光头z 轴驱动电机一台； 转盘驱动电机一台( 与转盘联接) ； 卡盘驱动电机一台( 与卡盘联接) ，能带动重1 - - 2 吨长轴旋转； d ：数控驱动电源配4 个常用接口，满足四轴联动功能，其中x 、y 轴接口 可与转盘或卡盘驱动电机接口互换。 5 万大卡激光专用冷水机组一台，具体内容包括： 全不锈钢水箱二台： 进口6 万大卡压缩机一台； 蒸发器及冷凝器各一台； 电气自动温度控制系统一套。 2 1 4 2 主要技术指标及功能 a ：5kw 激光加工成套设备可满足如下需求： 满足直径中一 8 0 0 m m ，长度一 8 小时可三班工作 输出功率可调范围0 5 5 k w ( 多模) 0 5 2 5 k w ( 低阶模) 9 第= 章试验方案 输出功率不稳定度3 电光转换率：1 5 - 2 0 ( 理论的最大值可以达到3 2 9 6 ) 激光波长：1 0 6 ( 激光的波长越短，吸收率就越高) 发散角全角：3 n t r a d ( 发散角小则激光的方向性好) c ：多用数控激光加工机床主要技术指标 x 轴移动范围0 - - 2 0 0 0 咖，x 轴移动速度o - - 3 0 0 ( h m m i n y 轴移动范围o 一1 5 0 0 m m ，y 轴移动速度0 - - 3 0 0 0 r a m r a i n z 轴移动范围0 - - 5 7 0 r a m ，z 轴移动速度0 - - 4 0 0 0 m m m i n 旋转工作台直径巾6 0 0 m m 旋转工作转速范围0 1 5 r p m 轴类零件工装系统，旋转速度范围0 - - 1 0 r p m 处理轴类零件直径范围0 - - 5 0 0 m 处理轴类零件长度范围0 - - 6 0 0 0 m m 直流伺服电机5 套，华中数控i 型数控系统( 四轴联动系统) 一套 d ：在数控系统操作显示面板上实现对激光器和加工机的一体化控制。 e ：5 万大卡激光专用冷水机组：满足激光器2 4 小时正常工作的冷却要求。 2 2 实验步骤 2 2 1 基体材料的选择 对于本课题来说，主要目的是为了将实验结果应用于生产实际，用来修复一 些重要设备的轴类零件，所以实验方案的制定主要是根据常用轴材料而制定的， 对于具体材料见表2 - i 。 1 0 第二章试验方案 表2 - 1 试件材质表 t a b l e 2 一ld i f f e r e n tm a t e r i a lw o r k p i e c e s 实验所用的熔敷材料选用北京矿冶研究总院生产的热喷涂合金粉末n i 2 5 b 、 n i 3 5b 、n i 4 5 b 、n i 6 0b 和天津机械涂层研究所生产的c 0 0 2 。这两种粉末其熔 点低，液态流动性好，抗裂性好，在相当宽的范围内具有优良的耐磨性能。各种 合金粉末的化学成分及规格如下表2 - 2 。 根据不同的轴表面性能要求，选择不同的熔敷材料。对于特殊要求耐磨的表 面，还自配了几种熔敷粉末。 第= 章试验方案 表2 2 熔敷合金粉末的化学成分及规格 t a b l e2 - 2t h ec l a d d i n gp o w d e r s c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n df u n c t i o n 2 2 2 激光熔敷工艺 熔敷实验采用的设备为武汉团结激光公司生产的5k w c0 ：激光加工设备。 熔敷工艺为； ( 1 ) 先对基体用沙纸去锈，熔敷面粗糙度为3 2 书4 岫，然后用丙酮清洗 干净。 ( 2 ) 熔敷基体预热，预热温度约为1 0 0 - 1 5 0 。 ( 3 ) 进行激光熔敷，熔敷激光功率为1 8 2 5 k w ，激光束的扫描速度为 2 2 0 - - 4 5 0 m m m i n ，光斑直径为：3 - - 4 5 m m ，熔敷送粉量为1 l 一2 4 9 m i n ，每道熔敷 层的搭界量为3 0 4 0 ，熔敷过程中熔池用氩气保护。 第= 章试验方案 ( 4 ) 熔敷完成后，用石棉布保温，以让工件和熔敷层缓冷。 2 2 3 显微组织观察及物相分析 用s 一2700 扫描电镜观察试样的显微组织，包括熔敷层组织、基体组织 及结合面组织。用x 射线衍射法( xrd ) 分析物相。 能谱仪( e d s ) 。微区化学成分测量在p h i l i p s 公司生产的e d a x p t 9 1 0 0 型能谱 仪上进行，能谱仪装配在扫描电镜上。 图像分析仪。图象处理在扫描电镜连接的w d 2 型图象分析仪上进行。 2 2 4 硬度测定 用e p s o nh x - 2 0 型显微硬度计进行硬度测定。 可加载荷范围( n ) ：0 0 9 8 ，0 2 4 6 ，0 4 9 0 ，0 9 8 0 ，1 9 6 ，2 9 4 ，4 9 0 ，9 8 0 ； 可测量范围：0 - 8 0 0 t n ；示值误差：4 。 2 2 5 耐磨性实验 用国产m m - 2 0 0 型磨损试验机进行磨损实验，实验载荷：5 k g ，实验转速： 4 0 0 r m i n ，磨损状态为：干磨。 第三章实验结果与分析 第三章实验结果与分析 3 1 激光熔敷实验熔敷材料和裂纹状况统计 利用前面所提供的7 种基体材质，选用不同的熔敷材料，进行了熔敷实验， 根据熔敷层表面裂纹状况列出了下面的统计表： 表3 一l 激光熔敷实验熔敷层表面裂纹状况表 t a b l e3 - 1t h es i t u a t i o no fd i f f e r e n tp o w d e r s c l a d d i n gc r a c k s 1 4 第三章实验结果与分析 1 5 第三章实验结果与分析 1 6 苎三童窒墅丝墨皇坌堑 9 #n i 6 0有贯穿裂纹0 5 h r c6 1 1 4 2 # 5 # 7 撑 9 # l l # 1 3 # 3 # 5 # 7 # c o0 2 n i2 5 n i 3 5 n i 4 5 n i 6 0 自配c 0 0 5 # n i4 5 n i3 5 n j 2 5 8 # c o0 2 有未贯通裂纹 无裂纹表面质 量较好 有未贯通裂纹 有末贯穿裂纹 有贯穿裂纹 无裂纹表面质 量较好 有未贯通裂纹 有贯通裂纹 无裂纹表面质 量差 o 6 1 2 o 9 0 6 0 6 0 8 0 8 o 9 1 o h r c4 3 h r c2 5 h r c3 5 职c4 5 h r c6 0 h r c4 3 h r c4 3 h r c3 7 h r c2 5 无裂纹表面质0 8 h r c4 0 量一般 1 2 #自配c 0 0 5 # 无裂纹表面质0 7 h r c3 8 量一般 3 # 5 # 7 # n i4 5 n i 3 5 n i 2 5 c o 0 2 有未贯通裂纹0 8 有未贯通裂纹0 8 无裂纹表面质1 0 量差 无裂纹表面质0 7 量一般 h r c4 5 h r c3 5 h r c2 5 陬c4 2 i i #自配c 0 0 5 # 无裂纹表面质0 7 h r c4 3 量一般 3 2 产生裂纹的原因 针对激光熔敷层裂纹在实验中产生的主要原因共找出因素1 4 条，采用“0l ” 打分法，以得分多少确定主要原因( 表3 - 2 ) 。 1 7 第三章实验结果与分析 表3 2产生裂纹主要因素评价表 冷 基 不熟 成态 试激 激光 冷却 却 体培 检查员度 熔件 灰 湿 温光 加工 系统后悉操 批次素不 教基尘度度器 机床 来训 质认 材体影影 影 质 质量 质量耒作规 料材响响响量差保 预 范 少 差真差热 料差温 100l0001ol0l010 200ll00 0oo0ol00 3o0 l 000 0lo0olo0 40lll0000ol0000 50ol0o0l0l0lloo 合计0152002l2 l 23 l 0 图3 - 1 产生裂纹的因果分析图 d i a g r a m3 - 1 a n a l y s i s o f b r i n ga b o u tc l a d d i n gc r a c k s 通过以上分析可知，产生熔敷层裂纹的主要原因是熔敷材料。 3 3 熔敷层裂纹类型 第三章实验结果与分析 熔敷层裂纹类型一般有一下三种类型( 熔敷层材料n i 4 5 为例) ”：一是夹 渣裂纹，由于激光熔敷过程是一个快速熔化和凝固的过程，熔敷粉末一般为热喷 涂粉末，粉末中的脱氧和造渣成分在熔覆过程中不易于上浮，在熔覆层中形成夹 渣，如图5 - 1 中的a 、b 、c 三幅扫瞄电镜照片显示的熔覆层中的裂纹形式及是由 以上原因造成的。为了解决此类裂纹，首先应降低熔覆粉末中造渣成分，即加少 熔覆粉末中硼、硅含量。这在后面的自配粉末中未加入硼，同时也降低了硅的含 量，这样可减小熔覆层的裂纹率。同时改变熔覆工艺，降低激光扫描速度，增加 激光功率，这样可延长熔池寿命，增加溶渣上浮时间，加少熔覆层的夹渣。 ( a ) 长条形裂纹 ( c ) 气孔堆集 图3 - 2 熔敷层材料n i 4 5 夹渣裂纹 d i a g r o m3 - 2 n i 4 5m i x t u r ec r a c k s 1 9 线形裂纹 第三章实验结果与分析 ( a ) 贯穿偏聚 ( b ) 局部偏聚 图3 - 3 熔敷层材料n i 4 5 组织偏聚裂纹 d i a g r a m3 3n i 4 5p a r t i a lp i l i n g c r a c k s ( d ) 单个气孔 图3 4 熔敷层材料n i 4 5 组织加工裂纹 d i a g r a m3 - 4 n i 4 5m a n u f a c t u r e rc r a c k s 另一种裂纹形式是组织偏聚而引起熔敷层组织应力增大而导致裂纹( 如图 3 - 3 ) ：图a 、b 中裂纹在基体和熔敷层的结合部分组织增大，裂纹从结合层部分 开始，向熔敷层表面扩展。而由于激光熔敷是快速熔凝的过程，在熔敷层的厚度 方向，形成温度梯度大，热应力也大，而基体和熔敷材料的热膨胀系数的不同， 导致在熔敷层和基体结合面处热应力到达峰值，易于形成裂纹源。而图中可观测 到，熔敷层在结合面附近，基体材料熔入熔敷层时，在此处形成不同与熔敷层上 部的组织，这样组织应力和熔敷过程中热应力共同作用导致熔敷层裂纹。控制此 类裂纹的方法，主要应降低熔敷层中的热应力，如基体预热，第二采取过渡层可 减小熔敷层和基体间的组织和材料差距。 第三种裂纹形式为熔敷层的加工裂纹，在图3 4 中引起裂纹的原因主要是在 对熔敷层磨削过程中由于熔敷层中w c 颗粒存在，在此处磨削力增大导致熔敷层 形成微观裂纹，这类裂纹主要在含金属陶瓷耐磨颗粒的熔敷层中常见。解决方法 第三章实验结果与分析 主要应选择合理的加工工艺。 其中第一类裂纹一般呈线状、长条状、颗粒状，是由于激光熔敷过程中基材 表面过渡不圆滑，基材表面发生突变或存在深沟，熔敷层材料脆性较大，喷涂时 流动性差，试件冷却速度不同造成的，主要发生在晶界处，此种裂纹形成的温度 相对较高( 如图3 2a ，b ) 。涂敷时，熔池中的气泡在凝固时而残留下来所形成 的空穴或气孔，它们有时单个出现，有时以成堆的形式聚集在局部区域( 如图 3 - 2 c ) ；而第二类裂纹则主要是由于温度场和组织成分的激剧变化造成的。从图 3 - 3 可知，裂纹既可能是开放形式也可能是埋藏形式，而埋藏裂纹易对熔覆层的 性能留下隐患。第三类裂纹，一般是表面裂纹，裂纹尺寸较小，可称为疲劳裂纹 的裂纹源。 3 4 激光熔敷工艺参数对组织的影响 激光熔敷工艺按照熔敷材料的供给方式可以大致分为两大类，即预制式激光 熔敷和同步式激光熔敷，其中同步式激光熔敷由于可以比较方便地实现自动化控 制，所以在实际中应用的更广泛一些。同步式激光熔敷是将熔敷材料( 一般是粉 末，较少情况采用线材或者板材) 直接送入激光束，使供料和熔敷同时完成，一 般的处理工艺流程是：基材表面预处理一送料激光熔化一后热处理，粉末由送粉 器经送粉管直接送入工件表面激光辐照区。粉末到达熔区前先经过光束，被加热 到红热状态，落入熔区后随即熔化，随基材的移动和粉末的连续送入，形成激光 熔敷带。 3 4 1 送粉速率的影响 实验的熔敷送粉量范围为1 1 2 4 9 m i n 。 在其工艺参数一定的条件下，随着送粉速率的增加，单位质量熔敷材料的比 能减小( 比能是指激光功率和送粉速率之比，可以从一定程度上来衡量激光熔敷 时能量输入的单位大小) ，因此熔敷材料颗粒的平均温度降低，基材表面温度也 降低，从而能够为凝固过程提供比较高的温度梯度和快的冷却速度，使得形核率 增大。同时，随着比能的减小，基材对熔敷材料的稀释程度降低，熔敷材料总体 吸收能量增加，基体材料吸收的能量减小，如果减小到一定程度，则不能形成冶 第三章实验结果与分析 金结合，此时所对应的送粉率称为临界送粉率。 随着送粉率的增大，熔敷层硬度提高，界面附近硬度梯度变陡，此现象随扫 描速度增大而趋于显著。 3 4 2 扫描速度的影响 实验中激光束的扫描速度范围为2 2 0 - - - 4 5 0 m m m i n 。 在其他工艺条件一定的条件下，随着扫描速度的增加，实际输入比能减小( 实 际输入比能是指激光能量与扫描速度和光斑直径的积的比) ，因此熔敷材料以及 基体材料同激光束的作用强度减弱，作用时间变短，激光透过熔敷材料粉末到基 体表面的能量减小，导致基体熔化量减小，稀释率降低。 同时由于扫描速度的增加，基材熔化和加热部分减小，导致熔敷层凝固时易 于保存较大的残余应力，因此熔敷层内的残余应力增加；当扫描速度增加到一定 值的时候，由于熔敷层不能完全熔化，导致熔层凝固时的残余应力反而减小。 另外，随着扫描速度增大，熔敷层硬度提高，界面附近硬度梯度变陡。此现 象随送粉速度增大而趋于显著。 3 4 3 激光功率的影响 实验的激光功率输入范围为l8 2 5 k w ，光斑直径为：3 o 一4 5 m 。 激光功率代表者溶敷过程中能量的输入。在其他工艺参数一定的条件下，如 果功率增加，会导致激光熔敷的熔池温度增加，粉末熔解充分，同时基材也可以 得到比较充分的加热和熔解，所以会导致稀释率增加。如果功率过高，熔池冷却 时的温度梯度减小，冷却速度慢，会导致晶粒得到异常的长大，甚至产生过热组 织；另一方面，如果激光功率过小，能量输入不足，会导致粉末熔解不充分，激 光熔敷组织不连续，也不能得到理想的熔敷组织。 3 4 4 基体预热温度的影响 在相同工艺条件下，基体预热温度的增加将导致熔敷层组织粗化，熔敷层与 基体结合界面附近柱状晶生长能力增强，界面附近出现黑色板条状马氏体，界面 第三章实验结果与分析 区域加宽。这是由于预热使基体熔化量增多且温度提高，降低熔敷层结晶时的冷 却速度，减小界面非自发形核率，界面附近原子互扩散能力加强所致。o ” 基体预热导致熔敷层硬度降低，界面附近硬度梯度变缓，且随预热温度增加 趋于严重；随扫描速度增加、送粉速率增大趋于减轻。 3 4 5 残余应力的产生及其影响 残余应力是在无外力的作用时，以平衡状态存在于物体内部的应力，是固有 应力( i n h e r e n ts t r e s s ) 或内应力( i n t e r n a ls t r e s s ) 的一种。 残余应力产生的原因可以分为以下三个方面： ( 1 ) 不均匀塑性变形产生的残余应力； ( 2 ) 热影响、相变造成的残余应力； ( 3 ) 化学作用产生的残余应力； 机械零件在制造过程中产生的残余应力会导致产生变形和开裂等工艺缺陷， 使n i 后的零部件的尺寸产生偏差等不良问题。而加工后的零部件内部的残余应 力则将影响到腐蚀、疲劳强度等材料的各种机械性能。 残余应力的影响一般包括如下六个方面： ( 1 ) 对静强度和变形的影响； ( 2 ) 对零部件静稳定性的影响； ( 3 ) 对硬度的影响； 在硬度测试的压入过程中，残余应力会影响到压入部分周围的塑性变形。 一般认为，如果是拉伸残余应力，将会有助于抑制塑性变形的发生；在回弹过程 中，残余应力又会影响到回弹能量，从而使硬度的测定有所变动。如果我们把这 种变动利用起来，就可以用来测定残余应力的值。然而对此影响的理论分析是极 其困难的； ( 4 ) 对于疲劳强度的影响； ( 5 ) 对于脆性破坏的影响； ( 6 ) 对于应力腐蚀开裂的影响。b 5 制 3 4 6 激光熔敷工艺对熔敷层组织晶粒度的影响 激光熔敷的工艺参数如上所述一般包括激光器功率、激光束扫描速度、送粉 第三章实验结果与分析 量、光斑直径等。这些参数对于激光熔敷层性能的影响比较复杂，常常是好几个 因素综合在一起起作用。本实验着重考察送粉量量对于激光熔敷层组织晶粒度的 影响。 一般来说枝晶形态和尺寸与冷却速度有很大的关系。冷却速度越大，晶核越 多，晶体生长速度越快，则枝晶间距越小，枝晶组织也就越细；共晶合金的屈服 强度随共晶弥散度的增加而增大，枝晶间距越小，则强度越高。所以考察晶粒度 的影响因素是很有必要的。 ( a ) 2 c r l 3 熔敷c o 基合金金相图( b ) 2 c r l 3 熔敷n i 基合金金相图 图3 5 熔敷层及基体组织金相图( 送粉量为1 2 9 m i n ) d i a g r a m3 - 5c l a d d i n ga n dg r o u n dm a t e r i a lc o n s t r u c t i o n 图3 5 ( a ) 中为2 c r l 3 基体上熔敷c 0 基合金的金相图，图中左边为基体组 织，中间为结合带，右边为熔覆层组织，送粉量为1 2 9 m i n ，( b ) 图为不锈钢基 体上熔覆n i 基合金的金相图，组织排列顺序及熔敷工艺同( a ) 图。由图中可观 察到，熔敷层组织比基体组织的晶粒明显细小。说明激光熔敷层比常规表面修复 层性能有较大提高。 当送粉量增加到2 0 9 m i n 时，熔敷层的组织如图3 _ 6 所示 ( a ) 2 c r l 3 熔敷c o 基合金金相图( b )