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上海海事大学硕士学位论文：小模数齿轮激光熔覆修复工艺试验研究 摘要 本文研究了激光熔覆技术在小模数斜齿轮修复中的应用。小模数齿轮 激光熔覆易产生齿面干涉、齿面裂纹、齿项塌陷等现象。试验结果表明， 合理选择光斑尺寸、扫描位置、扫描方法、工艺参数和熔覆顺序有助于获 得平整光滑、齿面无裂纹、齿槽无凹陷、齿顶无塌陷的熔覆层。 针对齿面熔覆时易出现裂纹的问题，设计了几种不同的熔覆方案，进 行了几种不同方案的熔覆试验，最后确定了齿面熔覆的合理的工艺方法和 工艺参数。齿面熔覆时对激光束与齿面的相对位置要求较高，否则易造成 干涉，试验中通过合理的位置设计及选择适当的光斑大小解决了此问题。 针对齿顶熔覆时易发生塌陷的问题，试验了多种不同的方案。提出了 采用激光预置粉末的方法，即通过使用较低的激光能量密度预先扫描，使 小部分粉末能熔化或呈微熔状态，依靠这部分粉末使大量的粉末粘结成团 附着在齿顶表面，然后进行正式的激光熔覆，试验发现此工艺能解决齿顶 塌陷问题。 在进行整个轮齿及完整齿轮的熔覆中，面临的主要问题是热量的积累 及热量的分布不均匀。在连续扫描过程中，热量的积累会造成后续熔覆时 熔池保存时间长，从而造成熔体的流动，即材料的转移；热量分布的不均 匀，会造成整个齿轮发生不均匀的变形。通过采用合理的扫描顺序及分齿 方法等解决了遇到的热量积累及热量分布问题。 关键词：小模数斜齿轮，激光熔覆，齿面熔覆，齿顶熔覆，齿顶塌陷，扫 描方法，分齿方法 上海海事大学硕士学位论文：小模数齿轮激光熔覆修复工艺试验研究 a b s t r a c t i th a sb e e nr e s e a r c h e dt h a tl a s e rc l a d d i n gi sa p p i e dt ot h er e p a i r i n g o fac l o s e - t o o t h e dh e l i c a lg e a ri n t h i s p a p e r l a s e rc l a d d i n gf o ra c l o s e t o o t h e dg e a ro f t e nm e e t ss u c hp r o b l e m sa st h ei n t e r f e r e n c e b e t w e e nt h ei a s e rb e a ma n dt h ea d j a c e n tt o o t hf l a n k ，t h ec r a c k i n g s p r o d u c e do n t h et o o t hf l a n kc o a t i n g 。t h ec a v e dt o o t hs l o ta n dt h e c o l l a p s e dt o o t ht i p t h ee x p e r i m e n t a l 。s t u d ys h o w st h a tt h es m o o t h ， n o n c r a c k i n g 。n o n - c a v i n g ，n o n - c o l l a p s i n gc o a t i n go nt h eg e a rt o o t hc a n b eo b t a i n e db yt h ei n t e l l i g e n ts e l e c t i o no ft h eb e a ms i z e 。t h eb e a m p o s i t i o n i n g ，t h es c a n n i n gt e c h n i q u e ，t h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sa n d t h ec l a d d i n gp r o c e d u r e f o rt h ec r a c k i n gp r o b l e mo nt h et o o t hf l a n kc o a t i n g ，v a r i o u sc o a t i n g m e t h o d sa r ed e s i g n e da n de x p e r i e n c e d f i n a l l yr e s e a n a b l ep r o c e s s m e t h o da n dp a r a m e t e ra r ec o n f i r m e d w h e nc l a d d i n gt h et o o t hf l a n k t h e r e l a t i v ep o s i t i o nb e t w e e nt h el a s e rs p o ta n dt o o t hf l a n ki sd e m a n d e d s e v e r e l y 。o t h e r w i s e i ti s e a s y t h a tt h ei n t e r f e r e n c eo c c u r s ，i nt h e e x p e r i m e n tt h ep r o b l e ma b o v ei sr e s o l v e dt h r o u g hd e s i g n i n gt h er a t i o n a l r e l a t i v ep o s i t i o na n ds e l e c t i n gt h ea p p r o p r i a t es p o ts i z e f o rc o l l a p s i n gp r o b l e mo nt h et o o t ht i pc o a t i n g ，v a r i o u se x p e r i m e n t m e t h o d sh a v eb e e nc a r r i e do n t h em e t h o do fd e p o s i t i n gt h ep o w d e ri n a d v a n c et h r o u g ht h el a s e ri sp r o p o s e d ，t h a ti s ，s c a n n i n gi na d v a n c e t h r o u g ht h el o w e re n e r g yd e n s i t yl a s e re n a b l e st h es m a l lp a r t i a lp o w d e r t om e l to rt om e l ts l i g h t l y ，s ot h a tr e l y i n go nt h ep a r t i a lm e l t i n gal a r g e a m o u n t so fp o w d e ra r ef e l ta n dj o i n e dt o g e t h e ri n t oam a s sa t t a c h i n gt o t h es u r f a c eo ft o o t ht i p 。t h e nt h e f o r m a ic l a d d i n gi sc a r r i e do n e x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h ec o l l a p s i n gp r o b l e mc a nb es o l v e db yt h e p r o c e s sa b o v e d u r i n gc l a d d i n gt h ew h o l et o o t ha n de n t i r eg e a r ，t h em a i np r o b l e m s f a c e dw i t ha r et h ea c c u m u l a t i o no fh e a ta n dt h eu n e v e nd i s t r i b u t i o no f h e a t i nc o n t i n u o u ss c a n n i n gp r o c e s s 。t h et h e r m a la c c u m u l a t i o nw i l l 上海海事大学硕士学位论文：小模数齿轮激光熔覆修复工艺试验研究 c a u s et h ec l a d d i n gp o o lp r e s e r v el o n gt i m ed u r i n gt h es u b s e q u e n t s c a n n i n g ，t h e r e b yc a u s i n gt h e m e l tf l o w i n g ，t h a ti s 。t h em a t e r i a li s t r a n s f e r r e d u n e v e nd i s t r i b u t i o no ft h eh e a tw i l ic a u s et h ee n t i r eg e a r u n e v e n d e f o r m a t i o n t h r o u g hu t i l i z i n g t h er e a s o n a b l e s c a n n i n g s e q u e n c ea n di n t e r v a l n u m b e ro ft o o t h ，t h ep r o b l e m so ft h et h e r m a l a c c u m u i a t i o na n dd i s t r i b u t i o na r es o l v e d b a oz h i j u n ( m e c h a n i c a id e s i g na n dt h e o r yd e p a r t m e n t ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rs o n gg u a n g m i n g k e y w o r d s ：ac l o s e t o o t h e d h e l i c a l t o o t hf l a n k ，c l a d d i n go fg e a rt o o t h ， i n t e r v a in u m b e ro ft o o t h g e a r 。l a s e rc l a d d i n g ，c l a d d i n go f s c a n n i n gm e t h o d ，t h em e t h o do f 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或者其他机构 已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献 均已在论文中作了明确的声明并表示了感谢。 作者签名： 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印什，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布 论文的全部和部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 名：洱翩躲斧吼型 上海海事大学硕士学位论文：小模数齿轮激光熔覆修复工艺试验研究 1 1 激光加工技术简介 1 1 1 激光加工概述 第一章绪论 激光技术是6 0 年代初发展起来的一门新兴科学，是二十世纪与原子 能、半导体及计算机技术齐名的四大发明之一“1 。由于激光具有很好的单 色性、相干性、方向性和高能量密度，三十多年来。以激光器为基础的激 光技术得到了迅速的发展。甚至有人将二十一世纪誉为“光加工时代”。激 光加工、激光通讯、激光医疗将成为激光技术应用最重要的三个方面。 激光加工的实质是激光将能量传递给被加工材料，使被加工材料发生 物理或化学变化，从而达到加工的目的。按照激光和被加工工件作用机理 不同，可将激光加工分为两类：一类是激光热加工，一类是激光冷加工。 激光热加工是指利用激光作用于加工工件表面所引起的快速热效应的各种 加工过程，如激光焊接、打孔、切割等：激光冷加工是指激光借助高能量 高密度光子引发或控制光化学反应的各种加工过程，亦称为激光光化学反 应加工，如激光刻蚀、激光掺杂、表面氧化等。在激光加工应用中，切割 约占4 0 ，打标约占2 0 ，焊接约占2 0 ，其它约占2 0 。 激光加工应用的行业主要有机械制造、纺织、医疗器械、汽车、航天 航空、电子电器、电站电机、量具刃具、冶金、化工、包装、测量、建筑 以及工艺装饰等行业。全球现有激光加工站4 0 0 0 多家，按市场份额分，美 国、日本和欧洲基本均分市场心。 1 1 2 国内外激光产业发展现状 发达国家的加工行业已经逐步进入了光加工时代。欧洲、日本、美国 政府均专门拨款用于研究开发与激光精细加工技术相关的技术，许多公司 也竞相投资开展研究，以提高其产品的市场竞争力。激光技术的应用领域， 如激光医疗及激光检测方面美国占首位，美国也是最早将高功率激光器引 上海海事大学硕士学位论文：小模数齿轮激光熔覆修复工艺试验研究 入汽车工业的国家。在激光材料加工设备方面，德国走在了世界前列。激 光加工不仅技术先进，而且经济效益显著，可提高产品质量，降低成本， 缩短产品周期1 。目前，日本的激光加工已经占到整个加工业的1 0 以上， 通过建立工业界、大学和政府联合开发体制，在重要领域由国家选定目标， 集国家和私人财团的力量加速发展激光加工技术。在美国，激光加工水平 很高，对激光应用的投资也在逐年增加，其中7 0 用于材料加工，激光加 工设备达到3 5 万台。德国对激光加工的研究策略是，从7 0 年代开始建立 6 个专门激光应用研究所，集中力量研究开发激光加工技术和工业应用。 1 9 6 1 年，我国第一台红宝石激光器研制成功“1 ，随之我国激光技术迅速发 展，其中发展较快的地区是湖北、北京、上海等省市。特别是在改革开放 后，以激光为特色的光电子信息产业作为一支产业新军迅速崛起。武汉、 广东、上海、长春提出了“中国光谷”的概念。从实际操作来看，这些“光 谷”从经济、科技以及社会效益来看，都取得了重要成就和巨大进步。 激光加工技术是一种比传统加工方法更快、更好、更经济、更方便、 新型的加工方法。国内对激光加工的研究开发起步较晚，除部分科研机构， 多矗使用激光加工技术的大中型企业采用进1 3 的技术设备。为此，国家科 委早在“八五”期间就将激光加工技术列为“八五”计划重点攻关项目。 在光电子技术及精细加工制造的应用领域中，国内以北京工业大学、清华 大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学、天津大学、长春光机所、上海光 机所等为代表，在激光传统加工中取得了一定的研究成果，如清华大学、 华中科技大学、西安交通大学等的激光快速成型机，大族激光科技股份有 限公司、楚天激光集团、北京大恒激光设备有限公司等生产的激光焊接机、 激光切割机、激光打孔机以及激光打标机等设备。而适用于微电子、微机 械、超硬脆材料加工和分子生物学发展需要的，在亚微米和纳米级加工， 如打极小的孔、刻极微细的槽、进行极微细的三维雕刻、纳米机电零件的 制造与搬运等等方面，目前尚处于起步研究阶段，急待发展，前景广阔。 1 2 激光熔覆技术 1 2 1 激光熔覆概述 激光熔覆也称激光熔敷或激光包覆，是材料表面改性技术的一种重要 2 上海海事大学硕士学位论文：小模数齿轮激光熔覆修复工艺试验研究 方法，它是利用高能激光束( 1 0 。1 0 6 w c m 2 ) 在金属表面辐照，通过迅速熔 化、扩展和迅速凝固，冷却速度通常达到1 0 2 。1 0 6 s ，在基材表面熔覆一 层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，从而构成一种新的复合材料， 以弥补机体所缺少的高性能，这种复合材料能充分发挥两者的优势，弥补 相互间的不足。对于某些共晶合金，甚至能得到非晶态表层，具有极好的 抗腐蚀性能哺1 。 激光熔覆根据工件的工况要求，熔覆各种设计成分的金属或者非金属， 制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面涂 层。与工业中常用的堆焊、热喷涂和等离子喷焊等相比，激光熔覆有着下 列优点”。8 1 ： ( 1 ) 熔覆热影响区小，不破坏基材的力学性能； ( 2 ) t 件变形小，一般可忽略不计； ( 3 ) 层晶粒细小，结构致密，所以其硬度一般相对比较高，耐磨损、 耐腐蚀等性能也比较好； ( 4 ) 由于激光作用时间短，熔覆层稀释率低，基材的熔化量比较小， 因此可在熔覆层比较薄的情况下，获得所要求的成分和性能，从而节约昂 贵的熔覆材料； ( 5 ) 高达1 0 6 s 的冷却速度使凝固组织细化，甚至产生新性能的组 织结构，如亚稳相、超弥散相、非晶相等； ( 6 ) 激光熔覆过程易实现自动化生产，且熔覆层质量稳定； ( 7 ) 可处理零件的特定部位及其它方法难以处理的部位，对表面形廓 复杂的零件，可进行灵活的局部强化； ( 8 ) 可通过混合不同的熔覆材料进行涂层成分设计，得到不同性能的 涂层。 1 2 2 激光熔覆技术的应用 激光熔覆技术在航天、汽车、石油、化工、冶金、电力、机械、模具 和轻工行业等都有应用，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 提高关键部件表面的耐磨性和耐腐蚀性。第一个激光表面熔覆技 术的应用是在1 9 8 1 年r o l l s r o y c e 的r b 2 1 l 飞机发动机高压叶片连锁上 n 1 ；美国w e s t i n g h o u s e 公司用激光熔覆技术修复长1 2 m 的蒸气机叶片前 端的水蚀“；s e h u f f m a n 公司使用2 个送粉器，双摄像视频计算机的数 上海海事大学硕士学位论文：小模数齿轮激光熔覆修复工艺试验研究 控系统熔覆飞机发动机叶片和压缩机叶片“”；p r a t t w h i t n e y 公司使用 6 k w 激光器，在镍基合金汽轮机叶片上熔覆钴基合金“”；意大利菲亚特汽 车公司在发动机排气阀座的环形表面熔覆s t e l l i t ef 合金n ”。采用激光 熔覆技术后，这些关键部件表面的耐磨性、耐腐蚀性均得到了提高，其作 用也得到了进一步的发挥。 ( 2 ) 对因局部磨损而报废的关键零部件进行修复。因磨损超差而报废 的铝挤压模具( 材质为3 c r 2 w 8 v ) 、块规( 材质为t p ) 等，采用激光熔覆技 术在磨损超差部位熔覆耐磨合金后，能够得到重新使用：汽轮机叶片工作 刃、轧辊表面采用激光熔覆进行修复，能够在工业生产中继续发挥重要的 作用。 ( 3 ) 熔覆成型制造。激光熔覆制造塑料挤压蜗杆和压铸蜗杆的螺纹获 得了成功。d i n l 7 4 4 0 不锈钢蜗杆激光熔覆l c o 1 c 合金，用2 0 k wc o ：激光 器进行送粉熔覆，得到了宽3 7 m m 、高1 2 m m 的螺旋形熔覆层，而且没有裂 纹发生。 1 3 课题来源及研究意义 本课题来自国防科技重点实验室基金项目 齿轮表面激光熔覆工艺研 究。其主要研究内容是：分析激光熔覆中热传导规律，初步建立熔覆层厚 度与熔覆参数的对应关系，开展边缘地带的防塌陷工艺研究，提出行之有 效的方法，研究多道熔覆条件下的激光参数变化规律，实现高精度的高副 构件磨损后的性能恢复和改进。 机件在股役过程中不可避免地会出现磨损、腐蚀等失效现象，从而造 成不同程度的危害。对于一些造价低廉或精度不高的机件只需要换新品即 可，但对于那些价格高昂的高精度的机件，若更换新品势必会带来巨大的 经济损失。因此，如何修复这此“高、精、尖”的昂贵零部件，恢复它们 的原有性能就成为人们十分关注的问题。当前存在的主要问题是熔覆层容 易出现裂纹、表面不平整，后续机加工量较大，要在熔覆理论及工艺技术 方面取得突破，仍然存在许多挑战性的问题，这给实际应用带来了很大的 困难，阻碍了其进一步的发展。因此，从工艺上研究其原因，探索出最佳 的激光熔覆工艺方法和工艺参数，对拓宽激光熔覆的应用范围，推广激光 熔覆技术具有重大的经济意义。 例如，某型舰的燃、滑油泵主传动齿轮与汽动涡轮锻造为一体成为齿 4 上海海事大学硕士学位论文：小模数齿轮激光熔覆修复工艺试验研究 轮轴，是燃滑油泵的核心部件，其转速1 2 0 0 0 r p m ，齿轮精度为5 级，轴的 径向跳动量c 1 8 1 z m 。该齿轮轴造价在1 5 万元以上，时常因轴上的齿轮齿面 过度磨损而报废。以往只能更换新轴甚至整机报废，也就是说因为一个小 小齿轮的磨损，造成了4 0 多万元的经济损失。显而易见，找到修复此类高 精度零部件的可靠方法，便可以较低的维修费用获得较高的经济效益，其 军事意义更是不言而喻。 1 4 本文研究内容 本课题为小模数斜齿轮激光熔覆修复研究，目的在于得到适于工业应 用的较佳修复工艺方法与工艺参数。整个课题以实验为主，结合理论分析。 实验设备为h j 一3 型激光加工机，配备2 k w 横流c o ：激光器、j k j 一6 型激 光头、j k 卜6 型激光熔覆自动送粉器、西门子8 0 2 c 数控系统和四轴三联 动数控机床。 本文研究内容包括： 熔覆时的轮齿位置设计( 如图1 - 1 所示) ； ： r誉 藏光赢 多、? 蝈覆层7j j 图1 1 激光束与轮齿相对位置 轮齿表面熔覆工艺参数； 轮齿表面熔覆层裂纹控制； 齿项防塌陷问题； 全齿熔覆工艺方法。 本文各章节主要内容如下： 第二章：首先简单介绍了激光熔覆技术的理论基础；接着对激光熔覆 的工艺方法、熔覆材料、工艺参数与熔覆层质量的关系等内容作了介绍； 5 上海海事大学硕士学位论文：小模数齿轮激光熔覆修复工艺试验研究 最后展望了激光熔覆技术的发展方向； 第三章：先简单介绍了齿轮失效的几种形式，接着介绍了激光熔覆技 术应用于齿面磨损修复时的特点，最后对齿轮激光熔覆的基本要求及面临 的问题作了介绍； 第四章：进行了齿面熔覆试验。针对小模数齿轮齿面熔覆时易发生干 涉的问题，设计了几种不同的熔覆方案，进行了几种不同方案的齿面熔覆 试验，最后确定了齿面熔覆的合理的工艺方法和工艺参数； 第五章：进行了齿顶熔覆试验。针对小模数齿轮易发生齿顶塌陷的问 题，提出了采用激光预置粉末的方法来解决这一问题； 第六章：进行了全轮齿及整个齿轮的熔覆试验。通过合理的扫描顺序 及分齿方法等解决了熔覆中遇到的问题： 第七章：总结。 6 上海海事大学硕士学位论文：小模数齿轮激光熔覆修复工艺试验研究 第二章激光熔覆技术基础 2 1 激光熔覆技术理论基础 2 1 1 激光熔覆的温度场理论概述 激光熔覆是一个动态熔化过程，熔池尺寸小，不仅存在着传热现象， 而且也存在着对流、质量传递等。它们直接影响熔池的宏观形貌、偏析、 组织和成分的均匀性及其它物理冶金性能，因而搞清激光熔覆过程中的热 传导、对流和质量传递问题，对于理论研究和实际工业应用都有着重要的 理论价值“。到目前为止，很多研究者己经做了大量的工作，进行了激光 熔覆物理数学模型的研究及激光一材料交互作用的理论和实验研究，从不同 方面建立了激光熔覆的热计算模型。温度场模拟是其中最主要的工作。 由于激光熔覆采用的激光功率较高，加热和冷却速率都极快；同时熔 池的尺寸较小、温度极高，用实验的方法测量熔池中液体的温度分布有一 定的困难。目前，对激光作用下材料温度场主要采用模拟计算的方法，包 括两种方法：解析法和数值计算法。数值计算又包括有限差分法和有限单 元法，特点是物理意义明确，易于考虑边界条件，被广泛采用和研究。 早期的焊接、激光淬火、重熔和合金化热过程的研究采用解析法和数 值分析两种方法进行，得出了大量有价值的结论，特别是对于激光相变工 艺，计算值和实际符合得比较好，对实际生产具有重大指导意义。 2 1 2 激光熔覆的熔池的对流及其影响因素概述 各种实验研究已经证明激光辐照的熔池内存在着对流现象。对于对流 的机制，目前大家普遍接受的是表面张力驱动学说。这种学说认为：在激 光的辐照下，由于熔池内温度的分布不均匀性造成表面张力大小不等，温 度越低的地方表面张力越大，这种表面张力的差驱使液体从低的张力区流 向高的张力区，流动的结果是液体表面产生了高度差，在重力的作用下又 驱使溶液重新回流，这样就形成了对流。金属溶液的表面张力随温度的升 高而降低，所以熔池内的表面张力分布从熔池中心到熔池边缘逐渐增加。 7 上海海事大学硕士学位论文：小模数齿轮激光熔覆修复工艺试验研究 由于表面张力的作用，熔池内上层的溶液被拉向熔池的边缘，从而使 熔池产生凹面，并形成高度差，由此而形成重力梯度驱动力，这样就形成 了回流：在表面张力和重力作用的相同处相互抵消，称为零点，零点的位 置和叠加力的大小强烈影响着对流强度和对流的方式。叠加力越大，对流 就越强烈：零点位置一般位于熔池的中部，这时对流最为均匀，当它偏上 时，会出现上部对流强烈而下部流动性差的情况，反之亦然。此外，熔池 横截面内的对流驱动力是变化的，驱动力由熔液表面到零点逐渐变小，直 至为零。在零点至熔池的底部，驱动力又由小变大，再从大变小，到液一 固面处驱动力又重新变为零。所以，熔池内横截面各点的对流强度并不一 致，甚至还存在着某些驱动力为零的对流“死点”。 激光熔池的对流现象对熔覆合金的成分和组织的均匀化有促进作用， 但在激光熔覆过程中过度的稀释且混合不充分的条件下，容易引起成分和 组织偏析，降低熔覆层固有的性能。激光熔池内对流的形式与激光光束能 量分布密切相关，对称的匀强光束形成对称的两个流环，非对称分布光束 形成两个不对流流环甚至一个流环。送粉激光熔覆的对流控制着合金元素 的分布和熔覆层的几何形状。 对于送粉式激光熔覆，熔覆材料是连续地进入熔池，因此必然不断地 对熔池产生冲击作用。由于激光作用能量密度的分布不均匀，激光熔池内 表面中心处温度最高而边缘温度最低，沿熔池深度方向温度是逐渐降低的， 导致熔池在横向和沿熔池深度方向产生温度梯度和成分梯度。溶液的表面 张力随温度的升高而降低，从而引起表面张力的不均匀。表面张力的分布 与温度分布相反，由熔池中心向边缘逐渐增大，进而形成熔池液体对流的 基本驱动力。激光熔池内存在的对流对熔覆层组织、合金成分的均匀化有 促进作用。但在激光熔覆中过度地稀释且混合不充分的条件下，易一起组 织和成分的偏析，降低熔覆层的性能。因此，在实际工艺中必须统筹设计， 选择合适的熔覆材料和基体材料体系、送粉方式、工艺参数之间的相互匹 配，才能达到稀释率的控制，进而达到成分、组织和性能的设计要求。 实际作用过程中，熔池的对流特征是由熔液表面张力系数、黏度、密 度和熔液温度分布等许多参数综合作用而决定的。 8 上海海事大学硕士学位论文：小模数齿轮激光熔覆修复工艺试验研究 2 2 激光熔覆的工艺 2 2 1 激光熔覆的工艺方法概述 根据合金供应方式的不同，激光熔覆可以分为两种：合金同步法和合 盒前置法。合金同步法( 一步法) 是指采用专门的送料系统在激光熔覆的过 程中将合金材料直接送到激光作用区，在激光的作用下基材和合金材料同 时熔化，然后冷却结晶形成合金熔覆层，这种方法的优点是工艺过程简单， 合金材料利用率高，可控性好，甚至可以直接形成复杂三维形状的部件， 容易实现自动化，国内外实际生产中采用较多，是熔覆技术中的首选方法。 合金前置法( 预置法) 是指将待熔覆的材料以一定的方法预先覆盖在材料的 表面，然后采用激光束在合金覆盖层表面扫描，使整个合金覆盖层及一部 分基材熔化，激光束离开后熔化的金属快速凝固而在基材表面形成冶金结 合的合金熔覆层。 。 合金同步法中熔覆材料主要以粉末的形式送入，也有的采用丝材同步 送料。因此合金同步法按送料的不同分为同步送粉法、同步丝材法等。 同步送粉法 粉末的成本只有丝材的2 0 。同步送粉法激光熔覆可以充分利用能量， 还具有在不同形状和位置的基体上进行熔覆的工艺灵活性，更有意义的是 通过控制粉末束流与激光束的相互作用位置可以控制熔覆材料和基体的熔 化，从而实现熔点相差悬殊的涂层材料和基体间的激光熔覆。因此，无论 是从技术角度，还是生产效率角度，同步送粉法是激光熔覆中材料添加方 式的主流。 同步丝材法 用丝材作为激光熔覆材料，将丝材倾斜指向处理表面，用高于等离子 体形成阈值的功率密度( 大于2 x 1 0 4 w m m 2 ) 辐照，激光能量主要经由等离 子体传递给丝材和零件。丝材的反射率高于粉末材料，通常将丝预热到 1 0 0 0 以上，可以显著减少所需激光功率。送丝法使用容易离子化的气体 作为防护气体( 如c o ：) ，材料利用率接近1 0 0 ，熔覆速度高达3 k g h ，但 基体稀释率比同步送粉法高。 考虑到以上两种方法的特点及现有的试验条件，本文研究所采用的是 同步送粉法。 9 上海海事大学硕士学位论文：小模数齿轮激光熔覆修复工艺试验研究 2 2 2 同步送粉法激光熔覆 同步送粉法激光熔覆( 如图2 - 1 ) 是将熔覆材料直接送入激光束中， 使供料和熔覆同时完成。 图2 - 1 送粉激光熔覆示意 激光束相对于熔覆表面位向的不同，可以采用不同的送粉方式。常见 送粉方式包括重力送粉、气动送粉等。不同的送粉方式会影响激光熔覆过 程的能量、动量和质量传输，最终会影响熔覆过程的冶金行为和涂层性能。 覆盖率是指在作用时间内实际进入激光束作用面积的熔覆材料颗粒数 与理论上完全布满激光束作用面积所需颗粒数之比。文献【1 3 给出了覆盖 率r 的计算公式，即 r ：盟：一3 t i v f 6 。篓：! 三 n 24 耳一p d z r l r d v p 式中，n i 为在作用时间内t i 进入光束中的熔覆材料颗粒数；n 2 为理论 上布满激光束作用面积所需颗粒数：v f 和v 。分别为送粉率和扫描速度；r 为熔覆材料颗粒半径；d 为激光束直径；p 为熔覆材料的密度；为在作 用时间t i 内熔覆材料的送粉有效利用系数。 上式反映了覆盖率与激光、材料和工艺参数之间的相互关系。其中送 粉有效利用系数e 是激光熔覆过程中一个非常重要的参数。在激光送粉熔 覆过程中，自动送粉系统的效率不可能达到1 0 0 ，这是因为：由于熔覆材 料粉末粒子流的发散和定位的困难，粉末颗粒不可能完全进入激光作用区 域，必然有一部分因温度达不到熔点而不能进入熔覆层；在激光束作用的 过程中，因粉末粒子云的屏蔽作用，少量颗粒不能被加热到足够的温度进 1 0 上海海事大学硕士学位论文：小模数齿轮激光熔覆修复工艺试验研究 入熔覆层；材料还有少部分的烧损、飞溅等。 2 2 3 预热和后热处理 预热是指将基材整体或者表面加热到一定的温度，从而使激光熔覆在 熟的基材上的一种处理工艺，其作用就是防止基材的热影响区发生马氏体 相变从而导致熔覆层产生裂纹，因此，适当减少基材与熔覆层之间的温差 来降低熔覆层冷缩产生的应力，增加熔层液相滞留时间能有利于熔层内的 气泡和造渣物质的排除。实际生产过程中常采用预热的方法消除或减少熔 覆层的裂纹，特别是对于易于开裂的基材必须预热，在熔覆层裂纹倾向较 小的情况下，有时也采用预热减小熔覆应力和提高熔覆质量。 激光熔覆后的后热处理是一种保温处理，可以用于消除和减少熔覆层 的残余应力，消除或减少熔覆产生的有害的热影响。后热处理通常采用火 炉内加热保温，经过充分的保温后，随火炉冷却或降到某一温度出炉空气 冷却，其中加热温度、保温时间和冷却方式要视后热处理的目的、基材和 熔覆层的特性而定。 2 3 激光熔覆材料 2 3 1 激光熔覆材料选择的一般原则 激光熔覆材料要根据使用要求与基体的状况来选配。对于一定工作环 境下的某一基体而言，存在一最佳涂层合金。目前，对于涂层材料及基体材 料的许多物理性质无法知道，因此如何去度量涂层材料与基材是否具有良 好的匹配关系，成为激光熔覆技术的一个重点。另外，在选择时不能一味地 追求涂层材料的使用性能，还要考虑涂层材料是否具有良好的涂覆工艺性， 尤其是与基材在线膨胀系数、熔点等热物理性质上是否具有良好的匹配关 系。一般来讲，应考虑几下几点： 应具有所需要的使用性能，如耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗氧化等特殊 性能。 应具有很好的固态流动性。粉末的流动性与粉末的形状、粒度分布、 表面状态及粉末的温度等因素有关。球形粉末流动最好。粉末粒度有粗粉、 上海海事大学硕士学位论文：小模数齿轮激光熔覆修复工艺试验研究 细粉、很细粉和超细粉之分。激光熔覆通常使用普通粒度粉末或粗细粉， 很细粉和超细粉因固态流动性差，通常的送粉器不能适用。超细粉末只能选 用特殊的送粉器才能保证均匀送粉。粉末若受潮，流动性差，使用前应烘干 处理。 粉末材料的线胀系数、导热性应尽可能与工件材料相接近，以减少熔 覆层中的残余应力。 粉末应具有良好的浸润性，浸润性与表面张力有关。表面张力越小， 浸润角越小，液态流动性越好，越易于得到平整光滑的熔覆层。 应有良好的造渣、除气、隔气性能。合金粉末在制造和使用过程中， 不可避免地受到氧化，也会在熔化过程中溶解一些气体。因此合金在熔化状 态时应具有良好的脱氧、除气能力，其脱氧产物应形成密度小、熔点低的熔 渣覆盖在液态金属表面，对表面起保持作用，以防止产生夹渣、气孔、氧化 等缺陷。 合金粉末的熔点不宜太高，粉末熔点越低，越易控制熔覆层的稀释率， 所获得的熔覆层质量越好。熔点越低，液态流动性越好，对获得平整光滑的 熔覆层越有利。 2 3 2 熔覆材料分类 激光熔覆采用的材料主要是热喷涂类材料和热喷焊类材料，这些材料 包括自熔性合金材料、碳化物弥散或者复合材料、陶瓷材料等，这些材料 具有优异的耐磨、耐腐蚀性能，并通常以粉末的形式使用。考虑到自熔性 合金对基材有较大的适应性及熔覆表面的性能要求，本文采用自熔性合金 材料。以下主要介绍自熔性合金粉末。 自熔性合金粉末是指合金中加入了b ( 硼) 和s i ( 硅) 等元素的熔覆用合 金材料。这种合金材料在熔覆过程中具有白脱氧性能和自造渣性能，即自熔 性自熔性合金对基材有较大的适应性，几乎可用于任何基材，包括各类碳 钢、合金钢、含磷易切削钢、不锈钢和铸铁类材质。 自激光熔覆的研究开展以来，最先选用的涂层材料就是n i 基、c o 基、 f e 基自熔合金，其中主要出发点是针对提高一些工件的耐磨性、耐蚀性要 求，此外就是这几类自熔合金对各种碳钢、不锈钢、铸铁和多种有色金属 基体的广泛而良好的润湿性，使之能获得与基体结合良好的致密涂层。一 直延续到现在，人们仍然使用这些合金，并对其进行着更加深入的分析。 上海海事大学硕士学位论文：小模数齿轮激光熔覆修复工艺试验研究 钴基合金 激光熔覆钴基合金的基体通常为钢或铁基合金。适用于要求耐磨、耐 腐蚀和抗热疲劳的零件。钴基合金浸润性较好，其熔点较碳化物低，受热 后c o 元素最先处于熔化状态，而在凝固时，它最先与其它元素结合形成新 的物相，对熔覆层的强化极为有利。钴基合金在成分设计上，品种比较少， 所用的合金元素主要是c r 、w 、f e 、n i 和c d 等，另外通过添加b 、s i 以形 成自熔合金。 镍基合金 镍基合金粉末以其良好的浸润性、高温自润滑作用和适中的价格在激 光熔覆技术中用得最为广泛，它适用于局部要求耐磨、耐热腐蚀及抗热疲 劳的零件。 由于镍基合金粉末的优良性质，在宽带激光熔覆实验中得到了广泛的 应用。以4 5 钢为基材，利用振荡聚焦光束和自动送粉技术，熔覆n i 基合 金粉末n i 0 2 ，获得单道宽1 2 m m 以上，组织致密无缺陷的激光熔覆层。对 航空结构中常用的高强度3 0 c r m n s i a 进行激光熔覆n i 基粉末，也较大地提 高了其抗断裂疲劳性能。 铁基合金 铁基合金作为激光熔覆材料始于2 0 世纪7 0 年代，使用于要求局部耐 磨且容易变形的零件，基材多用铸铁和低碳钢，其最大优点是成本低且抗 磨性能好。一般铁基合金的成本是镍基合金的1 4 “l 5 ，是钴基合金的 1 8 。1 9 ，开发铁基合金材料具有显著的经济效益。另外，目前大量需要进 行修复及表面处理的工件是铁基材料，采用铁基熔覆材科，涂层与基体具 有良好的浸润性，可以有效解决激光熔覆层剥落问题，同时降低了对稀释 率的严格要求，有利于激光工艺控制。 铁基合金熔点高，自熔性差，抗氧化性差，流动性不好，涂层内气孔 夹渣较多，这些缺点也限制了它的应用。 考虑到轮齿熔覆层的性能要求，本文初步选用钴基合金和镍基合金作 为熔覆材料。 2 4 金属工艺参数和稀释率的关系 稀释率是激光熔覆工艺控制的最重要参数之一。 稀释率与熔覆层的关系 上海海事大学硕士学位论文：小模数齿轮激光熔覆修复工艺试验研究 激光熔覆过程中，在保证熔覆材料和基体材料达到冶金结合的前提下， 希望基体的熔化量越少越好，以保证熔覆层合金原有的性能( 高硬度、耐 磨性、耐腐蚀及抗氧化性) 不受损害。大量的试验证明：熔覆材料与基体 理想的结合应是在界面上形成致密的低稀释率和较窄的交互扩散带。因此， 控制熔覆层稀释率的大小是获得优良熔覆层的先决条件。 熔覆层应具有规则的几何形貌，较低的稀释率，界面为冶金结合。为 保证基体和熔覆材料实现冶金结合，在激光熔覆过程中，客观上要求必须 有一定量的基体熔化。由于激光能量分布的不均匀性，激光熔覆熔池中必 然存在着对流，在对流的作用下，熔化的基体必然会造成熔覆合金的稀释。 稀释程度的大小直接影响熔覆层合金性能的发挥，稀释率过大，则基体对 熔覆层的稀释作用大，损害熔覆层固有的性能，而且加大了熔覆层开裂、 变形的倾向；稀释率过小，则熔覆层与基体不能在界面形成良好的冶金结 合，熔覆层容易剥落。因此，控制稀释率是获得良好熔覆层的关键。 稀释率及其计算方法 稀释率是指在激光熔覆过程中，由于熔化的基材的混进而引起了熔覆 合金成分的变化程度，通常有合金在熔覆层所占的百分数来表示。最常用 的计算稀释率的方法为按熔覆面横截面的面积的测量值计算稀释率，称之 为几何稀释率。即 c d 2 兹s ，+ s 。) ( 2 - 1 ) 式中s ，一熔覆层横截面面积； 瓦一基体熔化面积。 因而稀释率控制可通过控制熔层横截面内基体熔化面积来实施，而基 体熔化面积是由激光能量决定的。 激光熔覆过程中，一方面为了获得冶金结合的熔覆层，必须使得金属 基材表面产生熔化，因此不可避免的有基材对熔覆合金的稀释，但是为了 保证熔覆合金的高性能，必须尽量减少基材稀释的有害影响，将稀释率控 制在适当的程度。另一方面在热影响区的互熔量是决定涂层合金与基体金 属结合强度的重要参数，互熔量太低会使结合强度下降。因此在激光熔覆 工艺中，既要保证结合区的互熔量，又要采取使熔层稀释率低的有效措施 来加大熔层厚度。试验证明”“：随着熔层厚度的增加，其稀释率迅速下降， 但熔层中各种缺陷如气孔、裂纹等产生的概率也随之增加，因此需采取适 当的工艺措施来避免，这方面也有待于更进一步的试验研究。 1 4 上海海事大学硕士学位论文：小模数齿轮激光熔覆修复工艺试验研究 影响稀释率的因素 影响稀释率的因素主要包括熔覆材料特性和工艺参数两方面，其中熔 覆材料的特性主要是指熔融合金的润湿性、自熔性和熔点o 工艺参数指激 光功率、光斑尺寸、送粉率和扫描速度等。 为了更好地说明稀释率对熔覆层特性的影响，根据对熔覆的进一步研 究，可以用名义稀释率和真实( 局部) 稀释率来解释，这恰好能反映熔覆 层与基体材料在熔覆过程中界面的相互熔合稀释率的概念。名义稀释率反 映熔覆层参数和工艺参数之间的相互关系，但不能反映熔覆层与基材界面 的相互融合状况。这是因为：熔覆层是层状结构( 如图2 - 2 ) ，真实稀释率 定义为： 真实稀释率叩= 两蟊葫雨甬季西量再耋芸凳攀攀墓篡丧丽磊焉雨甬露瓦画 图2 2 熔覆层结构示意 在同步送粉法中，若激光功率和光斑尺寸相同，基材的熔化深度和熔 覆层的稀释率主要取决于光束的扫描速度和送粉率。一定面积上单位时间 内的粉末积累得越多，则所需的熔化能量也就越大，这样基材的熔化层就 随之变浅，即送粉率起到热屏蔽的作用。在相同的激光工艺条件下，随着 送粉率的增大，稀释率则显著下降，因此可以认为送粉率是决定熔覆层的 最为关键的因素。 2 5 激光熔覆防开裂对策 激光熔覆组织分为三部分，即熔覆层、熔覆层和基材结合区及基材三 部分。熔覆层靠近基体为胞状晶组织，中部为柱状枝晶组织和等轴晶组织。 上海海事大学硕士学位论文：小模数齿轮激光熔覆修复工艺试验研究 熔覆层与基材的结合界面清晰，且无任何缺陷，形成紧密的冶金结合。但 在激光熔覆过程中很容易产生裂纹等内部缺陷。 2 5 1 裂纹产生的原因 在激光处理过程中，如果不采用特殊的工艺控制对基材的热输入量， 在涂层表面和涂层与基材的过渡区，极易产生裂纹。 激光熔覆层的残余拉应力是其开裂的主要原因，而这种残余应力主要 来自三个方面：热应力、相变应力和拘束应力。由于激光熔覆急冷急热的 特点，热应力的影响最为明显。热应力与熔覆层和基材的线膨胀系数有关。 当熔覆层线膨胀系数大于基材时，此时的热应力为拉应力，对控制熔覆层 开裂不利；当熔覆层线膨胀系数小于基材时，此时的热应力为压应力，可 以减少熔覆层开裂敏感性。熔覆层的线膨胀系数越小( 小于基材的线膨胀 系数) ，由此产生的残余压应力就越大，也就越有益于减少熔覆层的开裂敏 感性。可见减少熔覆层的线膨胀系数是减少熔覆层开裂敏感性的一有效途 径。但熔覆层的线膨胀系数也并非越小越好，它必须有一定的范围，超出 此范围时，易在基材表面形成残余拉应力，甚至造成基材开裂。另一方面， 熔覆层的熔化和凝固过程，交界面处基材的固态相变等都会产生体积变化， 均会产生组织应力。当这两部分应力综合作用结果表现为拉应力状态时， 容易在气孔、夹杂物尖端等处形成应力集中，导致裂纹产生。 激光熔覆层中的气孔是由于激光融化过程中有气体存在，而且在快速 凝固过程中由于来不及逃逸出表面所致，一般是由于溶液中的碳和氧反应 或者金属氧化物被碳还原形成的反应气孔，有时也存在固体物质的挥发和 湿气蒸发等非反应性的气孔。气孔的存在容易产生裂纹并扩展，因此控制 熔覆层内气孔是防止裂纹熔覆层裂纹的重要措施之一。一般从两个方面考 虑控制气孔的产生：一是采取防范措施限制气体来源，如采用惰性气体保 护熔池等；二是调整工艺参数，减缓熔池冷却结晶速度从而有利于气体的 逃逸。 2 5 2 抑制熔覆开裂的方法 抑制激光熔覆的开裂对开拓激光熔覆技术的生产应用具有现实的意 义，目前所采用的抑制熔覆开裂的方法主要有：调整应力状态，尽可能 1 6 上海海事大学硕