（机械工程专业论文）活塞杆激光硬化与修复工艺性能研究.pdf

传动 往复式压缩机的活塞杆、螺杆压缩机的螺杆等部件是压缩机的核心 重要部件，该类部件的局部磨损失效往往给企业带来极大的经济损 失与危害。这类部件技术要求高，生产周期长，价格昂贵，通过局 部修复恢复甚至强化其使用性能具有极高的经济意义。传统的修复 工艺( 如电镀、热喷涂) 存在着修复层结合强度低、工件易变形、 操作难度高等问题。本文作者采用先进的激光淬火、激光熔覆表面 强化技术对5 1 2 循环机活塞杆件进行了修复实验。实验结果表明： 激光修复层与工件属冶金结合，结合牢固、激光淬火硬化热处理杆 件变形小，淬火层深且硬度高，耐磨性能优良，装机运行完全满足 使用要求，因激光修复的自动化程度高，为该类部件的修复开辟了 新的有效途径。 关键字：激光熔覆，激光淬火，激光修复，磨损，杆件 i t h e s t u d y o fm o d e lr e d u c t i o nf o r d y n a m i c so f f l e x i b l em u l t i b o d ys y s t e m a b s t r a c t a b r a s i o no fs h a f t sw i d e l ye x i s t si nt h ep r o d u c t i o no fi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e m a n ya b r a s i o no fs h a f t ，s u c ha st h a to fg e n e r a t o rs h a f t ，b u m ps h a f ta n dd r i v es h a f t ， w i l ll e a dt og r e a te c o n o m i cl o s sa n dh a r m t h e s es h a f t sa r ee x p e n s i v ea n dn e e da l o n gt e r mt o p r o d u c e ，s ot h e yh a v eh i g h e rv a l u et or e p a i r 。t r a d i t i o n a lr e p a i r i n g t e c h n o l o g yi su n p e r f e c tw i t hl o w e rj o i n i n t e n s i t y ，l a r g ed i s t o r t i o na n dm o r ed i f f i c u l t o p e r a t i o n i nt h i sp a p e rw eh a v et h es h a f t t or e p a i ru s i n gl a s e rw e l d - c l a d d i n g t e c h n o l o g ya n dg e tag o o dr e p a i r i n gl a y e rw h i c hi sc l o s ej o i n e dw i t ht h eb a s eo fs h a f t t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n th a v es h o w nt h a ti t san e wg o o dw a yt or e p a i rs h a f t u s i n gl a s e rw e l d - c l a d d i n gt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：l a s e rw e l d c l a d d i n g ，a b r a s i o n ，s h a f t ，l a s e rr e p a i r 0罗肇 目录 1 1 前言1 1 2 激光表面淬火。3 1 3 激光表面熔覆3 1 4 激光表面处理技术的优点4 1 5 激光修复的应用6 1 6 本课题的目地、意义和研究内容6 第二章活塞杆的失效分析8 2 15 1 2 循环机的工作原理和技术特性8 2 25 1 2 活塞杆的失效分析8 第三章实验材料、方法与设备1 0 3 1 实验材料及试样制备10 3 1 1 熔覆材料1 0 3 2 实验设备n 3 2 1 激光器、工作台及控制系统且 3 3 实验方法丝 3 3 1 熔覆材料加入方法丝 3 3 2 激光淬火与熔覆l 艺丝 3 3 3 机械性能试验卫 3 3 3 1 硬度测试卫 3 3 3 2 磨损试验卫 第四章激光修复工艺的研究卫 4 1 激光熔覆旦 。 4 1 1 激光熔覆的工艺参数旦 4 1 2 稀释率对激光熔覆的影响竖 4 2 激光淬火监 第五章激光修复活塞杆的工艺与过程盟 5 1 所用设备及工艺监 5 2 表面螺线激光淬火垫 5 3 磨槽的激光熔覆丛 第六章修复性能的测试分析丝 6 1 金相组织丝 6 2 机械性能试验堑 m 一一1一 一 一论髡乳绪摘摘章 文文 一 中英第 【 6 2 1 硬度测试2 6 6 2 2 磨损试验2 7 第七章装机及性能测试2 9 7 1 活塞杆表面磨削处理丝 7 2 填料函组件单配加- j ：2 9 7 3 填料函组件组装及性能测试丑 第八章主要结论与建议丝 8 1 主要结论丝 8 2 建议3 2 参考文献翌 致谢堑 附录笪 ! r 哆 1 1 前言 第一章绪论 我厂各类大型往复式高压机较多，如5 1 2 循环机、2 n 4 5 红旗、3 d 2 2 及h 2 2 3 压缩机等，数量达2 0 多台，均为系统生产的关键设备，其长周期的高效稳定运 行是企业经济效益的根本保证。活塞杆是高压机的关键部件，实际工况下，通 常要求活塞杆具有较高的整体韧性，以防止疲劳断裂，而迫根局部段表面则需 要很高的硬度，以保证具备极高的耐磨性能。该类部件的局部磨损失效往往给 企业带来极大的经济损失与危害。这类部件技术要求高，生产周期长，价格昂 贵，通过局部修复恢复甚至强化其使用性能具有极高的经济意义。 因传统的修复工艺( 如电镀、热喷涂) 存在着修复层结合强度低( 机械或 半机械结合) 、涂层薄( 0 5 m m 则很难获得良好的涂层) 、工件易变形、操 作难度高等问题，目前国内中氮行业其往复式压缩机活塞杆的磨损修复几乎是 个空白，价值几千甚至几万元的活塞杆就因局部磨损而整体报废，一旦生产出 现异常工况导致活塞杆的非正常磨损，活塞杆的异常消耗直接造成企业巨大损 失。 激光技术是2 0 世纪最大的也是最实用的发明，是与热核技术、半导体、电 子计算机相媲美的一个举世瞩目的重大科技成就。自从第一台红宝石激光器于 1 9 6 0 年问世以来，激光技术已在工业、农业、国防、医学、科研等领域得到了 广泛的应用，其中尤以激光技术在材料加工领域中的应用发展迅速。随着中大 功率激光器的研制与使用，新的加工方法和新技术不断出现。在工业上，激光 被用于四大加工领域：切割、焊接、标记与热处理。2 0 0 0 年度在全球范围内， 工业激光按应用领域分配份额为切割3 2 ，标记3 0 ，焊接1 3 ，热处理1 3 ， 打孔4 ，其它8 。 激光加工就是将激光束照射到加工物表面，用以去除或熔化材料以及改变 物体表面性能，从而达到加工的目的。它加工速度快、无噪声。由于光束照射 到物体的表面是局部的，加工部位温度很高，对非照射部位影响甚微，工件材料 的热影响区很小，使工件基本无变形，工具无损耗。由于光束的能量和光束的 移动速度都是可以调节的，故它可以实现各种微细精密加工，这是一般机械加 工所不具备的。激光的使用，使一些工业部门迅速地改变了许多传统的工艺面 貌，形成了一门新兴的加工产业。 激光热加工的热源是高辐射强度的激光束。激光束经过光学系统聚焦后， 其激光焦点的功率密度为1 0 1 0 w c m ，加工工件置于激光焦点附近进行加 热。所以，激光热加工过程实际上就是高强度的激光束与金属表面相互作用的 过程。 在激光加热金属表面的过程中，金属材料表面会产生相变、熔化、气化， 金属内会受到热压缩激波的作用，金属表面会受到金属蒸汽和等离子体膨胀所 产生的骇波的冲击，同时，还伴随着等离子体的喷射、微观粒子的发射等各种 复杂的物理现象。激光热加工是激光与物质相互作用过程中，金属材料产生相 变、熔化、气化、激波和骇波冲击等现象的一种应用。上述各种现象能否发生 和产生的强弱程度主要取决于激光作用材料表面的时间、功率密度和峰值功率。 在现代激光材料加工技术中，有一个明显的发展趋势，即由一台孤立的设 备向一个完整的加工系统方面转化。因此现在的激光技术提供给用户的是一种 加工速度快的高功率的机床，决定生产率的已不再是激光设备本身了，而是物 流的自动化程度。同时，由于激光加工导致了零件结构设计的改变、质量的提 高以及加工流程的集成。因此，激光加工技术是计算机集成生产( c i m ) 的最适宜 的生产技术。 从激光工业加工的发展史看，激光首先用于打孔、焊接和切割，直到7 0 年 代初出现了大功率的激光器后，才为激光热处理技术的发展和应用提供了重要 的物质基础。到1 9 7 4 年，美国率先将激光表面热处理技术转入生产应用，开创 了激光应用的新阶段。 激光热处理就是以激光作为热源进行的材料表面热处理，也就是用激光束 扫描工件表面，其红外能量被工件吸收而迅速达到极高的温度，使金属表层发 生相变或熔化，或覆盖甚至溶入其它的金属、非金属元素，随后快速冷却下来， 达到工件表面改性的目的。激光热处理可分为：激光表面硬化、激光表面熔覆、 激光表面合金化、激光冲击硬化、激光上釉等。 本文对活塞杆件的激光修复主要采用的激光表面硬化( 淬火) 、激光表面熔 覆两种工艺。 2 r p l d 1 2 激光表面硬化( 淬火) 激光硬化是快速表面局部淬火工艺的一种新技术。这种方法主要用于强化 零件的表面，可以提高金属材料及零件的表面硬度、耐磨性、耐蚀性以及强度 和高温性能；同时可使零件心部仍保持较好的韧性，使零件的机械性能具有耐 磨性好、冲击韧性高、疲劳强度高的特点。激光硬化可以大幅度提高产品的质 量，成倍地延长产品的使用寿命，具有显著的经济效益。 常用的激光硬化工艺有激光相变硬化和激光熔化凝固硬化，各自的特点主要 是作用于材料上的激光能量密度的不同，并且与激光作用于材料上时间有关。 激光相变硬化是以高能量( 1 0 4 1 0 5 1 j l c m 2 ) 的激光束快速扫描工件，使被 照的金属或合金表面温度以极快速度( 1 0 l 1 0 6 s ) 升到高于相变点而低于 熔化温度。当激光束离开被照部位时，由于热传导作用，处于冷态的基体使其 迅速冷却( 可达1 0 5 s ) 而进行自淬火，进而实现工件表面相变硬化。激光 相变硬化与普通淬火的组成相相同，为马氏体、碳化物、残余奥氏体，但由于 加热速度和冷却速度极快，致使获得超细的晶粒度和各相相变组织、高度弥散 分部的碳化物和大量存在的位错，因而使得激光相变硬化组织具有比常规淬火 更为优异的性能。 激光熔化凝固硬化是以很高的激光功率密度( 1 0 5 一1 0 6 w c m q ) 在极短的时 f b j 内( 1 0 一1 0 5s ) 与金属交互作用，使金属表面局部区域在瞬间被加热到相当 高的温度使之熔化，随后借助于冷态的金属基体吸热和传导作用，使已熔化的 极表薄层金属快速凝固( 可达1 0 6 s ) 。激光熔化凝固硬化得到的是铸态组织， 因冷却速度极快，使熔层金属来不及转变成各相就保存下来，或得到极细的结 e 由组织，其硬度较高，耐磨性也较好。而其相变硬化区性能具有同激光相变硬 化工艺组织一样的优异性。 1 3 激光表面熔覆 涂覆或包覆是一个比较古老的概念。目前常用的涂覆方法有热喷涂、火焰 喷涂、等离子喷涂、各种焊接方法、激光束或电子束涂覆等。激光涂覆就是用 激光在基体表面覆盖一层薄的具有特定性能的涂覆材料。这类涂覆材料可以是 芬 r o 金属或合金，也可以是非金属，还可以是化合物及其混合物。与常规的表面涂 覆工艺相比较，激光涂覆具有涂层成份几乎不受基体成份的干扰和影响，涂层 厚度可以准确控制、涂层与基体的结合为冶金结合，十分牢固、稀释度小、加 热变形小、热作用区也很小、整个过程很容易实现在线自动控制。这是其它表 面技术难以实现的。 激光熔覆的工艺过程与激光合金化相似，但却有原则区别。激光合金化是 一种利用激光改变金属或合金表面化学成分的技术，在高能束激光的作用下， 将一种或多种合金元素快达熔入基体表面，从而使基体表层具有特定的合金成 分而不增加基体尺寸，用激光表面合金化的方法代替整体合金可以节约大量的 具有战略价值或贵重金属资源。激光熔覆则不是以基体上的熔融金属为熔剂加 入合金元素，而是用另行配置的合金粉末被激光熔化，成为熔覆层的主体合金， 同时基体金属也有一薄层熔化，与之构成冶金结合。熔覆层自成合金体系，具 备基体所缺少的高性能，从而拓宽了表面强化的范围。 激光熔覆技术是激光热处理技术发展最迅速、最具有广泛应用前景的技术 之一。利用该技术可以在低成本基体上制备耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、隔 热、绝缘、抗辐射、导电和生物功能等多种特性的表面强化层。为了达到熔覆 层的高性能，基体金属熔化愈少愈好，以便减少对熔覆层合金的稀释度，所谓 稀释度是指熔化的基材混入涂覆层而使涂覆材料成分降低的变化率。激光涂覆 时，要求其稀释度尽可能低。一般认为其稀释度应小于1 0 ，最好在5 左右， 以保证获得高性能的表面涂覆层。因而对熔化热量要予以严格的控制。 激光熔覆的目的在于提高工件表面的耐蚀、耐磨、耐热、减磨及其他特征。 另外也可用于对重要设备零部件磨损后的修复。激光熔覆优于等离子喷涂，因 为激光熔覆层与基体的结合是冶金结合，十分牢固。 1 4 激光表面处理技术的优点 激光热处理就是以激光作为热源进行的材料表面热处理，也就是用激光束 扫描工件表面，其红外能量被工件吸收而迅速达到极高的温度，使金属表层发 生相变或熔化，或覆盖甚至溶入其它的金属、非金属元素，随后快速冷却下来， 4 l k 忡 r 、 k 。 o 达到工件表面改性的目的。激光热处理可分为：激光表面硬化、激光表面熔覆、 激光表面合金化、激光冲击硬化、激光上釉等。 激光热处理与常规金属表面热处理相比，具有下列一些优点： ( 1 ) 加热和冷却速度特别快，具有自淬火作用。激光的功率密度能达到 1 0 6 w c m - 2 以上，能在极短瞬间内使金属表面被加热或熔化。由于加热区温度上 升极快，其热量来不及传导到加热区周围的冷金属上，致使周围金属冷基体起 到了超强冷却介质的作用，从而获得很好的自淬效果。且获得超细的晶粒度和 各相相变组织、高度弥散分布的碳化物和大量存在的位错，具有比常规淬火更 为优异的性能。 ( 2 ) 可实现形状复杂的零部件的局部表面处理。由于激光的可控性特别好， 故激光可以精确地按照任何复杂的几何图形局部地、有选择性地对金属表面进 行热处理，且处理深度和处理面积精密可控。为了使廉价的材料获得特殊的性 能( 耐磨、耐蚀等) ，可在这些要求零件具有特殊性能的部位进行激光合金化或 熔覆处理。若用其它热处理方法就难以达到目的，往往要进行整体处理，既浪 费了能源，又增加了成本。采用激光合金化工艺可以获得高的使用性能，降低 生产成本。 ( 3 ) 具有良好的可达性和工艺灵活性。激光热处理是一种无触点加工的方 法，借助于适宜偏转的反射镜，可使激光束指向工件的任何位置。原则上，只 要是光束可以达到的地方，特别是内表面的局部，都可以进行处理，如盲孔的 内壁或底部、零件的拐角、复杂的沟槽、深孔或齿轮牙等，这是感应或火焰等 常规处理方法难以实现的。 ( 4 ) 变形小。激光热处理的工件变形小，处理后能保持工件原有的表面粗 糙度( 激光表面相变硬化) ，省去了处理后因变形而需要的校正或精加工工序， 。 直接进行装配。这是由于激光加热集中在工件表面，且加热区域小，时间短， 热注入量少，因此无大量余热扩散，所以应力及变形小，工件表面氧化及脱碳 也很少。这一特点具有很高的经济性。 ( 5 ) 适于自动化生产。多工位、多自由度的激光加工系统在生产应用上是 用计算机控制的。在国外已实现高效率高精度的生产，国内也开始将微机用于 激光加工。激光的通用性好，一台激光器既可以作热处理用，也可以作焊接、 切割用。由于激光可以用反射镜进行远距离传输，故激光器不一定靠近工件， 适合于自动化生产。 k 埤 - i 1 5 激光修复的应用 目前国内进行传动部件修复的主要方法有电镀法、热喷涂法和电极焊法。 电镀法的镀层结合强度较低，耐磨性差，镀层的镀厚能力有限；热喷涂法和电 极焊法虽然修复层的结合强度较高，但是变形大，不适合大面积修复。 激光热处理技术的蓬勃发展，为该类部件的修复开辟了新途径。由于激光 热处理具有快速加热、快速冷却的特点，修复后不易产生变形；同时，修复层 与母体是冶金结合，耐磨性强；通过合理选择熔覆合金粉，修复层可获得比母 体还要高的性能；数控编程等手段的使用可以大大提高工作效率，也降低了现 场处理的难度。 许多的工模具及特殊工况结构件如涡轮发动机、汽轮机叶片、汽车发动机 轴颈、齿轮、阀座、气门、挺杆等要求表面有良好的耐磨性、耐蚀性及高温抗 氰化性，若采用整体材料来制造既浪费贵重金属，又无法兼顾工件对表面耐磨、 i 时蚀性与心部强韧性的不同要求：而采用传统的等离子喷涂硬化合金的方法又 存在涂层疏松、缺陷多、基体热影响区大、生产周期长等缺点；采用激光熔覆 可在廉价的钢材表面获得高性能的耐磨、耐蚀涂层，且涂层均匀致密、缺陷少、 成品率高，因此不仅为修复提供了新的途径，而且对大幅度降低制造成本具有 较大的经济意义。 1 6 本课题的目的、意义与研究内容 本课题的目的在于解决活塞杆目前磨损后用常规工艺无法修复的难题。另 外通过选材、激光表面硬化技术改造活塞杆传统制造工艺，使其提高使用寿命、 缩短生产周期、降低制造成本。 全国各类大型往复式高压机约有数千台，仅我厂就达2 0 多台，如5 1 2 循环 机、2 n 4 5 红旗、3 d 2 2 及h 2 2 3 压缩机等。大型往复式高压机一般均为系统生产 的关键设备，其长周期的高效稳定运行是企业经济效益的根本保证。活塞杆是 高压机的关键部件，其技术要求高、生产周期长、价格昂贵( 0 6 3 万元) 。实 际工况下，通常要求活塞杆具有较高的整体韧性，以防止疲劳断裂，而迫根局 部段表面则需要很高的硬度，以保证具备极高的耐磨性能。合金调质钢，因其 6 心 不但具有良好的综合机械性能和较高的淬透性，而且经济性好，而成为活塞杆 的常用材料，如4 0 cr 等，但因受传统表面硬化技术制约( 各种传统的表面硬 化技术如高频淬火、电火花淬火存在容易变形、质量均匀性差和成品率低等问 题) ，我厂目前使用的活塞杆均改用3 8 crm0a l a 氮化钢调质，迫根段进行表面 氮化处理，实践证明能较好地满足生产需要，但存在如下问题： l 、经济性相对差。因迫根局部段的极高的特殊性能要求和受传统表面硬化 技术制约，被迫整体提高选材要求，综合经济性相对差。 2 、氮化层薄0 2 0 3 mr r l ，磨损寿命不高。受传统维修技术制约，迫根 局部段的磨损失效即导致活塞杆整体报废，因使用数量大、价格昂贵而浪费较 大。 激光热处理技术的诞生和日渐成熟以及与常规金属表面热处理相比的5 大 优点使存在问题的解决成为可能，本课题针对性作如下研究和实验： l 、 活塞杆的失效分析。 2 、活塞杆的激光修复工艺和新活塞杆选材及激光局部表面硬化工艺研 究。 a 、活塞杆的重新选材和激光处理新工艺探讨。拟选用普通4 0 cr ，整 体作调质热处理，迫根段进行局部激光表面淬火处理。激光处理形 成表面马氏体改性层，硬度达h r c 6 0 6 5 ，深度达1 2 m 。同时表面 形成约卜1 2 m p a 的压应力，有利于改善受交变载荷的活塞杆的抗疲 劳能力，因此，激光处理的新制造工艺的运用能改善其经济性、提 高使用寿命。 b 、活塞杆迫根段的激光修复探讨。a 、先精加工以除去迫根段剩余氮化 层；b 、迫根段作螺旋线激光淬火处理；c 、用耐磨合金对局部较深 的磨痕( o 5 2 mm ) 进行激光熔覆修复：d 、精车、磨以达到表面 粗糙度要求。 活塞杆的激光修复和改变传统制造工艺研究在确保甚至改进活塞杆使用性 能的i ；i 提下避免了较大浪费，可显著降低制造成本和检修成本，同时也为其它 类似重要传动部件丌辟了激光修复的新途径，具有重要的经济意义。 7 冉 囊 ( 部分废弃的5 1 2 循环机活塞杆) 第二章活塞杆的失效分析 2 15 12 循环机的工作原理和技术特性 2 1 1 概述结构和原理 5 1 2 循环机用于氨气或甲醇气合成生产中，对通过合成塔反应后未合成的 原料气( h 2 、n 2 、n h 3 气或甲醇气，温度6 0 ) 提高压力，再次送往氨或甲 醇合成塔。 5 1 2 6 2 8 5 3 2 0 型循环机为二列对称平衡型。机身为箱形结构，其左右各 固定一个中体和一个相同型的气缸。箱体前后设有二个主轴承。曲轴为二拐二 支点，两个曲柄销互成1 8 0 0 角，通过联轴器与同步电机相联。 2 1 2 主要技术特性 表2 一1 名称单位参数名称单位参数 转速r m i n 3 0 0 打气量。m 3 m i n 6 进气压力 m p a 2 7 9 或1 1 6出气压力 m p a3 1 4 或1 3 3 4 气缸直径 m m1 6 5 活塞行程 m m3 2 0 2 2 活塞杆失效分析 一般活塞杆破坏的形式主要有磨损泄漏、裂纹和断裂。实践表明，除因疲 8 a 哇 劳应力导致活塞杆产生疲劳裂纹甚至断裂外，活塞杆的常见失效形式表现为迫 根段的纵向磨损泄漏。填料盒填料为聚甲醛及填充四氟，当活塞杆往复运动时， 杆件迫根段与填料产生磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损，无论是压缩介质中存 在硬质颗粒等杂质或填料盒安装产生偏差或填料质量差、活塞或十字头瓦磨损 下沉造成活塞杆跳动式往复运动等，其任何单一因素均将导致迫根段的非正常 磨损，若存在多种因素综合作用则更将导致快速的严重磨损，尤其是介质中存 在硬质颗粒等杂质所造成的纵向犁耘刮察作用，其拉伤犁沟长度可达整个行程， 深度可达0 2 2 o m m ，直接导致泄漏失效。 ： 本文中修复的5 1 2 循环机活塞杆如图2 1 所示： 1 、总长为2 3 9 0 m m ，材质为3 8 c r m o a i a 调质处理，硬度h b 2 3 5 2 7 7 。 2 、迫根磨损段7 0 表面氮化处理，氮化层深0 5 m m ，表面硬度h v 7 0 0 ， 粗糙度v o 4 。 3 、本次修复活塞杆磨损段为8 3 0 r a m 迫根段，表现为氮化层整体拉毛，纵 向硬质颗粒深磨槽一道，深达0 5 “2 o m m 。 图2 一l 9 k fio o k 。哦 阻 第三章实验材料、设备与方法 3 1 实验材料及试样制备 根据课题内容制备：4 0 c r 材料试件：6 0 2 0 园钢试件2 件；3 8 c r m o a i a 材料试件：6 0 2 0 园钢试件2 件。选择合适的熔覆合金粉，确定激光深层淬 火、激光熔覆工艺，均各作激光深层淬火、激光熔覆实验。 3 1 1 熔覆材料 的能国内外用于激光熔覆的合金粉末主要有以下两类： a 、自熔性合金粉末 自熔性合金，是自身能起溶剂作用的合金，即在重熔时合金本身有自脱氧 性能和自造渣性能。目前，国内外使用的自熔性元素是硼和硅。硼、硅能与大 多数合金元素( 如镍、钴、铁等) 形成低熔点共晶，使合金的熔点降低。目前 国内外生产的自熔性合金粉末可分为镍基、钴基和铁基三大类啪3 。w c 型自熔性 合金粉末，是在上述三大类合金中加入一定量的高硬度的w c 制成的。 b 、复合粉末 复合粉术的成份，可以是金属与金属、金属与陶瓷、陶瓷与陶瓷、金属与塑 料、金属与石墨等，几乎包括所有的固态工程材料。 本实验中所用的为钨基和钴基自熔性合金复合粉末。其中钴基合金粉末抗 磨损性能高，室温硬度高达h r c 6 0 ，即使在8 0 0 c 高温下仍能保持可用的硬度。 耐高温性能最好，1 0 8 0 c 时，还具有良好的抗氧化性能乜，此外耐震、抗蠕变、 抗腐蚀性能也都好。 实验选用w 、c o 类超细硬质合金粉作为熔覆材料，因为w 、c o 硬质合金元 素的弥散强化作用，可使熔覆合金层的硬度大大提高，进而满足活塞杆抵抗磨 损力。 l o 龟 k 3 2 实验设备 3 2 1 激光器、工作台及控制系统 试验所用的设备主要是激光设备、辅助设备以及检验设备，具体包括： 1 、激光器为横流c o 。激光器，其最大输出功率为7 k w ： 2 、采用数控机床系统控制激光头、工作台、工件等作多轴运动； 3 、专用的氩气气体保护设备； 4 、同步送粉装置，微观组织分析：在金相显微镜下进行金相组织分析； 用显微硬度仪进行覆层与基体结合界面附近硬度分布的检测。 5 、后续加工设备： 6 、后续检验设备； 图3 一l 、实验所使用的大功率c 0 2 激光加上系统 矗 q 3 3 实验方法 3 3 1 熔覆材料加入方法 目前在激光修复中所使用的加入粉末的方法主要有三种： a 、手涂法和涂料喷涂法：用粘结剂与合金粉末调成膏状用手刷涂，或用压 缩空气用喷枪喷涂。喷涂的工作压力为o 3 0 5 m p a ，喷枪距离工件表面约为 3 0 0 4 0 0 m m 。喷涂后可自行干燥，涂层最小厚度可控制在5 0 u m 左右。b 、热喷涂 法热喷涂是将喷涂粉末加热到可以互相粘结的状态，并以一定的速度喷射到基 体表面，形成喷涂材料覆盖层的技术，然后进行激光重熔。如火焰喷涂、等离 子喷涂等。等离子喷涂的加热温度范围大，在激光熔覆中采用的较多。喷涂前， 基体表面要认真进行表面预处理( 去油、去锈) 、并要进行适当的预热。预热温 度一般在1 0 0 5 0 0 温度范围内乜羽，按喷涂材料、零件尺寸、形状综合考虑确定。 c 、送粉法：用专门设计的送粉器将粉末直接送入熔池，可一次完成整个激光熔 覆过程。 在本实验中采用的是手涂预置法。 3 3 2 激光淬火与熔覆修复工艺 用4 轴联动多功能7 k w 横流c o 。激光加工系统，采用宽带聚焦镜输出光斑调 至1 0 - k2 m m 。试样编号、搭接量及工艺参数如表3 一l 所示： 表3 一l 材料及编号工艺参数( 宽带) 功率( k w ) 标高扫描速率 光斑 ( m m ) 1 撑4 0 c r 激光淬火 3 0 02 1 0 2 0 0 m m m i n1 0 * 2 m m 2 f f4 0 c r 激光熔覆3 1 01 8 02 0 0 m m m i n1 0 * 2 m m 3 拌3 8 c r m o a i 激光淬火3 0 0 3 1 52 l o2 0 0 m m m i nl o 2 m m 4 撑3 8 c r m o a i 激光熔覆 3 1 0 3 2 01 8 02 0 0 m m m i n1 0 2 m m 为防止多道搭接时产生裂纹、气孔等缺陷，对试件预热3 5 0 , - 一4 0 0 c ，修复 后4 0 0 保温、缓冷至室温。 ，舔 f 3 3 3 机械性能试验 3 3 3 1 硬度测试 用显维硬度法确定硬化带，用h x d - 1 0 0 0 型显维硬度仪，载荷2 0 0 9 ，在 激光处理后的试件上取下分析试样。从熔覆层表层向金属基体方向每2 0um 打 一个显微硬度，采用h d x 1 0 0 0 数字式显微硬度仪测量硬度，最后作出显微硬 度分布曲线图。 3 3 3 2 磨损试验 为研究激光熔覆层的耐磨损性能，制作了激光熔覆试样，将试样切割成 5 m m 的试样块，然后在m p x 一2 0 0 0 型销盘式摩擦试验机上进行耐摩擦磨损试 验，负荷分别为9 0 0 n ，上轴转速1 1 0 2 转分。负荷和转速进行正交优化实验方 案。 第四章激光修复工艺的研究 4 1 激光熔覆修复工艺 按工艺流程，与激光熔覆相关的工艺主要是基材表面预处理方法、熔覆材 料的供料方法、预热和后热处理。激光熔覆工艺流程中，预热并不是必须的， n 视基材和熔覆材料的特性等情况决定取舍。激光熔覆按熔覆材料的供给方式 大致可分为两大类，即预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。预置式激光熔覆是 将熔覆材料预先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描熔化，熔 覆材料以粉末的形式加入最为常用。 本实验采用预置式激光熔覆，其主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理一 预置熔覆材料一预热一激光熔化一后热处理。表面预处理是为了除掉基材熔覆 部位处的油污和锈蚀，以使其表面状态满足后续的预置熔覆材料熔覆的要求。 如不严格对基材表面进行预处理，则易导致预置层或熔覆层产生裂纹、起泡或 剥落等缺陷。( 1 ) 、喷涂表面的预处理。用于火焰喷涂或等离子喷涂的基材表面， 需进行除油和喷砂处理。除油可采用溶剂清洗法或2 6 0 、4 2 0 c 的加热法。常用 的清洗剂有三氯乙烯、全氯乙烯、乳化液或碱液等。喷砂是为了除掉基材表面 的锈蚀，并使其毛化，以利于热喷涂粉末的附着。在熔覆表面较小时，亦可采 用干净的砂轮磨削除锈毛化。如基材表面有电镀层、渗碳层和氮化层等，则要 先将其消除干净，再按上述方法处理。经表面预处理后的基材或零件，不宜久 置于空气中，最好在4 h 内使用，以防再次污染。( 2 ) 、非喷涂表面的预处理。 采用粘结法预置熔覆材料或同步供料法熔覆时，其基材熔覆表面也必须进行除 油和除锈处理，但对毛化的要求一般不如热喷涂表面那样严格。 4 1 1 工艺参数 影响激光熔覆层宏观和微观质量的因素包括：激光功率( p ) 、光斑直径( d ) 、 扫描速度( v s ) 、搭接系数( a ) 、送丝速度、堆焊厚度以及基体与涂层材料的热 物性参数等。这些影响因素分为激光参数、材料性能、加工工艺、环境条件四 个方面。尽管所涉及到的影响因素很多，但实际上可调参数并不多。由于基材 和堆焊材料是根据使用性能并考虑其工艺特点而选定的，因此激光器一旦给定， 相应的光学条件如最大功率及激光光斑输出模式就确定了。光斑直径可通过散 焦和加组合镜来调节，余下的主要有比能量e s 和离焦量、气体保护、预热与后 处理等。 1 、激光比能量e s 比能量e s 与激光功率和扫描速度有关。e s - - p d v ，其中激光器输出功率 p ，光斑直径d ，扫描速度v 。由于光通过反射镜和聚焦镜时有少量损失，所以 实际入射到工件表面上的功率要比激光输出功率稍小。激光的输出功率越高， 激光的功率密度就越高，金属所吸收的热量就越多，则熔覆的效率就越高。考 虑到在线生产的效率，在生产中尽可能选用高的激光功率。扫描速度对稀释率 的大小有很大的影响。扫描速度的减小，稀释率增大。 激光比能量对熔覆层的性能影响很大。如果激光比能量太低，会造成合金 粉未熔或熔的不完全，容易产生裂纹和气孔；激光比能量过高，熔池太深，稀 释率太大，激光修复层显维组织粗大，硬度会降低，同时表面也会产生凹凸不 平的现象5 1 弋盯。 2 、离焦量 1 4 由于激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔，而在离开激光 焦点的各平面上，功率密度分布则相对均匀。因此激光焊接通常需要一定的离 焦量。离焦量f 是指熔覆时工件表面距激光焦点的距离。如果工件表面与焦 点位置重合，则f 为零。工件表面在焦点位置以上，则规定f 为负值，反之 则为正值。 离焦量的大小是一个重要的工艺参数，它不仅改变熔覆时光斑的直径大小， 而且改变光束的入射状况，对熔覆的熔深和横截面形状有明显影响。表面光斑 随径随离焦量增加而增大。 图4 - 1 离焦量示意图 0 3 、保护气体 在激光熔覆中常使用惰性气体来保护熔池，某些材料如不锈钢等抗氧化性 较好则可不考虑保护，但对大多数应用场合则常采用氦、氩、氮等气体作保护， 使工件在焊接过程中免受氧化。 氦气不易电离( 电离温度较高) ，可让激光束顺利通过，光束能不受阻地直 达工件表面，是激光熔覆时使用最有效的保护气体。但是氦气的缺点是价格昂 贵，实际生产中所需成本较高。h i r o y u k im a t s u m u r a 等人研究了激光焊中用其 它气体代替氦气的可能性隅】。氩气较便宜，由于其密度较大，所以保护较好。 氮气甚至压缩空气作为保护气就更便宜。在熔覆速度高于3 m m i n 时，使用氮气 可获得的熔深与使用氦气的几乎完全相同。在同一速度下，使用氩气获得的熔 深则稍有下降。因此，实际生产中一般使用氩气、氮气和空气。 激光熔覆过程中保护气体有三个作用：一是保护熔覆金属不受有害气体侵 袭，提高熔覆层性能；二是保护聚焦透镜免受金属蒸气污染和液体熔滴的溅射， 特别是高功率激光熔覆时，其喷出物更强有力，保护透镜更为必要；三是驱除 高功率激光熔覆产生的等离子云。然而等离子云屏蔽现象通常只出现在c 0 。激光 熔覆中，对于y a g 激光熔覆，一般不产成等离子云，即使出现了少量等离子云， 短波长的y a g 激光也能穿过。因此y a g 激光熔覆中的保护气选取原则与c o ：激光 熔覆的有所不同，主要是保护聚焦透镜不受金属蒸气的污染。在实践中，我们 采用压缩空气作为透镜保护气在工件表面进行横向吹气，阻止金属蒸气污染或 会属飞溅损伤透镜。而采用氩气或氮气进行熔池保护，不让有害气体侵袭熔覆 会属。 4 1 2 稀释率对激光熔覆的影响 稀释率是在激光熔覆中由于熔化的基体材料的混入而引起熔覆合金成分 的变化程度用基材合金在熔覆层中所占的百分率来表示，在本文中采用熔覆层 横截面积的测量值来计算稀释率。其计算公式为 刁= 焘 式中r 为稀释率，a 为基材熔化区的横截面积，4 为基材熔覆层的横截 面积 随着送粉速度的增加熔覆层的高度增加，与粉末熔覆方式不同的是当保持送粉 速度和扫描速度保持不变时，增加激光功率密度熔覆层的宽度没有明显的改变， 熔覆层溶池的深度增大，这是由于激光熔覆时溶池附近积聚了大量的热量，熔 覆溶池中的热量传向基体和空气中，增加单位面积的能量输入导致熔覆的熔池 尺寸增大。但是熔池的宽度尺寸变化不大1 ，熔池的深度增加，稀释率增大。 保持一定的激光能量密度和扫描速度，增加送粉速度单位时间内的材料增大， 材料吸收的能量增加而基体吸收能量降低，基体熔化的体积减少引起熔覆层的 合会成分的变化程度减小即稀释率小。当激光能量密度与送粉速度保持一定时， 增大扫描速度，单位距离的熔覆层输入的热量减小，熔深减小。为了获得冶会 1 6 结合的熔覆层，必须要使基材表面熔化。基材对熔覆合金的稀释是不可避免的， 为了保持熔覆合金的高性能就要尽量减少基材稀释的影响，将稀释率控制在 7 5 0 ，深 1 5 m m 。 5 3 磨槽的激光熔覆 修复前对磨槽作表面预处理，采用干净的抛光砂轮对磨槽进行磨削除锈毛 化。 ， 对于碳当量较高的金属材料，为防止产生裂纹、气孔等缺陷，应考虑施加预 热、保温、缓冷以及修复后热处理等方法。由于开裂与工件金属的碳及合金元 素的质量分数有关，所以预热温度必须依据工件材料的碳当量来估算。实验表 明，对活塞杆磨槽及周围预热3 5 0 - 一4 0 0 c 并除油，修复后4 0 0 c 保温、缓冷至 室温。 采用预制法对磨槽手工涂粉。 实验选用a l 和c 2 两种w 、c o 类超细硬质合金粉材料按1 ：l ( 质量比) 搭配 为熔覆材料，因为w 、c o 硬质合金元素的弥散强化作用，可使熔覆合金层的硬 度大大提高，进而满足活塞杆抵抗磨损的能力。 a l 和c 2 两种w 、c o 类超细硬质合金粉的具体成分如下表所示： a c c e l e r a t i n gv o l t a g e ：2 5k e y l i v et i m e ：l0 0s e c o n d s 2 l t a k eo f f a n g l e ：3 2 419 0 d e a dt i m e ： 5 0 5 2 - 迅 _ - k ， ， l i v et i m e ：l0 0s e c o n d s d e a dt i m e ：2 4 7 0 4 p e a ki d e n t i f i c a t i o nr e s u l t s m o nm a r0 81 3 ：3 2 ：3 72 0 0 4i c 2 p r o z ac o r r e c t i o na c c v o l t 一1 5k vt a k e 。o f fa n g l e - 3 2 4 2d e g n u m b e ro fi t e r a t i o n si3 e l e m e n tk - r a t i o z a fa t o m e l e m e n tw t e r r ( c a l c j w t ( 1 s i g m aj s i - k0 0 1 6 41 5 8 65 5 l2 6 l+ i - 0 1 0 c r - k0 0 6 4 40 8 8 96 5 35 7 2+ i - 0 0 9 f e k0 0 2 0 20 9 6 82 0 81 9 6 + - 0 2 3 c o - k0 7 6 6 2 0 9 9 8 7 7 0 67 6 4 7+ i - 0 6 3 n i - k 0 0 6 8 50 9 6 16 6 66 5 8 + - 0 2 7 w l0 0 4 7 5i 4 0 42 1 56 6 7+ - 0 7 9 t o t a l1 0 0 0 01 0 0 0 0 元素 c ow c rf e n i 含量 49 3 34 2 2 42 860 9 83 43 冒干二一v 、r ， 掣，f ，7 蠕铡，r f 孽盯耳甲唧一一 j 埘、珂 l 。 ，0 二篆r 簸毫戮畿磅岁j ! 、：生簪：i - 毋矗弩键辩簿糯蟛够释潲鼯粥够静哆努电 ；j 。i 蟹絮哞琴l a ：l 蕊 i - 罩：，。窜戈o ：q l 搿瓣 懑澄鬻黪潮 二移：藏 、蓉渤 鞲馔孵隳簪? 灞 ； “懈泌。 ：j 秀雾秘；警誊暮警犍 c own i c r f e 图5 2 主要合金元素质量百分含鼍 印 们 加 m o 心 、l 激光熔覆工艺参数： 用4 轴联动多功能7 k w 横流c 0 2 激光加工系统，采用宽带聚焦镜输出光斑调 至1 0 2 m m 。 功率( k w ) ：3 标高( m m ) ：。1 8 0 扫描速率( m m m i n ) ：2 0 0 选用w 、c o 基为熔覆材料是因为硬质合金元素的弥散强化作用，使合金层 的硬度大大提高，进而满足了活塞杆抵抗磨损的能力。 经激光熔覆表面远远比常规工艺修复均匀，后续加工余量小。 结果如下： ： ：。 基体硬度：活塞杆经激光修复后，表层组织细小，无变形，表面均匀；修复 层硬度比基体高4 0 0 h v ，即同时起到了强化的作用；修复层与基体呈冶金结合， 结合牢固。 第六章修复性能的测试分析 6 1 金相组织 在相同的激光修复工艺条件下对表6 一l 中所列1 # 一4 # 材料试样进行激光 熔覆、激光淬火处理。这个处理过程与活塞杆的激光修复处理相一致。试样的 硬度，金相组织基本可以代表活塞杆的真实情况。 表6 一1 材料及编号工艺参数( 宽带)