產品知識

  • 2017-07-04

    激光快速熔覆技術在鋼鐵行業的廣泛應用

    激光熔覆技術在最近兩年內應用范圍越來越廣泛。我國有數萬億元的裝備在服役之中,每年因其關鍵零部件的腐蝕、磨損,使設備停產、報廢造成的損失占國民經濟總產值的3%~5%。激光表面改性技術在工業生產中易損易耗零部件的表面強化與制造方面發揮了重要作用。我國經過幾個五年國家科技攻關計劃,使該技術已在多個領域得到了應用,尤其是在鋼鐵行業中。

    “目前因大多數鋼鐵企業在加工生產過程中會產生大量的高載荷、低轉速及高精度、高合金的承載設備,且部分零部件極易產生腐蝕、磨損和失效報廢等現象,但自從激光熔覆技術的投入使用,很好的解決了這些問題,不僅可對零部件進行改善和修復,且還大大節省了鋼鐵企業的成本。”據金模鋼鐵網首席研究員羅百輝介紹,目前全國鋼鐵行業每年只是各種軋鋼生產線上的重要零部件所消耗的費用就達80億元。傳統方法主要是更換這些設備零部件,甚至因部分零部件的損壞而無法報廢需要更換整機,為了確保生產效率,則需要更換大量的備件,總得計算下來會占用巨額的資金和資源。為了改善此現狀,國內研發出了一系列高新技術,比如激光快速熔覆技術、激光快速成形制造技術、激光納米合金化和表面強化技術等高新技術的應用,為這類設備和零部件的修復開辟一條嶄新的道路。

    激光快速熔覆技術的廣泛應用,可有效解決失效、報廢設備及零部件現象,也可延長一些新產品的使用壽命,甚至可達到多壽命周期的效果。比如中間軸、傳動齒輪齒輪軸和殼體等經過激光仿形熔覆技術和快速成形技術修復后,就可恢復到原有新件的技術指標。

    激光熔覆工藝發展現狀及前景分析

    激光熔覆( 亦稱激光堆焊) 是指以不同的添加方法在被熔覆的基體上放置選擇的涂層材料,經高能密度激光束輻照加熱,使之和基體表面熔化,并快速凝固,從而在基材表面形成與其為冶金結合的表面涂層的工藝過程。激光熔覆具有如下優點:

    1) 激光束的能量密度高, 加熱速度快,對基材的熱影響較小,引起工件的變形小;

    2) 控制激光的輸入能量,可將基材的稀釋作用限制在極低的程度(一般為2%-8%),從而保持了原熔覆材料的優異性能;

    3) 激光熔覆涂層與基材之間結合牢固(冶金結合),且熔覆涂層組織細小。這些特點使得激光熔覆技術近十年來在材料表面改性方面受到高度的重視。

    大面積激光熔覆工藝方法主要有兩種:多道搭接和多層疊加,即從橫向和縱向兩個方向進行的加工處理。多層疊即先在基體上進行第一次熔覆,然后在熔覆后的涂層上進行二次粉末預置,待粉末干燥后進行第二次熔覆,按此方式繼而完成多層熔覆,不同層可以預置不同的粉末,從而達到不同的預期效果。

    1.1 激光熔覆材料體系

    (1) 自熔性合金粉末:可分為鎳基自熔合金、鈷基自熔合金和鐵基自熔合金,其主要特點是含有硼和硅,具有自脫氧和造渣能力, 即自熔性。自熔合金的硬度與合金含硼量和含碳量有關,隨硼、碳含量的增加而提高,這是由于硼和碳與合金中的鎳、鉻等元素形成硬度極高的硼化物和碳化物的數量增加所致。

    (2) 碳化物復合粉末體系:由碳化物硬質相與金屬或合金粘結相組成,主要有(Co、Ni)/WC和(NiCr、NiCrAl) Cr3C2等系列。這類粉末中的粘結相能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解。碳化物復合粉末作為硬質耐磨材料,具有很高的硬度和良好的耐磨性, 其中(Co、Ni)/WC 系適應于低溫(<560℃)的工作條件,而(nicr,nicral)>

    (3) 氧化物陶瓷粉末:具有優良的抗高溫隔熱、耐磨、耐蝕等性能,主要分為氧化鋁和氧化鋯兩個系列, 而后者比前者具有更低的熱導率和更好的抗熱震性能,因而廣泛用作熱障涂層材料。

    1.2 激光熔覆工藝種類

    激光熔覆的工藝可以分為兩種:一種是激光處理前供給添加材料,即粉末預置法;另一種是激光處理過程中同步供給添加材料,即同步送粉法。粉末預置激光熔覆是將材料事先放置于基體材料表面的熔覆部位,然后采用激光束輻射掃描熔化,熔覆材料可以采用粉末、絲材或板材的形式加入,其中,以粉末的形式最為常用。絕大多數研究采用粉末預置方式。預置涂層式激光熔覆的主要工藝流程為:基體熔覆表面預處理、預置涂層材料、預熱、激光熔化、后熱處理。同步送粉式激光熔覆是將熔覆材料直接送入激光束中,使供料和激光熔覆同時完成。熔覆材料的加入方法主要是以粉末的形式送入,有時也會采用線材和板材的形式進行同步送料。對于熔覆面積比較大的零件可采用同步送粉法。此種方法送粉量可以調節,同步送粉器可以連續工作,因而熔覆效率高,適用于實際生產中大批零件的表面激光熔覆。同步送粉式激光熔覆的主要工藝流程為:基體熔覆表面預處理、送料激光熔化、后熱處理。

    1.3 激光熔覆工藝參數

    激光熔覆工藝參數主要包括激光功率P、光斑尺寸(直徑D或面積S)、激光掃描速度V、多道搭接的搭接率或多層疊加的停光時間、涂層材料的添加方式和保護方式等。上述工藝參數是決定激光熔覆涂層宏觀力學性能、微觀組織結構的關鍵因素。目前工藝參數的選擇是以試驗歸納為主,文獻研究了寬帶激光熔覆工藝參數對梯度生物陶瓷涂層顯微組織與燒結性的影響。結果表明,當D、V 不變時,隨著P 增加,涂層的致密度逐漸下降,孔隙率逐漸增大。試驗表明,粉末的種類、數量和粒度不同,激光熔覆的工藝參數變化很大。

    1.4 激光熔覆涂層的性能

    (1) 耐磨性能

    (2) 耐蝕性能

    WangA H等利用YAG激光器對SiC增強ZK60(Mg-6%Zn-0.5%Zr)鎂基復合材料熔覆Al-Si合金,使復合材料極化曲線出現明顯的鈍化,腐蝕電位有很大的提高,腐蝕電流密度明顯降低。胡乾午對Mg-SiC復合材料噴涂銅合金,然后用2 kW- Nd:YAG激光器進行激光熔覆,熔覆后表層Cu60Zn40合金與Mg-SiC基體熔合良好,激光熔覆試樣的腐蝕電位Ecorr比未處理的提高3.7倍,其相對腐蝕電流密度Jcorr降低約22倍。

    2. 激光熔覆技術的應用

    激光熔覆是新型的局部表面處理方法,是未來工業應用潛力最大的表面改性技術之一,具有很大的技術經濟效益,其應用大致體現在以下幾個方面:

    2.1 在汽車工業中的應用

    早在十幾年前,歐洲汽車工業就開始將高功率激光器用于車身的焊接和切割。由于汽車的發動機閥、汽缸內槽、齒輪、排氣閥座以及一些精密微細部件需要高的耐磨耐熱以及耐蝕性能,因此激光熔覆有了很廣泛的應用,例如在汽車發動機鋁合金缸蓋門座上激光熔覆直接成型銅合金閥門座圈,取代傳統的粉末冶金/壓配座圈,可以顯著改善發動機的性能,降低生產成本,延長發動機閥門座圈的工作壽命。

    2.2 在航空航天中的應用

    鈦合金雖然已經在航空航天部門廣泛使用,但是其摩擦系數大,耐磨性差,在其表面熔覆一層增強材料就能顯著的改善表面性能。如NiCrBSi 和NiCoCrAlY 合金粉末均為常用的熱噴涂材料,其涂層致密、結合強度大,耐腐蝕、耐高溫,抗氧化性也很優良。

    2.3 模具方面的應用

    模具的使用壽命在很大程度上決定了一些設備的生產率和生產成本,經過激光熔覆處理過的模具,其表面硬度、耐磨性、抗高溫性等都有顯著的提高,從而提高了使用壽命。

    2.4 軋輥行業中的應用

    軋輥是軋鋼工業中耗用量較大的工具,作為軋鋼機直接的工作部件,它的質量直接關系到軋板、帶材的產量和質量,因此用激光熔覆對其進行處理已成為目前普遍關注的問題。

    2.5 生物醫用方面的應用

    不銹鋼、鈦及其合金作為生物醫用材料,因其具有良好的力學性能而受到人們的普遍歡迎,但其較差的耐蝕性、生物相容性及金屬離子潛在的毒副作用卻使它在機體中的應用受到極大限制,在基材TC4 表面進行激光熔覆原位合成與涂覆羥基磷灰石(HA)等生物陶瓷的改性方法因合成HA 效率高、工藝新穎、操作方便而引起廣泛關注。

    3. 激光熔覆工藝存在的問題

    評價激光熔覆層質量的優劣,主要從兩個方面來考慮。一是宏觀上,考察熔覆道形狀、表面不平度、裂紋、氣孔及稀釋率等;二是微觀上,考察是否形成良好的組織,能否提供所要求的性能。此外,還應測定表面熔覆層化學元素的種類和分布,注意分析過渡層的情況是否為冶金結合,必要時要進行質量壽命檢測。目前研究工作的重點是熔覆設備的研制與開發、熔池動力學、合金成分的設計、裂紋的形成、擴展和控制方法、以及熔覆層與基體之間的結合力等。

    裂紋是大面積激光熔覆技術中最棘手的問題。裂紋產生的主要原因是熔覆層中存在的殘余應力,包括熱應力、組織應力和約束應力。由于激光束的快速加熱,使得熔覆層完全熔化而基體微熔,熔覆層和基體材料間產生很大的溫度梯度,在隨后的快速凝固過程中,形成的溫度梯度和熱膨脹系數的差異造成熔覆層與基體體積收縮不一致,而且一般而言,熔覆層的收縮率大于基體材料,熔覆層受到周圍環境(處于冷態的基體) 的約束,因此在熔覆層中形成拉應力。當局部拉應力超過材料的強度極限時,就會產生裂紋。實際上固態金屬在冷卻的過程中還受到由于基體材料中馬氏體相變而引起的組織應力的影響。但是由于在快速凝固過程中,各處的體積收縮極大的不同時性,因此熱應力的影響占主導地位。

    此外,裂紋的產生也受到熔覆過程中工藝參數、熔覆層和基體材料、熔覆層厚度以及處理工藝等多種因素的影響。激光加熱冷卻速度極快,熔池存在的時間極短,使得熔覆層中存在的氧化物,硫化物和其它雜質來不及釋放出來,很容易形成裂紋源;熔覆層在瞬間凝固結晶,晶界位錯、空位增多,原子排列極不規則,凝固組織的缺陷增多,同時熱脆性增大,塑韌性下降,開裂敏感性增大,熔覆層越厚,上述情況就越明顯;自熔性合金元素B 和Si 能夠生成硬質相,其含量越大,形成裂紋的傾向越嚴重;此外,B 在Fe 及Ni 中的溶解度均為零,因此析出物聚集于晶界易引起裂紋。鐘敏霖等對NiCrBSi 合金在送粉激光熔覆條件下裂紋形成的因素進行了研究,趙海鷗等人的研究表明,激光熔覆的多道搭接和重疊多次熔覆均會增大熔覆層的裂紋敏感性,激光熔覆前試樣進行預熱和單道熔覆后的回火去應力均會顯著降低裂紋敏感性;董世運等發現在熔覆層與基體界面交界處存在宏觀裂紋,在熔覆層頂層存在微裂紋,且界面處和熔覆層頂部產生了最嚴重的應力集中。

    4. 激光熔覆技術前景展望

    激光熔覆技術是一種新興的表面處理技術,有著很大的發展前景。為拓寬激光熔覆技術的應用領域,以下工作應進一步研究:

    (1) 研究大功率、高壽命和小型化的激光裝置。①研制適用于大功率激光的光學器件材料②提高電源的穩定性和壽命③大功率激光裝置的小型化。

    (2)熔覆工藝探索研究熔覆層產生殘余應力和裂紋的機理,尋找出有效的解決方法。梯度功能涂層的開發為解決裂紋問題提供了新思路。采用在基底材料和熔覆層之間設置韌性良好的中間層的方法來緩解熔覆層中的殘余應力能獲得無裂紋的熔覆層。

    (3)基礎理論研究從凝固動力學、結晶學和相變理論出發,系統研究激光快速凝固行為,揭示材料微結構的形成、演化機理及其規律;研究熔池的溫度場分布, 熔池流的對流機制,冷凝時熔覆層內發生的組織變化過程及其規律,進而完善加工工藝參數。


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