王爭(zhēng)強(qiáng)，李文戈,杜 旭,趙遠(yuǎn)濤

(1.上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306；2.云南滇中城市建設(shè)投資開(kāi)發(fā)有限公司，昆明 650000)

0 引 言

軸類零件是船舶、海洋工程等機(jī)械裝備最常用的典型部件之一，起到支撐其他部件轉(zhuǎn)動(dòng)并傳遞扭矩的作用。軸類零件的性能直接影響到機(jī)械裝備運(yùn)行的平穩(wěn)性和工作系統(tǒng)的使用壽命[1]。然而在服役過(guò)程中，軸類零件表面往往需要承受摩擦、擠壓和沖擊等綜合作用，從而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，部分會(huì)因負(fù)載過(guò)重、強(qiáng)度不足以及腐蝕等因素發(fā)生失效[2-5]?；?、斷裂、磨損和腐蝕是軸類零件的主要失效形式，其中磨損失效最為常見(jiàn)[6]。軸類零件的失效行為會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)械裝備的正常運(yùn)行，甚至造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，因此必須及時(shí)進(jìn)行更換或修復(fù)；但更換新軸所需工期長(zhǎng)、成本高，還會(huì)造成資源浪費(fèi)，導(dǎo)致違背“減量化、再利用、資源化”的綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)原則[7]。采用表面增材技術(shù)對(duì)失效軸類零件進(jìn)行再制造，可延長(zhǎng)其使用壽命[8]；該方法綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益高、快捷方便，因此受到越來(lái)越多的關(guān)注。

近年來(lái)，應(yīng)用于軸類零件的再制造技術(shù)主要有激光熔覆[9-10]、電鍍[11]、熱噴涂[12]和堆焊[13]等。其中，電鍍涂層的結(jié)合力與耐磨性一般，不能很好地滿足零件在高速旋轉(zhuǎn)摩擦工況下的使用要求；熱噴涂涂層與基體的機(jī)械結(jié)合力較弱，且其孔隙率較高，對(duì)基體承載能力較為不利；激光熔覆技術(shù)則具有綠色環(huán)保、可控性好、方便快捷和高效等特點(diǎn)，其熔覆層稀釋率低、表面完整，與基體冶金結(jié)合良好，通常表現(xiàn)出優(yōu)于基體的耐磨、耐腐蝕及抗疲勞性能[14]，因此廣泛應(yīng)用于模具修復(fù)[15]、軸類零件修復(fù)[16]及軋輥表面強(qiáng)化[17]等方面。軸類零件的激光熔覆再制造過(guò)程由預(yù)處理、激光操作和后處理[18-19]3部分組成。預(yù)處理包括軸件清潔、部分軸件預(yù)熱以及熔覆材料烘干；激光操作即在最優(yōu)工藝條件下進(jìn)行激光熔覆過(guò)程；后處理包括零件各項(xiàng)性能檢測(cè)、精度檢測(cè)和切削加工等。其中，激光操作部分熔覆材料和激光熔覆工藝參數(shù)的選取都會(huì)對(duì)熔覆層性能產(chǎn)生關(guān)鍵性影響。為了幫助廣大研究人員進(jìn)一步了解激光熔覆技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用，作者著重概述了激光熔覆工藝與熔覆材料對(duì)再制造軸類零件表面熔覆層組織結(jié)構(gòu)及性能的影響以及相關(guān)模擬軟件的輔助應(yīng)用，并對(duì)激光熔覆再制造技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 激光熔覆工藝參數(shù)的影響

激光熔覆工藝參數(shù)主要有送粉量[20-21]、激光功率[22-23]、熔覆速度[24]、搭接率、光斑尺寸、離焦量和預(yù)熱溫度等。各參數(shù)之間相互影響，使得激光熔覆成為一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程。其中，前4者對(duì)熔覆層的稀釋率、表面粗糙度與孔隙率等性能影響顯著。

1.1 激光功率的影響

激光功率直接影響激光能量的大小，是激光熔覆過(guò)程中熱輸入的重要控制參數(shù)之一。張智等[25]在齒輪軸用34CrNi3Mo合金基體表面激光熔覆鈷基合金層，發(fā)現(xiàn)該熔覆層耐磨性優(yōu)良，其厚度和寬度均隨激光功率增加而增加；當(dāng)總送粉量不變，激光功率達(dá)到一定值后，熔覆層的厚度和寬度隨激光功率增加不再明顯變化。黃浩等[26]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率較小時(shí)，由于硬質(zhì)粉末熔化不完全或熔融金屬無(wú)法充分流動(dòng)，40Cr鋼表面激光熔覆層出現(xiàn)堆積瘤；隨激光功率增加，粉末充分熔化，在表面張力作用下，熔融金屬充分鋪展，形成光滑平整的熔覆層。孫麗萍等[27]在高速鋼板表面熔覆Ni45自熔合金，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率為3.7 kW時(shí)，熔覆層無(wú)氣孔、裂紋等缺陷，成形效果最佳。激光功率直接影響熔覆層的組織、性能以及熔覆層與基體的結(jié)合強(qiáng)度：當(dāng)激光功率選擇較合理時(shí)，所得熔覆層組織致密，過(guò)渡層晶粒生長(zhǎng)充分，與基體冶金結(jié)合良好；若激光功率過(guò)高，則會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)熔池溫度過(guò)高，從而造成過(guò)燒現(xiàn)象；激光功率過(guò)低，熔覆材料則會(huì)熔化不完全。因此，在軸類零部件再制造過(guò)程中應(yīng)將激光功率控制在合理范圍內(nèi)。

1.2 熔覆速度的影響

熔覆速度作為激光熔覆的又一重要工藝參數(shù)，對(duì)熔覆層性能亦有較大影響。熔覆速度過(guò)快時(shí)熔覆反應(yīng)不完全，過(guò)低時(shí)熔池能量過(guò)高則會(huì)造成反應(yīng)過(guò)度，導(dǎo)致涂層內(nèi)部組織破裂，出現(xiàn)空隙、裂紋等缺陷。HEMMATI等[28]研究發(fā)現(xiàn)，較高熔覆速度(約為117 mm·s-1)對(duì)馬氏體不銹鋼熔覆層硬度和耐磨性能的提高作用較小。趙子龍[29]在QT600-3球墨鑄鐵表面激光熔覆TiC/Co基合金，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率為3.2 kW，熔覆速度為400 mm·min-1時(shí)，熔覆層成形較好，僅有極少微小孔隙；隨熔覆速度增加，熔覆層孔隙逐漸增大，當(dāng)熔覆速度增至600 mm·min-1時(shí)，熔覆層出現(xiàn)無(wú)法成形傾向。不同軸件和熔覆材料對(duì)熔覆速度的要求不甚相同，選擇合適的熔覆速度對(duì)于獲得致密性好、強(qiáng)度高的熔覆層十分重要。

1.3 搭接率與送粉量的影響

搭接率是影響熔覆層表面平整度的關(guān)鍵參數(shù)，送粉量則直接影響熔覆層的厚度。送粉量與搭接率的選擇，對(duì)熔覆層形貌的優(yōu)化有著重要意義。搭接率的優(yōu)化過(guò)程實(shí)質(zhì)為調(diào)整熔覆間距使熔覆搭接面積與熔覆凹溝面積相等，以保證熔覆表面平整光滑。尚曉峰[30]研究發(fā)現(xiàn)，隨著搭接率的增加，熔覆層表面平整度提高，熔覆間距為1.72 mm時(shí)，表面平整度最優(yōu)，但搭接率過(guò)高時(shí)，熔覆層表面平整度又會(huì)有所降低。張翔宇[31]研究了不同搭接率下3540鐵基合金在42CrMo鋼表面的熔覆效果，發(fā)現(xiàn)搭接率為50%時(shí)，熔覆層整體寬度適中，表面平整，搭接處與非搭接處厚度差值最小，這既節(jié)省了熔覆材料，也便于后期加工。對(duì)于送粉量而言，當(dāng)送粉量過(guò)少時(shí)，熔覆層太薄而不能滿足需求，反之則會(huì)增加精密軸件后續(xù)切削加工工作量。王續(xù)躍等[32]為解決采用2.5D切片分層成形時(shí)的臺(tái)階效應(yīng)問(wèn)題，研究了變送粉量法激光多層熔覆成形對(duì)斜坡薄壁件幾何形狀精度的影響，發(fā)現(xiàn)該方法減小甚至完全消除了臺(tái)階效應(yīng)，在成形較小傾角(3.37°)斜坡時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)，可用于成形山形薄壁件、機(jī)匣組合件等復(fù)雜形狀和高精度的零件。

1.4 多個(gè)工藝參數(shù)的選擇

軸類零件激光熔覆再制造過(guò)程中，各參數(shù)并不是獨(dú)立作用的，而是相互影響、相互制約的。為優(yōu)化激光熔覆工藝，制備得到性能優(yōu)良的熔覆層，通常采用多因素多水平正交試驗(yàn)法來(lái)獲取多個(gè)優(yōu)化的參數(shù)組合，然后通過(guò)具體試驗(yàn)驗(yàn)證確定最優(yōu)工藝參數(shù)。

張浩敏等[33]在35CrMo鋼制軸類零件表面激光熔覆WC增強(qiáng)鐵基合金涂層，發(fā)現(xiàn)在3540鐵基合金粉末中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的WC后，所得熔覆層的硬度與耐磨性較好，并通過(guò)正交試驗(yàn)法得出該熔覆層的最佳熔覆工藝為激光功率3 kW、熔覆速度6 mm·s-1、離焦量20 mm。彭亮等[34]研究了激光功率、掃描速度、光斑直徑、送粉量和搭接率等參數(shù)對(duì)45鋼表面XS-320鐵基合金熔覆層的影響，并采用最佳工藝參數(shù)對(duì)煉油廠重整芳烴車間曲軸進(jìn)行再制造，獲得了最佳修復(fù)效果。李寶靈等[35]分別在45鋼調(diào)質(zhì)態(tài)棒材上激光熔覆Fe30和Fe35兩種鐵基自熔粉末，利用正交試驗(yàn)法對(duì)多種工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并將所得參數(shù)用于修復(fù)葉輪風(fēng)機(jī)軸、電機(jī)轉(zhuǎn)子軸和破碎機(jī)主軸等，修復(fù)效果良好。羅星星等[36]將激光設(shè)備特性和熔覆區(qū)有限元仿真方法相結(jié)合，通過(guò)正交試驗(yàn)法在45鋼基體上熔覆鐵基粉末，獲得了最佳工藝參數(shù)，并成功修復(fù)了礦用電機(jī)轉(zhuǎn)子軸；此外還通過(guò)有限元軟件對(duì)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)熔覆過(guò)程中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力與熔覆熱循環(huán)有關(guān)。

2 激光熔覆材料的選擇

軸類零件再制造用激光熔覆材料一般分為金屬粉末、陶瓷粉末和復(fù)合粉末。在金屬粉末中，鐵基、鎳基、鈷基等自熔性合金粉末的研究與應(yīng)用較多。陶瓷粉末主要包括碳化物(WC、Cr3C2、TiC、SiC等)、硼化物(TiB2等)和氧化物(Al2O3、TiO2、ZrO2等)等。由于陶瓷粉末與金屬基體性能差異較大，一般多將其與金屬粉末復(fù)合后進(jìn)行激光熔覆，以提高熔覆層的物理與化學(xué)性能。

2.1 金屬基熔覆材料的選擇

制造小型曲軸通常采用球墨鑄鐵和優(yōu)質(zhì)碳素鋼，大中型曲軸則多為合金鋼[37]。采用金屬粉末作為激光熔覆材料，有利于提高熔覆層與基體的結(jié)合力。郭士銳等[38]研究發(fā)現(xiàn)，在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸表面熔覆鐵基合金粉末后，零件表面硬度提高了20%，符合工件服役工況要求。QIN等[39]在軸用18Cr2Ni4WA鋼表面激光熔覆了Co-Ni二次硬化鋼，該熔覆層與基體結(jié)合良好，硬度在460 HV以上，厚度可達(dá)0.25 mm，顯微組織主要由鐵素體、馬氏體、板條奧氏體、針狀M3C強(qiáng)化相(長(zhǎng)度1～3 μm)和棒狀M2C碳化物(長(zhǎng)度小于0.1 μm)組成。郭火明等[40]研究發(fā)現(xiàn)，在輪軌試樣表面制備厚度1 mm的鈷基熔覆層后，其表面硬度提高約52.98%，該熔覆層能有效降低對(duì)摩副磨損，使基體抗磨損能力提高約5倍。任愛(ài)國(guó)等[41]采用不同型號(hào)的鎳粉(Ni60、Ni25、Ni35和Ni45)與鈷粉(Co02和Co05)進(jìn)行熔覆對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)所得熔覆層硬度差異巨大；同種熔覆粉末，由于微量元素含量不同，熔覆層亦表現(xiàn)出較大差異，其中硅和硼元素的影響最為顯著。張浩敏等[42]在35CrMo鋼電機(jī)軸上分別熔覆3540鐵基合金和Ni00鎳基合金涂層，發(fā)現(xiàn)二者均與基體形成良好的冶金結(jié)合，且不存在裂紋、孔洞、夾雜物等微觀缺陷；從熔覆區(qū)、熔合區(qū)到母材區(qū)，兩涂層的顯微硬度都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，說(shuō)明3540鐵基合金和Ni00鎳基合金熔覆層均能改善該電機(jī)軸的耐磨性，延長(zhǎng)其使用壽命。

2.2 陶瓷熔覆材料的選擇

陶瓷材料具有硬度高以及耐磨、耐腐蝕和抗高溫氧化性能優(yōu)良等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于激光熔覆技術(shù)中。陶瓷粉末可以單獨(dú)或多種組合作為熔覆材料使用。HU等[43]與WU等[44]采用激光熔覆技術(shù)在Q234鋼表面合成了Mo-Ni-B三元陶瓷復(fù)合涂層，該涂層的硬度可達(dá)1 600 HV以上，能夠顯著改善基體的硬度與耐腐蝕性能。MASANTA等[45]利用激光熔覆技術(shù)合成了Al2O3-TiB2-TiC陶瓷復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)隨著激光熔覆速度的增加，涂層硬度增大，晶粒尺寸減小。

目前，針對(duì)軸類零件表面修復(fù)的激光熔覆陶瓷涂層工藝并未得到廣泛研究，但關(guān)于激光熔覆陶瓷涂層組織與性能的研究較多，這可以為其在軸類零件修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定參考。

2.3 金屬陶瓷復(fù)合熔覆材料的選擇

在激光熔覆過(guò)程中，通過(guò)將金屬粉末與陶瓷粉末混合，可以制備得到陶瓷強(qiáng)化的復(fù)合熔覆層，其兼具金屬涂層與基體優(yōu)良的結(jié)合性能以及陶瓷涂層優(yōu)良的耐摩擦磨損和耐腐蝕等性能。WENG等[46]研究發(fā)現(xiàn)，在激光熔覆過(guò)程中，熔覆材料中的B4C、SiC、Y2O3會(huì)與Co42合金及基體鈦合金反應(yīng)生成大量陶瓷顆粒與金屬間化合物，這些反應(yīng)產(chǎn)物使得熔覆層的硬度提高到基體的3～4倍，而磨損量則遠(yuǎn)低于基體的。DESCHUYTENEER等[47]采用不同激光光源在Q235鋼表面制備NiCrBSi-WC/W2C復(fù)合熔覆層，發(fā)現(xiàn)Nd∶YAG光源會(huì)使熔覆過(guò)程中WC/W2C顆粒發(fā)生溶解而生成低硬度的(W,Cr)xCy和(W,Cr)xBy相，從而導(dǎo)致熔覆層硬度下降；HDPL光源單位面積激光功率較低，新相無(wú)法生成，熔覆層硬度隨著WC/W2C顆粒含量的增加而增大。ZHANG等[48]在軸用2Cr13鋼表面激光熔覆了TiC增強(qiáng)鈷基復(fù)合涂層，該復(fù)合涂層與基體結(jié)合良好，組織呈樹(shù)枝狀，晶粒細(xì)小，TiC顆粒在其中彌散分布。王玉玲等[49]在軸用42CrMo鋼表面制備了CeO2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0，0.4%，0.8%，1.2%，1.8%)增強(qiáng)3540鐵基熔覆層，發(fā)現(xiàn)CeO2的添加能夠細(xì)化熔覆層組織，減少裂紋及孔洞，有效提高其硬度及耐磨性；CeO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%時(shí)，熔覆層組織最為細(xì)密，硬度最高，磨損量最小。VERDI等[50]研究發(fā)現(xiàn)，Cr3C2顆粒增強(qiáng)Ni625合金激光熔覆層比Ni625合金熔覆層具有更好的耐摩擦磨損性能，Cr3C2顆粒在熔覆層中均勻分布，可顯著增大其硬度。

軸類零件在服役時(shí)要同時(shí)滿足耐磨、耐壓、耐腐蝕、耐高溫等多種性能要求，單一種類的熔覆材料很難達(dá)到服役要求，因此復(fù)合熔覆材料在軸類零件再制造中具有良好的應(yīng)用前景。

3 仿真模擬在激光熔覆中的應(yīng)用

傳統(tǒng)激光熔覆技術(shù)研究需進(jìn)行大量試驗(yàn)，耗時(shí)耗力，且進(jìn)展緩慢。隨著計(jì)算機(jī)科技的快速發(fā)展，各類仿真模擬軟件的研發(fā)和應(yīng)用顯著加快了激光熔覆技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，其在激光熔覆前期預(yù)測(cè)和過(guò)程監(jiān)控中使用較為頻繁。通過(guò)UG、Visual Studio、CAD、MRA等輔助軟件模擬預(yù)測(cè)熔覆軌跡，進(jìn)行有效的路線規(guī)劃，不僅能夠提升熔覆效率，還能實(shí)現(xiàn)熔覆層形貌控制[51-53]。研究人員成功在復(fù)雜結(jié)構(gòu)凸輪軸、柴油機(jī)曲軸等零件上運(yùn)用仿真技術(shù)，顯著提高了熔覆成功率[54-56]。舒林森等[57]通過(guò)對(duì)齒輪軸激光熔覆過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬，得到了各個(gè)載荷步的瞬時(shí)溫度分布，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。黃勇等[58]采用全新的建模和網(wǎng)格劃分方法，對(duì)激光熔覆過(guò)程中細(xì)長(zhǎng)階梯軸的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的不均勻性引起了軸變形，這可以為實(shí)際加工過(guò)程中變形的抑制提供一定理論依據(jù)。徐海巖等[59]采用ANSYS數(shù)值計(jì)算方法分析發(fā)現(xiàn)，熔覆路徑對(duì)邊界過(guò)燒和塌陷影響很大，異側(cè)熔覆可以更好地平衡熱累積與熱擴(kuò)散的關(guān)系，使邊界晶粒細(xì)密、內(nèi)部組織均勻，進(jìn)而改善熔覆層性能。

仿真模擬為軸類零件表面激光熔覆再制造過(guò)程的優(yōu)化提供了新的可能，有助于改善熔覆層的性能，延長(zhǎng)軸類零件的服役壽命；其在軸類零件激光熔覆技術(shù)中必將得到較大發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

激光熔覆再制造技術(shù)廣泛用于失效軸類零件的再修復(fù)。隨著軸類零件服役性能要求越來(lái)越高，激光熔覆技術(shù)亦在不斷優(yōu)化改進(jìn)，但是仍存在熔覆層質(zhì)量不穩(wěn)定、熔覆效率低等問(wèn)題。熔覆工藝和熔覆材料作為影響激光熔覆層性能的關(guān)鍵因素，對(duì)應(yīng)的研究和開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。熔覆材料可根據(jù)軸類零件的服役需求合理進(jìn)行選擇。針對(duì)與服役環(huán)境匹配的熔覆材料，對(duì)送粉量、激光功率、熔覆速度和搭接率等熔覆參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用仿真模擬軟件進(jìn)行熔覆前模擬與路線規(guī)劃，可以制備得到理想的表面激光熔覆層。

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，大功率新型激光器能更好地滿足材料對(duì)能量吸收的需求，新型超強(qiáng)材料的開(kāi)發(fā)拓寬了材料的選擇，模擬軟件的不斷更新?lián)Q代也為激光熔覆技術(shù)的革新和進(jìn)一步高效發(fā)展提供了保障。激光熔覆技術(shù)作為綠色再制造表面工程技術(shù)之一，不僅會(huì)在軸類零件的修復(fù)與再制造中得到深入應(yīng)用，同時(shí)也必將在其他領(lǐng)域有更加創(chuàng)新或深層次的應(yīng)用。