激光熔覆技術在軸類零件再制造過程中的應用現狀

王爭強，李文戈,杜 旭,趙遠濤

(1.上海海事大學商船學院，上海 201306；2.云南滇中城市建設投資開發有限公司，昆明 650000)

0 引 言

軸類零件是船舶、海洋工程等機械裝備最常用的典型部件之一，起到支撐其他部件轉動并傳遞扭矩的作用。軸類零件的性能直接影響到機械裝備運行的平穩性和工作系統的使用壽命[1]。然而在服役過程中，軸類零件表面往往需要承受摩擦、擠壓和沖擊等綜合作用，從而導致裂紋的產生，部分會因負載過重、強度不足以及腐蝕等因素發生失效[2-5]。畸變、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[6]。軸類零件的失效行為會嚴重影響機械裝備的正常運行，甚至造成較大的經濟損失，因此必須及時進行更換或修復；但更換新軸所需工期長、成本高，還會造成資源浪費，導致違背“減量化、再利用、資源化”的綠色循環經濟原則[7]。采用表面增材技術對失效軸類零件進行再制造，可延長其使用壽命[8]；該方法綠色環保、經濟效益高、快捷方便，因此受到越來越多的關注。

近年來，應用于軸類零件的再制造技術主要有激光熔覆[9-10]、電鍍[11]、熱噴涂[12]和堆焊[13]等。其中，電鍍涂層的結合力與耐磨性一般，不能很好地滿足零件在高速旋轉摩擦工況下的使用要求；熱噴涂涂層與基體的機械結合力較弱，且其孔隙率較高，對基體承載能力較為不利；激光熔覆技術則具有綠色環保、可控性好、方便快捷和高效等特點，其熔覆層稀釋率低、表面完整，與基體冶金結合良好，通常表現出優于基體的耐磨、耐腐蝕及抗疲勞性能[14]，因此廣泛應用于模具修復[15]、軸類零件修復[16]及軋輥表面強化[17]等方面。軸類零件的激光熔覆再制造過程由預處理、激光操作和后處理[18-19]3部分組成。預處理包括軸件清潔、部分軸件預熱以及熔覆材料烘干；激光操作即在最優工藝條件下進行激光熔覆過程；后處理包括零件各項性能檢測、精度檢測和切削加工等。其中，激光操作部分熔覆材料和激光熔覆工藝參數的選取都會對熔覆層性能產生關鍵性影響。為了幫助廣大研究人員進一步了解激光熔覆技術的相關應用，作者著重概述了激光熔覆工藝與熔覆材料對再制造軸類零件表面熔覆層組織結構及性能的影響以及相關模擬軟件的輔助應用，并對激光熔覆再制造技術的未來發展趨勢進行了展望。

1 激光熔覆工藝參數的影響

激光熔覆工藝參數主要有送粉量[20-21]、激光功率[22-23]、熔覆速度[24]、搭接率、光斑尺寸、離焦量和預熱溫度等。各參數之間相互影響，使得激光熔覆成為一個極其復雜的過程。其中，前4者對熔覆層的稀釋率、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，是激光熔覆過程中熱輸入的重要控制參數之一。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，發現該熔覆層耐磨性優良，其厚度和寬度均隨激光功率增加而增加；當總送粉量不變，激光功率達到一定值后，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]研究發現，當激光功率較小時，由于硬質粉末熔化不完全或熔融金屬無法充分流動，40Cr鋼表面激光熔覆層出現堆積瘤；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，發現當激光功率為3.7 kW時，熔覆層無氣孔、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合強度：當激光功率選擇較合理時，所得熔覆層組織致密，過渡層晶粒生長充分，與基體冶金結合良好；若激光功率過高，則會導致反應熔池溫度過高，從而造成過燒現象；激光功率過低，熔覆材料則會熔化不完全。因此，在軸類零部件再制造過程中應將激光功率控制在合理范圍內。

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，對熔覆層性能亦有較大影響。熔覆速度過快時熔覆反應不完全，過低時熔池能量過高則會造成反應過度，導致涂層內部組織破裂，出現空隙、裂紋等缺陷。HEMMATI等[28]研究發現，較高熔覆速度(約為117 mm·s-1)對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，發現當激光功率為3.2 kW，熔覆速度為400 mm·min-1時，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，當熔覆速度增至600 mm·min-1時，熔覆層出現無法成形傾向。不同軸件和熔覆材料對熔覆速度的要求不甚相同，選擇合適的熔覆速度對于獲得致密性好、強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鍵參數，送粉量則直接影響熔覆層的厚度。送粉量與搭接率的選擇，對熔覆層形貌的優化有著重要意義。搭接率的優化過程實質為調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]研究發現，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，表面平整度最優，但搭接率過高時，熔覆層表面平整度又會有所降低。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，發現搭接率為50%時，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，這既節省了熔覆材料，也便于后期加工。對于送粉量而言，當送粉量過少時，熔覆層太薄而不能滿足需求，反之則會增加精密軸件后續切削加工工作量。王續躍等[32]為解決采用2.5D切片分層成形時的臺階效應問題，研究了變送粉量法激光多層熔覆成形對斜坡薄壁件幾何形狀精度的影響，發現該方法減小甚至完全消除了臺階效應，在成形較小傾角(3.37°)斜坡時具有明顯優勢，可用于成形山形薄壁件、機匣組合件等復雜形狀和高精度的零件。

1.4 多個工藝參數的選擇

軸類零件激光熔覆再制造過程中，各參數并不是獨立作用的，而是相互影響、相互制約的。為優化激光熔覆工藝，制備得到性能優良的熔覆層，通常采用多因素多水平正交試驗法來獲取多個優化的參數組合，然后通過具體試驗驗證確定最優工藝參數。

張浩敏等[33]在35CrMo鋼制軸類零件表面激光熔覆WC增強鐵基合金涂層，發現在3540鐵基合金粉末中添加質量分數10%的WC后，所得熔覆層的硬度與耐磨性較好，并通過正交試驗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對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對煉油廠重整芳烴車間曲軸進行再制造，獲得了最佳修復效果。李寶靈等[35]分別在45鋼調質態棒材上激光熔覆Fe30和Fe35兩種鐵基自熔粉末，利用正交試驗法對多種工藝參數進行優化，并將所得參數用于修復葉輪風機軸、電機轉子軸和破碎機主軸等，修復效果良好。羅星星等[36]將激光設備特性和熔覆區有限元仿真方法相結合，通過正交試驗法在45鋼基體上熔覆鐵基粉末，獲得了最佳工藝參數，并成功修復了礦用電機轉子軸；此外還通過有限元軟件對應力場進行仿真，發現熔覆過程中的動態應力與熔覆熱循環有關。

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合后進行激光熔覆，以提高熔覆層的物理與化學性能。

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質碳素鋼，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合力。郭士銳等[38]研究發現，在汽輪機轉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，該熔覆層與基體結合良好，硬度在460 HV以上，厚度可達0.25 mm，顯微組織主要由鐵素體、馬氏體、板條奧氏體、針狀M3C強化相(長度1～3 μm)和棒狀M2C碳化物(長度小于0.1 μm)組成。郭火明等[40]研究發現，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摩副磨損，使基體抗磨損能力提高約5倍。任愛國等[41]采用不同型號的鎳粉(Ni60、Ni25、Ni35和Ni45)與鈷粉(Co02和Co05)進行熔覆對比試驗，發現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鋼電機軸上分別熔覆3540鐵基合金和Ni00鎳基合金涂層，發現二者均與基體形成良好的冶金結合，且不存在裂紋、孔洞、夾雜物等微觀缺陷；從熔覆區、熔合區到母材區，兩涂層的顯微硬度都呈現出先增大后減小的趨勢，說明3540鐵基合金和Ni00鎳基合金熔覆層均能改善該電機軸的耐磨性，延長其使用壽命。

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良等特點，已廣泛應用于激光熔覆技術中。陶瓷粉末可以單獨或多種組合作為熔覆材料使用。HU等[43]與WU等[44]采用激光熔覆技術在Q234鋼表面合成了Mo-Ni-B三元陶瓷復合涂層，該涂層的硬度可達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]利用激光熔覆技術合成了Al2O3-TiB2-TiC陶瓷復合涂層，發現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，針對軸類零件表面修復的激光熔覆陶瓷涂層工藝并未得到廣泛研究，但關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領域的應用提供一定參考。

2.3 金屬陶瓷復合熔覆材料的選擇

在激光熔覆過程中，通過將金屬粉末與陶瓷粉末混合，可以制備得到陶瓷強化的復合熔覆層，其兼具金屬涂層與基體優良的結合性能以及陶瓷涂層優良的耐摩擦磨損和耐腐蝕等性能。WENG等[46]研究發現，在激光熔覆過程中，熔覆材料中的B4C、SiC、Y2O3會與Co42合金及基體鈦合金反應生成大量陶瓷顆粒與金屬間化合物，這些反應產物使得熔覆層的硬度提高到基體的3～4倍，而磨損量則遠低于基體的。DESCHUYTENEER等[47]采用不同激光光源在Q235鋼表面制備NiCrBSi-WC/W2C復合熔覆層，發現Nd∶YAG光源會使熔覆過程中WC/W2C顆粒發生溶解而生成低硬度的(W,Cr)xCy和(W,Cr)xBy相，從而導致熔覆層硬度下降；HDPL光源單位面積激光功率較低，新相無法生成，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增強鈷基復合涂層，該復合涂層與基體結合良好，組織呈樹枝狀，晶粒細小，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(質量分數分別為0，0.4%，0.8%，1.2%，1.8%)增強3540鐵基熔覆層，發現CeO2的添加能夠細化熔覆層組織，減少裂紋及孔洞，有效提高其硬度及耐磨性；CeO2質量分數為1.2%時，熔覆層組織最為細密，硬度最高，磨損量最小。VERDI等[50]研究發現，Cr3C2顆粒增強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。

軸類零件在服役時要同時滿足耐磨、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到服役要求，因此復合熔覆材料在軸類零件再制造中具有良好的應用前景。

3 仿真模擬在激光熔覆中的應用

傳統激光熔覆技術研究需進行大量試驗，耗時耗力，且進展緩慢。隨著計算機科技的快速發展，各類仿真模擬軟件的研發和應用顯著加快了激光熔覆技術的發展進程，其在激光熔覆前期預測和過程監控中使用較為頻繁。通過UG、Visual Studio、CAD、MRA等輔助軟件模擬預測熔覆軌跡，進行有效的路線規劃，不僅能夠提升熔覆效率，還能實現熔覆層形貌控制[51-53]。研究人員成功在復雜結構凸輪軸、柴油機曲軸等零件上運用仿真技術，顯著提高了熔覆成功率[54-56]。舒林森等[57]通過對齒輪軸激光熔覆過程中的溫度場進行仿真模擬，得到了各個載荷步的瞬時溫度分布，模擬結果與試驗結果一致。黃勇等[58]采用全新的建模和網格劃分方法，對激光熔覆過程中細長階梯軸的溫度場與應力場進行分析，發現溫度場與應力場的不均勻性引起了軸變形，這可以為實際加工過程中變形的抑制提供一定理論依據。徐海巖等[59]采用ANSYS數值計算方法分析發現，熔覆路徑對邊界過燒和塌陷影響很大，異側熔覆可以更好地平衡熱累積與熱擴散的關系，使邊界晶粒細密、內部組織均勻，進而改善熔覆層性能。

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

4 結束語

激光熔覆再制造技術廣泛用于失效軸類零件的再修復。隨著軸類零件服役性能要求越來越高，激光熔覆技術亦在不斷優化改進，但是仍存在熔覆層質量不穩定、熔覆效率低等問題。熔覆工藝和熔覆材料作為影響激光熔覆層性能的關鍵因素，對應的研究和開發至關重要。熔覆材料可根據軸類零件的服役需求合理進行選擇。針對與服役環境匹配的熔覆材料，對送粉量、激光功率、熔覆速度和搭接率等熔覆參數進行優化設計，并采用仿真模擬軟件進行熔覆前模擬與路線規劃，可以制備得到理想的表面激光熔覆層。

隨著現代科技的不斷發展，大功率新型激光器能更好地滿足材料對能量吸收的需求，新型超強材料的開發拓寬了材料的選擇，模擬軟件的不斷更新換代也為激光熔覆技術的革新和進一步高效發展提供了保障。激光熔覆技術作為綠色再制造表面工程技術之一，不僅會在軸類零件的修復與再制造中得到深入應用，同時也必將在其他領域有更加創新或深層次的應用。