激光增材技術在大功率推土機上的應用

馮顯磊，率秀清，王忠，王孟，謝玲珍，李中元

山推工程機械股份有限公司 山東濟寧 272073

激光增材技術為一種綠色環保技術，目前主要集中用在航空航天、汽車等領域[1]，未來在工程機械行業領域具有較大推廣價值及應用前景。

目前，電鍍工藝因環保問題，已被逐步淘汰。針對大功率推土機需要鍍鉻的工件面臨無廠家可加工的瓶頸問題。

同時，大功率推土機作業環境極其惡劣，尤其是彈簧筒局部暴露在腐蝕環境中，同時承受較大摩擦及碰撞問題，鍍鉻層極易脫落，難以保證使用壽命，需要新的工藝替代。

利用激光高功率密度束，在基體表面形成很薄的微熔層，同時以預置或同步方式添加特定成分的直熔合金粉，如鎳基、鈷基、鐵基合金等，使它們以熔融狀態均勻地鋪展在零件表面，與微熔基體層形成良好的冶金結合，并且兩者之間有很小的稀釋度，在隨后的快速冷卻過程中，在零件表面形成與基體不同的、具有預定特殊性能的熔覆層，可以獲得極高的耐磨、耐腐蝕、耐高溫等特性[2]。

1 大功率彈簧筒激光增材方案

激光增材區域設計：根據產品工作狀態要求，如圖1粗實線部位為激光增材區域，尺寸φ400mm×400mm。

激光增材設備采用西安光機所的6000kW激光器，光斑尺寸為5mm×30mm。

彈簧筒加工流程設計：鑄造→正火→調質→粗加工→激光增材→磨削加工→檢測→成品。

設備采用全自動化，生產過程中彈簧筒繞軸心自動旋轉，激光器同步送粉增材熔覆。

2 激光增材參數設計

增材合金粉末主要成分配比：wC=0.14%，wCr=16.9%，wNi=2.6%，wB=3.16%。粒度0.048～0.075mm（200～300目）。

激光增材技術要求：表面硬度52～60HRC，增材硬化層設計要求：≥1.1mm。激光器工藝參數設置見表1。

圖1 大功率推土機彈簧筒激光增材區域

表1 激光器工藝參數設置

3 激光增材樣件檢測與分析

對激光增材的樣件進行檢測，圖2為表面硬度檢測，結果見表2。對激光增材層不同熔覆狀態層的硬度梯度檢測，如圖3所示，A面為搭接區，B面為未搭接區，兩個面的硬度梯度檢測結果分別如圖4、圖5所示。

圖2 激光增材層表面硬度檢測

由硬度梯度檢測結果來看，激光增材并磨削加工后，剖檢硬化層均在1.1mm以上，達到預定設計要求。

對試驗樣件剖檢，激光增材層金相檢測如圖6、圖7所示，圖8為激光增材層與基體熔合區金相。

激光增材層硬度梯度及金相組織檢測結果分析：在檢測A面試樣制樣時，宏觀A面表層增材層白亮與熱影響區有明顯的界限，熱影響區域與過渡區、基體有較明顯的色差。說明熔覆層與基材互溶性極小，熱影響區發生了明顯的組織變化。微觀金相分析：50倍下可見4區的明顯差別，增材區白亮厚度1.11mm；熱影響區1.5mm，過渡區1.5mm。500倍下熱影響區為條塊狀鐵素體+塊狀分布珠光體，未見魏氏組織。A面為激光增材搭接區，由于前道激光增材層未來得及冷卻，已進行重疊增材，造成熱影響區吸收熱量過多，而冷卻又緩慢導致。從宏觀檢測來看與硬度梯度檢測完全吻合。

表2 激光增材表面硬度檢測表

圖3 激光增材層不同熔覆狀態層的硬度梯度檢測

圖4 激光增材未搭接區（B面）硬度梯度

圖5 激光增材搭接區（A面）硬度梯度

圖6 激光增材層A面金相檢測

圖7 激光增材層B面金相檢測

圖8 激光增材層與基體熔合區

在檢測B面試樣制樣時，宏觀B面表層涂覆層白亮，與淬硬區有明顯的界限，淬硬區域與熱影響區、過渡區色差不明顯，說明熔覆層與基材互溶性極小，淬硬區域到基體為逐步過渡。微觀金相分析：50倍下可見熔覆區白亮厚度0.94mm；淬硬區1.2mm，熱影響區0.57mm、過渡區0.91mm。100倍下硬化區可見羽毛狀貝氏體，貝氏體由粗大狀逐步轉向短羽毛狀。熱影響區主要是部分貝氏體+細化后未熔鐵素體+珠光體的混合組織。基體網狀鐵素體+索氏體6級以上。500倍下淬硬區為明顯的羽毛貝氏體。B面為激光熔覆區，由于基體加熱迅速、冷卻適中，淬硬區形成大量貝氏體，其檢測結果和硬度梯度吻合。

激光熔覆過程中存在疊加區域，從檢測結果及側剖面驗證了推測A、B兩面性。在軸向表現為基體的軟硬交替性，但熔覆層由于散熱較快，加上金屬粉末中添加了一定的硼元素等促進淬透性元素，快熱、快冷淬硬效果較好。即熔覆層硬度完全達到技術要求，在軸向不存在交替現象。A面由于熱影響區的存在，使其硬度梯度在該交界處發生了急劇降低情況，而且熱影響區的硬度低于基體硬度；B面由于淬硬區的存在，硬度緩慢下降、逐步過渡。激光增材層與基體熔合率≤5%。

電鍍試樣鍍層厚度58μm，鍍層硬度為700HV，經檢測附著力1級，磨損試驗0.024mg/次，鍍層孔隙率5.12%；激光增材試樣，增材層厚425μm，鍍層硬度700HV，經檢測附著力0級，磨損量0.009mg/次，鍍層孔隙率1.09%。試驗結果表明，激光增材明顯優于電鍍鍍鉻工藝。

目前，該技術已批量在大功率推土機彈簧筒上成功應用，替代鍍鉻工藝，如圖9所示。

圖9 彈簧筒激光增材批量生產產品

4 結束語

大功率推土機彈簧筒等產品采用激光增材替代鍍鉻+前期感應熱處理工藝，可提升大功率推土機彈簧筒的壽命3倍以上，提升了大功率推土機在國際工程機械行業中的競爭力。激光增材技術為綠色環保、低耗能、高密度的現代加工手段，目前在國內高精端設備制造中起著舉足輕重的作用，解決了常規加工手段難以解決的技術難題。本次在大功率推土機上的成功應用，將為該技術向工程機械領域拓展起到示范作用。