激光熔覆再制造技術及其在機車車輛中的應用

廖芳蓉

（中國鐵路南昌局集團有限公司科學技術研究所， 江西 南昌 330002）

引言

當前，保護地球環境、構建可循環經濟和保持社會可持續發展是民眾共同關心的話題。激光熔覆再制造技術是一種先進的零部件表面修復技術，該技術廣泛應用于航天航空、兵器、核工業以及汽車制造業中關鍵零部件的修復和制備。激光熔覆再制造技術包括激光熔覆加工工藝技術、激光熔覆材料技術和激光熔覆裝備等技術，主要用于再制造修復零部件的表面損傷，恢復零部件外形尺寸，使再制造零部件的使用性能達到甚至超過原有新零部件的水平，是當前高附加值零部件修復的重要方式和主要發展方向[1-2]。綠色再制造技術已經在汽車、國防、航空航天等領域進行了一系列應用和探索，但對鐵路機車車輛關鍵零部件的綠色再制造研究較少。本文對激光熔覆技術進行闡述，并結合鐵路機車車輛零部件的激光熔覆應用，驗證再制造的現實可行性。

1 激光熔覆再制造技術的理論與方法

1.1 激光熔覆再制造技術原理

激光熔覆再制造技術是一種全新的材料表面加工技術，其原理如圖1 所示。激光經聚焦透鏡聚焦后作為高能量熱源（104～106 W/cm2）對材料進行輻照，使預置在基材上的粉末在高能量熱源的輻照下迅速融化、擴展，并與熔融的基材結合或者反應，生成一層具有特殊性能并與基材成冶金結合的熔覆層[3]。

圖1 激光熔覆技術原理

1.2 激光熔覆技術的特點

激光熔覆采用高能激光束作為熱源，與其他噴涂方法相比，具有以下優點：熔覆粉末多種多樣，并沒有太多的限制；激光熔覆層稀釋率低，熔覆層與基材呈冶金結合，激光束能量集中，熱影響區很小；高能激光作用時間很短，冷卻速度快，熔覆層的組織結構為典型的快速凝固特征；熔覆區域可以根據需要自由選擇，熔覆材料消耗少，對減少資源消耗、保護環境具有很大的貢獻；熔覆過程比較容易實現自動化。基于以上的優點，激光熔覆技術已經受到廣泛的關注和重視，并已運用到實際的生產之中[4]。

1.3 激光熔覆材料的選擇

熔覆材料在激光熔覆技術中是不可或缺的一個重要組成部分。激光熔覆材料是直接影響熔覆層性能和質量的主要因素，因此，從激光熔覆技術出現以來，激光熔覆材料的研究一直是科學研究中的重中之重。目前，激光熔覆材料主要包括自熔性合金粉末、碳化物彌散或復合粉末、陶瓷材料等[5]。

1.4 激光熔覆材料供給方式

激光熔覆根據熔覆材料的供給方式，可以分為預置式材料供給和同步送粉式材料供給兩種方式。預置式激光熔覆是先將熔覆材料通過黏結劑涂覆于材料表面的熔覆位置，然后利用高能激光束將涂覆于材料表面的熔覆材料掃描照射融化，如下頁圖2-1 所示，熔覆材料主要以粉末形式加入，常見還有絲狀和板狀的形式；同步送粉式激光熔覆則是通過送粉器實現供料和熔覆的一致性，其原理如下頁圖2-2 所示，其熔覆材料也大多以粉末的形式送入。

圖2 激光熔覆示意圖

2 激光熔覆再制造技術在機車車輛零部件的應用

失效零部件的可再制造性是一個綜合考慮的結果，只有失效零部件能夠體現自身的再制造價值，再制造工程才能夠得到有效的開展。失效零部件的絕大部分結構、構件或組織仍存在較高的剩余價值，僅由于局部損傷而導致整體的失效，通過對局部組織進行激光熔覆再制造可恢復或者提升零部件的性能，延長其生命周期，這就是零部件的可再制造性。在機車車輛上的具有再制造價值的關鍵零部件主要包括車輪、車鉤、鉤尾框和轉向架等。本文主要以機車車輪為重點進行分析。

車輪作為機車車輛的行走部件，是機車載荷的主要承載部位。車輪的磨損、疲勞破壞等問題已經成為影響列車安全運行的關鍵因素。車輪踏面、輪緣、輪轂等部位由于長期受到比較嚴重的磨損或機械性疲勞等原因，主要會出現磨耗、裂紋、剝落和崩裂等失效類型[6]。

對車輪等機車車輛零部件進行激光熔覆再制造，主要就是對磨損的車輪以及裂紋進行修復。通過激光熔覆技術的獨特優點對車輪的損傷表面進行再制造修復，最關鍵的是要確定合適的熔覆工藝參數，獲得最優的熔覆層。主要技術路線為：參照有關資料初定合金粉末配方；在合金粉末配方的基礎上改變激光工藝參數，根據熔覆層表面狀態、冶金結合情況、硬度梯度分布和成分均勻性等情況來調整和優化工藝參數；在優化的工藝參數下對初選粉末配方各組分進行不同水平試驗，確定最優粉末配方；對配方和熔覆工藝參數進行微調，相互優化，最終確定最優配方和對應的激光熔覆工藝參數。

3 結語

激光熔覆技術的研究始于20 世紀70 年代，美國Sulzer Metco 公司利用激光表面熔覆技術成功修復了航空發動機組件，這項技術給Sulzer Metco 公司創造了大約12 億美元的年產值。經過多年的發展，該技術在零部件修復再制造方面取得了較好的應用前景。鐵路車輛關鍵部件批量大，零部件的失效形式主要集中在局部磨損和裂紋，對再制造工程的需求很大。在今后的軌道交通發展過程中，對車輛關鍵零部件的再制造和生產應該引起更大的關注，隨著激光熔覆技術的不斷發展和研究，激光再制造工程的應用也將不斷擴大和發展。