基于激光熔覆增材制造的模具修復技術研究

張曄 駱敏 王德厚

摘要 ：模具在使用過程中受力載荷復雜，強大的沖擊載荷使模具表面易出現磨粒磨損和微小裂紋等缺陷而失效，通過修復技術不僅可以修復已經損壞的模具，還可以在工件表面形成復合層，使其具有特殊的性能，以達到降低成本的目的。激光熔覆修復技術是近幾年來發展比較快的一項新技術，特別是在精密模具修復方面，應用前景很廣。本文介紹了激光熔覆增材修復技術的特點和工藝過程。

關鍵詞：模具修復：增材制造：激光熔覆：焊接修復

模具工業是我國國民經濟發展的重要基礎工業之一，在汽車、摩托車、電機電器零件、工程機械及日常生產用品的生產中都得到了廣泛的應用，約有60%～80%的零部件通過模具加工成形。模具在使用過程中，容易出現疲勞磨損和微小的裂紋，從而導致失效報廢，增加生產成本。模具修復技術不僅可以修復已經損壞的模具，還可以在工件表面形成復合層，使其具有特殊的性能，從而達到降低成本和延長使用壽命的效果。

一、常用的模具修復技術

目前常用的模具修復技術有：電刷鍍技術、堆焊技術、熱噴涂技術、激光熔覆增材修復技術等。

（一）電刷鍍修復技術

工藝靈活、設備簡單，便于攜帶，被修復零件材質不限，鍍層結合強度高，修復溫度較低、修復后工件不會產生熱變形。但鍍層的力學性能在厚度方向上不均，只適用于局部受損、較淺的區域，或者不易移動的工件，不適用于批量修復。

（二）堆焊修復技術

常用于易磨損、易腐蝕的軸類零件。堆焊修質量較高、設備成本低，簡單易操作，缺點是焊接溫度高、容易引起模具的變形、稀釋率高、焊后較易產生焊接缺陷等。

（三）熱噴涂修復技術

利用電弧或氣體火焰先將配制完成后的合金粉末加熱成熔化或半熔化狀態，然后通過噴槍將金屬液噴沾至待修工件表面上，形成金屬層噴涂。該方法靈活多樣、材料選擇范圍廣、修復速度較快、強化效果較好，但存在修復層與基體容易剝落等缺點，只適用于修復型腔簡單的模具。

（四）激光熔覆增材修復技術

激光熔覆技術在國外研究較早，1976年由美國Gnamuthu申請了第一項論述高能激光熔覆的專利，經過幾十年的迅速發展，現已成為一種新的表面改性技術。該技術可以根據工件表面的性能要求來調整熔覆材料的成分配比，使修復后的模具表層具有更優異的性能：更高的表面硬度，耐磨損，耐腐蝕，紅硬性好等。此外，由于激光技術熱量集中，修復過程中加熱和冷卻速度快，熱影響區面積小，因此修復變形較小。修復層與基體結合強度較高，稀釋度小、修復后形成的表面組織均勻，結構緊致，開裂、氣孔較少。這項技術在滿足工件表面的特殊性能要求的同時，又節省了貴重的合金元素，特別適用于小型復雜的精密模具的修復，已成為模具修復方法的研究熱點，將是未來主流的修復技術。

二、激光熔覆修復技術的研究現狀

（一）國外的研究現狀

國外在20世紀60年代就開始了對此技術的研究，并取得了豐碩的成果。1981年，英國P.R航空發動機公司率先將激光熔覆技術用于渦輪發動機葉片的修復，與原先采用的TIG堆焊工藝相比較，修復耗時縮短近50%，修復后的零件性能更優異，產品合格率也有了顯著的提高。90年代末，Schubert等技術人員在大型發動機零部件的修復中制備出了質量較高的復合熔覆層。近幾年來，激光熔覆技術得到了廣泛的研究，通過調整合金粉末、改進修復工藝，模具修復后得到了預期的效果。

（二）國內的研究現狀

國內在激光熔覆修復技術方面的研究也有長足的發展，我國于八十年代初開始對激光熔覆修復技術進行探索，目前在工程機械、汽車生產、模具修復等領域已有廣泛的應用，各高校與企業合作，在激光熔覆修復材料選用方面、影響熔覆層與基體結合性能的規律方面等，均取得了很多成果。

三、激光熔覆原理

以不同的加料方式，在待修復零件的表面預置熔覆材料，在惰性氣體的保護下，高能密度的激光束掃描零件表面，將熔覆層和工件表面薄層同時熔化，待激光束移開后，熔化層快速凝固，形成一層稀釋度低、與零件基層呈“冶金結合”的、具有某種特殊性能的熔覆層。依據熔覆材料粉末供給方式的不同，可分為預置式送粉法和同步式送粉法兩大類（見圖1）。如圖1激光熔覆過程示意圖。

（一）預置式

事先將熔覆材料覆蓋在待修復工件的表面上，然后采用“激光束”掃描，熔覆材料和待修表面熔化、快速凝固、形成一層熔覆層。該方法常用于火焰噴涂、等離子噴涂、電鍍以及黏結劑法等。其工藝流程為：待修工件表層預處理——預置熔覆材料——預熱工件——激光熔化工件及覆層——后熱處理。

（二）同步式

在修復操作時，通過設備將熔覆材料直接送入激光掃描區，使熔覆材料和工件表面同時熔化，然后快速冷卻凝固、形成一層熔覆層。該法熔覆材料利用率高、工藝過程簡單、熔覆過程便于控制、易于實現自動化。因此，同步式是激光熔覆增材技術的首選方法，國內外實際生產中使用較多。其工藝流程為：待修工件表層預處理——送料、同時激光熔化——后熱處理。

四、激光熔覆材料

激光熔覆材料大部分來源于噴涂或者噴焊粉末。其形式有：粉末狀、絲狀、板狀、膏狀等，其中粉末狀熔覆材料的使用較為廣泛。目前常用的粉末狀材料有：自熔性合金粉末、陶瓷粉末、復合粉末等。

（一）自熔性合金粉末

主要有Fe基、Co基和Ni基三大系列。粉末中還含有Si、B等具有強烈的脫氧和自溶作用的元素，使之具備較強的脫氧除氣、造渣等功能。在選擇此類熔覆材料時應考慮基質中S元素的含量，S元素的存在，使基質與覆層的結合處易形成低熔點的脆性物質，導致覆層脫落。自熔性合金粉末廣泛應用于含硫量較低的各類碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鑄鐵等材料的熔覆。

1.Fe基粉末

價格較為低廉，因其與基體材料成分接近，熔覆層與結合面牢固，抗磨損能力強，在工業生產中廣泛應用于局部耐磨且容易變形的零件修復。在用于模具零件的修復方面，Fe基粉末的熔點過高，合金自熔性能也較差，與基體結合處易出現夾雜、氧化和開裂的現象，熔覆層最高硬度往往不能滿足模具零件的性能要求。

2.Co基粉末

Co基自熔性合金粉末是在Co-Cr-W合金的基礎上加入適量的 B、Si元素而形成的，其涂覆層具有良好的潤濕性、耐磨腐蝕性，高溫抗氧化性能優，常用于要求耐磨耐蝕耐高溫的零件，但市場價格較高。

3.Ni基粉末

涂覆層具有良好的潤濕性、耐磨耐腐蝕性能，韌性好、抗沖擊能力強，但高溫性能略差。主要有Ni-B-Si和Ni-Cr-B-Si兩個系列，其中Ni-Cr-B-Si是激光熔覆工藝時常采用的粉末材料。

（二）陶瓷粉末

有硅化物、氧化物陶瓷粉末。其具有優異的耐腐蝕、耐磨損、較高的高溫強度和抗氧化性能，常用于修復耐高溫、耐磨、耐蝕的模具，但與基體金屬的熱膨脹系數、導熱系數等差異較大、韌性較差，覆層易出現裂紋和孔洞，不宜單獨使用，作為增強相加入其他自熔性合金粉末中使用。

（三）復合粉末

是指將高熔點硬質陶瓷材料與自熔性合金粉末充分混合或復合而形成的一類粉末材料。其不僅具備金屬材料的強韌性、良好的熔覆工藝性能，又具備陶瓷材質優異的耐磨、耐腐蝕、耐高溫和抗氧化性能等，是比較理想的激光熔覆材料。

五、激光熔覆增材修復的技術路線

激光熔覆增材修復的工藝參數主要有：激光功率P、激光掃描速度、光斑直徑D、預置涂覆材料的厚度t或送粉量m、預熱溫度等。工藝參數的控制直接影響熔覆層的成形、相的組成和分布、與基層的結合強度，從而影響熔覆層的質量。首先選擇符合條件的熔覆粉末，進行單道激光熔覆試驗;對熔覆層質量進行比對分析，確定最佳工藝參數;實施激光熔覆工藝、修復后進行磨削處理。其技術路線見圖2。

六、結語

激光熔覆是發展較快的一項新技術，通過調整熔覆材料成分，可在零件表層獲得不同成分的覆層合金，使待修復工件表層具有優良的綜合力學性能。通過幾十年的研究，該技術在模具修復領域取得了不少成果，顯現出良好的發展前景。但還存在一些關鍵問題：如激光熔覆凝固理論的完善，模具專用熔覆材料的開發，模具激光修復工藝數據庫的建立、完善，設備造價進一步降低等方面。相信隨著國內外學者的研究，國家、企業的重視，激光熔覆增材修復技術將成為模具修復的重要方法。

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作者簡介：張曄（1980-），男，江蘇常州人，博士、工程師，主要研究方向為材料成型與控制技術。