基于礦井環境對液壓支架激光修復的工藝研究

王 崗，楊 鵬，吳從皓

(1.陜煤黃陵礦業有限公司機電公司，陜西 延安 727307；2.南京中科煜宸激光技術有限公司，江蘇 南京 210046)

0 引言

液壓支架是煤礦開采所用的關鍵機械設備，在井下礦采過程中起到支撐和綜采面的承護作用，防止矸石、煤渣等外部破壞物體掉落回采工作面和輸送機上，為煤炭開采工作的順利進行提供有效的安全保障[1 -3]。近年來，隨著井下作業的不斷深入，環境條件愈發惡劣，大采高綜采工作面液壓支柱受磨損、腐蝕的情況也越來越嚴重，因此，以優化材料表面改性技術為出發點，研究磨損、腐蝕的防范機制，研發耗能低、余量小、周期短、更智能的表面修復技術，對煤機行業的順利運行將起到重要作用，乃至對整個國民經濟有著重要的意義[4 -5]。

激光熔覆是一種新的表面改性與零件加工技術，它集光學、機械學、冶金學、計算機學等為一體，利用高能量密度的激光束使基材表面的熔覆材料與薄層一起熔融并快速凝固，形成冶金結合良好的增材熔覆層，得到具有良好力學、物理、化學性能的熔覆層，能顯著提高基體材料耐磨、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化的性能，廣泛應用于航空航天、冶金煤電、汽車制造關鍵零部件的表面處理及局部再制造與修復，應用前景廣闊，不僅可以節約生產成本，避免能源浪費，還可大幅提高結構件的使用壽命[6 -9]。

基于黃陵二號煤礦煤油氣共生的特殊環境，以及因開采強度和開采深度不斷增加，引發煤層硫化氫氣體會損害礦用液壓支架使用壽命的情況，本文通過激光熔覆技術對液壓支架進行表面修復，并利用掃描電子顯微鏡(SEM)、顯微硬度儀、中性鹽霧試驗等對熔覆層的性能進行分析，力求提高礦用液壓支架的服役性能。

1 實驗過程

1.1 實驗材料

實驗用基材為礦井液壓支架常用的27SiMn合金，管材壁厚15 mm，外徑194.9 mm，基材成分見表1。熔覆層所用原料為鐵基合金粉末，其成分見表2，粒徑為53～150 μm，球形度為95%，粉末流動性良好。

表1 實驗基材27 SiMn的化學成分

1.2 實驗方法

試驗設備采用KUKA機器人，裝配有6 kW半導體激光器，準直100 mm，聚焦250 mm，焦點光斑大小為16 mm× 2.2 mm，送粉器為大容量雙桶載氣式重力送粉裝置，耦合單軸轉臺，如圖1(a)所示。圖1(b)為激光熔覆技術加工示意圖，詳細熔覆工藝參數：激光功率6 000 W，單軸轉臺線速度14 mm/s，送粉速率 1.5 RPM熔覆搭接率50%，熔覆層厚度均為1.2 mm，熔覆層外觀形貌，如圖1(c)所示。利用電火花數控線切割機床對熔覆后的工件進行加工，制備出近似長方體的圓弧狀試件，尺寸約10 mm×10 mm×12 mm，通過在80目、400目、600目直至2 000目砂紙上進行細磨，當試樣表面沒有明顯劃痕之后，利用金剛石拋光膏在金相拋光機上將試樣表面進行拋光，直至試樣表面呈現鏡面。將拋光好的試樣進行腐蝕，腐蝕劑為鹽酸 -氯化鐵溶液(鹽酸2 mL、氯化鐵2.5 g、苦味酸5 g和水90 mL)，然后用無水乙醇將清水沖洗干凈，并迅速吹干。采用JSM-7900F型SEM對其橫截面微觀形貌進行觀察，掃描區域包括基材，熔覆層以及層間結合處，并通過線掃方式檢測出元素分布規律；利用TH701顯微硬度計對基材、熔合區以及熔覆層設置以加載載荷為0.98 N，保壓時間為10 s，每隔0.2 mm進行硬度測試，取其平均值對不同區域的硬度值進行直觀比較；最后對工件熔覆層表面進行機加工處理，先粗車后磨削加工，最終保留單邊熔覆層尺寸0.5 mm左右，對機加工表面進行中性鹽霧試驗：試驗溫度為(45±2)℃，鹽霧沉降率為1.2 mL/(80 cm2·h)，時間為527 h，觀察腐蝕后的表面情況。

表2 Fe基合金粉末的化學成分

2 結果與討論

2.1 鐵基熔覆層微觀組織分析

從已熔覆的液壓支架管壁截取一部分進行金相觀察，如圖2所示，可以發現熔覆層與液壓支架表面的結合非常牢固，因異質而出現明顯的界面。通過對熔覆層進行更加深入的觀察發現，熔覆層底部分布著一層薄薄的細晶區，這是由于支架表面溫度較低，受激光直射熔粉導致結合處過冷度較大，提高晶粒形核率。除此之外，其他大部分區域受到溫度梯度引導而產生以柱狀晶為主的微觀組織，但是由于柱狀晶內有大量二次枝晶的形成，使晶粒趨于細化、等軸化，眾所周知，組織的改善也決定材料力學性能的提高，這為熔覆層保護液壓支架提供了理論可能。

圖1 液壓支架表面熔覆概況Fig.1 Overview of surface cladding of hydraulic support

圖2 激光熔覆后的管壁橫截面的光學顯微圖像Fig.2 The optical microscopy images images of the cross-section of the tube wall after laser cladding

圖3為激光熔覆鐵基合金橫截面區域的顯微組織，從圖3(a)中可以看到基材的微觀形貌，由于掃描區域靠近熔覆層，因此受熱影響較為明顯。圖3(b)顯示出層間界面的熔合區，從圖中可以看到熔覆層與基材之間的冶金結合良好，理論上講，在經受礦渣的磨損與惡劣環境的侵蝕以后，鐵基涂層不易脫落，提高液壓支架的使用壽命，大大增加礦產效率。圖3(c)顯示出激光熔覆鐵基合金涂層的典型組織形態，接近熔合區的微觀組織表現為較為粗大的柱狀晶，并延伸生長出二次枝晶，柱狀晶垂直于層間結合面擇優生長，其歸因于在單向熱流的作用下，導致明顯的溫度梯度產生，誘導晶粒沿著溫度梯度過度生長，最終形成異常粗大的柱狀晶[10 -11]。由于熔池的冷卻速度過快，在熔覆層中部和頂部的微觀組織表現為近等軸狀晶粒，且尺寸較小平均在20 μm以內，良好的組織形態決定優異的力學性能，根據Hall-Petch效應[12]，晶粒尺寸越小，材料強度越高，在有關于對鐵基熔覆層的顯微硬度的解釋中表述。另外，通過對熔覆層內2種析出相(A和B)進行EDS能譜分析發現，它們的元素含量分布大致相同，主體元素均為Fe，含量分別高達73.33wt.%和74.51wt.%，其次便是元素Cr，含量分別為17.70wt.%、16.40wt.%，最后除C和Ni外，其余元素的含量極少，均可忽略不計。

圖3 激光熔覆后的管壁橫截面的微觀形貌圖像Fig.3 The micromorphology images of the cross-section of the tube wall after laser cladding

圖4顯示使用SEM沿著27SiMn基材至鐵基合金熔覆層進行線掃描，檢測出各元素分布情況。在圖4(a)中，界面結合處的左邊區域為基材，右邊為熔覆層。圖4(b)顯示掃描區域的元素分布狀況，基材與熔覆層中的Fe含量都很高，Cr元素含量開始很低，到后半部分驟然增加，其余元素含量較低，這主要歸因于兩者材料的主體成分均為Fe，不同的是，基材27SiMn所含Cr元素極低，而在熔覆層中含量較高。一般來說，Cr、Ni、Mo、Si等合金元素對鐵的耐腐蝕性是有利的[13]。通過線掃描元素全譜圖，如圖4(c)所示，并結合表1與表2，對比基材與熔覆層材料中的合金元素成分發現Cr、Ni、Mo以及Si元素含量均比基材高，這就代表熔覆層的耐腐蝕性要比基材優異得多。

2.2 熔覆層耐腐蝕性能與硬度測試

通過對熔覆后的液壓支架進行中性鹽霧試驗，發現表面熔覆層具備非常優異的的耐腐蝕性能，如圖5所示。圖5(a)為對表面熔覆層機加工后的支架宏觀照片，表面十分光滑，沒有出現較明顯的氣孔、裂紋等冶金缺陷。在經過527 h鹽霧腐蝕后的熔覆層試樣表面只出現一個明顯的銹點，熔覆層整體表面光潔，幾乎沒有腐蝕現象發生，如圖5(b)所示。按照GB/T 10125—2012《人造氛圍腐蝕試驗鹽霧試驗》和GB/T 6461—2002《金屬基體上金屬和其他無機覆蓋層經腐蝕試驗后的試樣和試件的評級》進行結果評估，表面熔覆層的防腐等級已達到580 h，激光熔覆制備的鐵基合金熔覆層的耐腐蝕性能達到9級以上，具有非常出色的耐腐蝕性能，可以大幅提升礦用液壓支架的服役壽命。

圖4 基材與熔覆層的元素分布變化Fig.4 Changes in the element distribution of the base material and the cladding layer

圖5 熔覆后液壓支架的中性鹽霧試驗Fig.5 Neutral salt spray test of hydraulic support after cladding

圖6中顯示出液壓支柱激光熔覆后不同位置的硬度變化情況，結果表明，由基體向熔覆層縱向延伸，其顯微硬度值逐漸上升，其中基體的平均硬度值約為261.2 HV0.1，熔合區的平均硬度值約為363.7 HV0.1，至到熔覆層的527.4 HV0.1，與基體相比，顯微硬度提高了近1倍，這主要歸功于細晶強化以及Cr、Ni等微合金化元素的強化[14]。

圖6 液壓支架管壁不同區域的硬度變化Fig.6 The hardness changes in different areas of the wall of the hydraulic support

3 結論

(1)利用激光熔覆技術修復礦用液壓支架，熔覆層與基材界面冶金結合良好，不易脫落，熔覆層內具有優異的組織性能，晶粒尺寸細小，在一定程度上起到細晶強化的作用。

(2)熔覆層內微合金化元素Cr含量較基材要多一些，在一定程度上能夠提高液壓支架修復層的耐腐蝕性。

(3)經過長時間的中性鹽霧腐蝕試驗表明熔覆層具備優異的耐腐蝕性，對提升液壓支架在井下的服役壽命極其有利。

(4)熔覆層硬度較基材得到了極大地提高，其平均硬度從基材261.2 HV0.1升高了近1倍，達到了527.4 HV0.1，在一定程度上可以抵御外部環境(如煤渣、石塊等)對液壓支架碰撞所造成的損傷。