激光熔覆技術在工程裝備零部件維修及再制造中的應用現狀及發展

劉 策，王海濤，譚業發，王俊杰

（陸軍工程大學，江蘇 南京 210000）

0 引言

軍隊工程裝備（engineer equipment）主要由渡河橋梁裝備、道路陣地機械、筑城施工機械、野戰給水機械、工程偵察與指揮裝備等裝備組成。對于這些工程機械進行維修時，多方面考慮戰場上保障時限短、零件后方調配困難、裝備易磨損易腐蝕等因素，對小型零部件主要采用換件維修，即對損傷零部件直接更換，而大型零件直接更換難度大、成本高，通常采用表面工程技術在零部件表面制備出性能更加優越的涂層，此法不僅可以將已經失效零部件修復至原始尺寸，而且可以提升零部件的性能，保障了再制造工程裝備整機的可靠性和穩定性，與傳統的換件維修相比，極大地降低了生產成本。

目前，工程裝備主要采用的表面工程技術主要有機涂裝、熱浸鍍、熱噴涂、電鍍、化學鍍、氣相沉積、堆焊、激光熔覆等。激光熔覆技術相比其他表面工程技術，具有以下特點：激光能量密度高，加熱速度快，對基材熱影響區較小，熱變形小；冷卻速率較快（102～106K/s），涂層上組織密實，晶粒小；涂層稀釋低，涂層與基體呈冶金結合，結合強度高；材料選擇范圍廣，金屬材料、陶瓷材料及復合材料均可作為熔覆材料；易實現自動化，無環境污染[1]。激光熔覆技術被廣泛應用于船舶制造、航空航天、汽車再制造、礦山機械、軍事保障等領域[2]。

本文對激光熔覆技術原理進行概述，以及利用該技術對工程裝備零部件進行維修及再制造的研究現狀與發展前景，并有針對性地提出了4 點可供參考的研究方向。

1 激光熔覆技術

激光熔覆技術（Laser Cladding，LC）是一種表面改性技術，該技術屬于多元型學科，包括激光技術、計算機輔助制造技術和控制技術等。其原理為以高能量密度（104～106W/cm2）的激光熱源，使涂層材料和基材表面薄層同時熔化，并快速凝固形成稀釋率極低，與基材呈冶金結合的表面熔覆層，從而顯著改善基材表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等的一種表面強化方法。

根據送粉方式，目前最常用的LC 方法是同軸粉末系統[3]和預置粉末系統[4]。同軸送粉為當粉末通過載氣從送粉噴嘴噴出時，激光束照射基材形成液體熔池[5]，粉末與激光相互作用后，隨著送粉噴嘴與激光束同步移動，進入液體熔池并形成熔覆層。與同軸粉末系統不同，熔覆材料在預置粉末系統中預先放置在基板上。然后，通過激光束掃描將預置的粉末熔化，熔池迅速冷卻，形成熔覆層。一般而言，預置粉系統操作簡單，熔覆質量較好，但穿透深度不易控制，稀釋度大。同軸粉末系統激光利用率高，但對熔覆設備的質量要求很高。

激光熔覆材料的應用中，主要有自熔性合金粉末、陶瓷材料、金屬陶瓷復合材料、稀土元素改性材料。材料之間性能差異較大，可根據實際需求選擇恰當的材料[6]。

2 激光熔覆技術在工程裝備零件維修及再制造中的應用現狀和前景

目前，對工程裝備修復所應用的主要技術有電弧噴涂、熱處理、堆焊等，但隨著激光熔覆技術的不斷發展，制備涂層性能日漸優異，效率也在不斷變高，為工程裝備修復及再制造提供了新方法新思路。

2.1 應用現狀

張世憑在挖掘機磨損斗齒表面用激光熔覆技術制備VC 鐵基復合材料涂層，恢復原件尺寸，提升了其耐磨性[7]。德國漢諾威萊布尼茲大學Klaierle 等利用激光熔覆與激光重熔復合工藝完成了對渦輪發動機葉片的修復[8]。蘇倫昌等對煤礦機械關鍵設備之一的液壓支架立柱進行再制造對比研究，研究表明，激光熔覆再制造是電鍍修復技術使用壽命的6 倍，經濟效益和環境效益方面亦有著明顯優勢[9]。

激光熔覆技術除了可以對損壞的零件進行修復以外，還能用來對已有的工程機械零部件進行再制造，從而提升工件性能，延長使用壽命。焦陽等以低碳高鉻鐵基熔覆粉末為原始材料，利用激光熔覆技術制備了不同Mo 加入量的鐵基熔覆層，明顯改善了液壓油缸熔覆層材料的耐蝕性，可以滿足苛刻的煤礦液壓支架防護要求[10]。陸偉明利用激光熔覆技術對柴油機的活塞進行再制造處理，利用三大類共計11 種不同成分的自熔性合金粉末，在以42CrMo 為基材的試樣上進行激光熔覆，最終選擇Fe60 作為該活塞的熔覆粉末，而后從激光入射角、激光功率、掃描速度等工藝參數綜合分析，進行2 輪共計12 組試驗，獲得最優的工藝參數。該研究為活塞的批量化生產以及再制造產品的可靠性提供有力的技術支撐[11]。

2.2 應用前景

與航空航天、汽車再制造、船舶再制造等高端制造領域相比，利用激光熔覆對工程裝備進行維修和再制造發展較慢、水平較低，為保障工程裝備完好率和可靠性，借鑒其他領域的激光熔覆先進成果，從表面強化、提高耐腐蝕性2 個方面進行研究。

2.2.1 表面強化

工程裝備結構復雜、零件種類繁多，一些零件不僅要求具有足夠的剛度和韌性，還要求表面具有足夠的硬度和耐磨性，如齒輪齒面、傳動軸配合面等，都要求較好的耐磨性和較高的表面硬度。

在提升零部件耐磨性方面，李云峰以大型齒圈常用的ZG42CMoA 鋼為基材，設計了一種包含界面連接層、增韌層與耐磨層的夾層式復合結構涂層以提升齒面的耐磨和耐沖擊性能[12]。封慧等在45 鋼表面利用激光熔覆技術制備Fe 基熔覆層，優化工藝參數后，得到致密無缺陷的熔覆層，其硬度明顯高于基體，曲軸軸頸出現過度磨損以及裂紋的問題得到了有效解決[13]。Zhang 等在利用激光熔覆技術，在45 鋼表面制備Ni60A 涂層，全面系統地探究了基材及激光熔覆涂層在不同載荷下相對于GCr15 球滑動的高溫摩擦和磨損行為，隨著載荷的增加，基材和熔覆層的耐磨性雖都有所增加，但是涂層與基材的磨損率比為1/6.2[14]。坦克在執行任務中，發動機凸輪軸會承受氣門周期性打開與關閉的沖擊，并導致凸輪桃尖磨損失效。董世運等人在坦克凸輪軸表面激光熔覆Fe90 鐵基合金粉末，獲得沒有裂紋、氣孔且組織致密的涂層，其耐磨性得到了較大改善[15]。

在提升零部件硬度的方面，張艷麗等在45 鋼表面分別制備Fe60 合金和Ni60 合金激光熔覆涂層，并對兩者的性質作以比較得出結論，Ni60 合金熔覆涂層雖然硬度較高，但裂紋較多，而Fe60 合金熔覆涂層不僅結合區硬度高，而且具有良好的冶金結合，無明顯缺陷，得出結論，Fe60 合金粉末更適合在45 鋼表面進行激光熔覆處理[16]。牛興林等利用某鐵基合金粉末在45 鋼表面制備激光熔覆層，研究表明，由于熔覆過程加熱和冷卻速度極快，因而得到較大的過冷度，熔池內合金元素快速形成化合物，熔覆層晶粒尺寸和組織更加細密，獲得了硬度較大的熔覆層[17]。吳思等采用激光熔覆技術在45 鋼表面制備WC－12Co 金屬陶瓷熔覆層，熔覆層從上至下，硬度逐漸下降，表層C含量較高，硬度最高，從而得出結論WC 顆粒提升熔覆層的硬度[18]。

2.2.2 提高耐腐蝕性

工程裝備的零部件絕大多數為金屬材質，盡管其零部件在剛出場時都有一定的防銹保護，如電鍍、涂裝等表面工程技術，但是裝備一般在室外且條件較為惡劣的露天環境作業，裸露的金屬仍然易產生氧化銹蝕。所以可以利用激光熔覆技術制備耐腐蝕涂層，從而阻斷金屬與大氣和水分直接接觸，從而起到防銹保護的作用[19]。

邱等人研究了激光熔覆Al2CrFeCoxCuNiTi HEA涂層在Q235 鋼上的耐腐蝕性能，結果表明包覆層在質量分數為3.5%的NaCl 和1 mol/L NaOH 溶液中的耐腐蝕性能良好[20]。白永濤等在液壓支柱、千斤頂表面以不同配比激光熔覆低碳馬氏體和不銹鋼混合粉末，提高了其耐磨耐蝕性，延長了液壓支柱的使用年限[21]。上述研究結果表明，激光熔覆技術為耐腐蝕防磨的實現提供了一定的可行性。

研究發現，通過對外場條件的添加和控制可以顯著提高熔覆層耐腐蝕性。翟璐璐以純鐵為基體，Ni60自熔性合金粉末為熔覆材料，采用單一交變電流、單一穩態磁場及電-磁復合場三種輔助形式，詳細考察了電磁場條件下激光熔覆涂層的表面形貌、橫截面尺寸、凝固組織、裂紋數量以及顯微硬度的變化。通過實驗最終利用較小的電-磁復合參數便能夠獲得優質的激光熔覆涂層，提升了涂層的耐腐蝕性。此方案為利用激光熔覆技術強化工程裝備提供了技術指導[22]。綜上，激光熔覆技術對提升工程裝備的耐腐蝕性提供了一定的可行性。

3 結語

自1974 年Gnanamuthu 在金屬基材表面激光熔覆一層金屬并獲得相關專利后，該技術經過近半個世紀的研究，目前，積累了大量經驗和實驗數據。但其在工程裝備修復強化中的研究與應用仍然較少，為實現激光熔覆在工程裝備維修與再制造領域的推廣，今后可以從以下幾個方向研究：

1）吸取激光熔覆技術在高端行業研究中積累的成果，并沿用至工程裝備中，從而改善工程裝備維修及再制造水平低、發展速度慢的現狀。

2）激光熔覆技術在軍用和民用架橋機上的應用仍然較少，武鋼研究院在對架橋機大臂鋼板使用中開裂進行分析后發現，該裝備在遠未達到使用壽命，鋼板失效屬于焊縫夾渣部分疲勞斷裂，并沿該焊縫路徑擴展，同時焊縫中存在材質較脆的馬氏體組織[23]。采用激光熔覆技術對架橋機大臂鋼板進行處理，不僅可以有效提升其力學性能，還可以增強抗腐蝕和抗氧化能力，為軍用和民用架橋裝備維修及再制造技術提供新思路、新方法。

3）熔覆層與基材的冶金結合強度穩定性有待提高。由于熔覆層加熱和冷卻速度極快，熔覆材料與基材的熱膨脹系數、熔點以及潤濕性等性能方面存在差異，使得冶金結合處易產生裂紋，所以冶金結合的效果還有待提高。

4）對激光熔覆的工藝參數進行優化升級。在激光熔覆中，如何快速高效的找到一套工藝參數組合的最優解，一直是科研工作者攻關的重點課題，同時合適的的工藝參數對于制備優質涂層具有重要意義。

盡管在現有環境下，激光熔覆在軍隊中的應用范圍較少，許多技術還未走出實驗室，但是相信在軍隊各級領導的幫助和科研工作者的共同努力下，在不久的將來，激光熔覆設備將成為提升部隊后勤保障能力、快速恢復戰損裝備的有力工具。