高速動車組車軸激光熔覆再制造填充粉末選型研究

肖雪峰，齊先勝，李碩，劉和平

中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東青島 266111

1 序言

車軸是高速動車組走行部的關(guān)鍵零件，受到車輪與軌道接觸產(chǎn)生交變疲勞載荷沖擊，其性能優(yōu)劣直接影響行車安全[1，2]。高速動車組每運行一定里程或時間均需對車軸進行檢修，輪座及齒輪座劃傷、軸身磕碰超過檢修標準時需報廢處理。具不完全統(tǒng)計，高速動車組車軸報廢數(shù)量約1000根/a，報廢車軸價值高，資源浪費嚴重，因此開發(fā)安全、高效的車軸修復技術(shù)已成為軌道交通行業(yè)亟待解決的問題。

激光熔覆再制造是以喪失使用價值的損傷、廢舊零部件作為毛坯，利用激光熔覆技術(shù)對其進行批量化修復和性能升級，所獲得激光再制造產(chǎn)品性能達到或超過新品的加工工藝方法[3，4]。激光熔覆再制造技術(shù)作為再制造領(lǐng)域的核心技術(shù)具有能量密度高，熱影響區(qū)小、界面結(jié)合強度高、工件熱變形小、成形美觀、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點[5-8]。自20世紀70年代提出以來，受到工程技術(shù)人員的青睞。經(jīng)過近50年的發(fā)展已經(jīng)成功應用于航空航天、模具裝備、礦山設(shè)備、機床裝備等機械行業(yè)[9-11]，在高速動車組車軸的修復再制造領(lǐng)域有著廣闊的應用前景。激光熔覆填充材料選型是車軸再制造重要的基礎(chǔ)支撐，是再制造工藝開發(fā)的先決條件。本文以時速350km高速動車組車軸為研究載體，研究不同成分金屬粉末的激光熔覆工藝性、與車軸基材性能的匹配性，并確定車軸激光熔覆再制造填充材料的選型原則，為激光熔覆再制造填充材料優(yōu)化選型指明方向，為高速動車組車軸激光熔覆再制造技術(shù)開發(fā)做好基礎(chǔ)準備。

2 試驗方法

2.1 粉末成分

本項目所涉及的激光熔覆填充粉末分為同質(zhì)增材粉末和異質(zhì)增材粉末。其中同質(zhì)增材粉末以高速動車組車軸基材（EA4T）合金成分為基礎(chǔ)，通過調(diào)整B、Si、Ni等自熔性元素含量，制備EA4T、EA4T-1、EA4T-2、EA4T-3系列粉末，其名義化學成分見表1。異質(zhì)增材粉末選擇彈性模量、熱膨脹系數(shù)、熔點等物理性能與EA4T相近的Fe310粉末和NiCrMo粉末作為研究對象，其名義化學成分見表2。

2.2 粉末制備方法

試驗用粉末采用真空感應氣體霧化法（VIGA法）制備，通過VIGA法制備的金屬粉末如圖1所示，由圖1可知，合金粉末粒徑均勻，大部分粉末有良好的球形度，表面光滑完整，個別粉末呈近球形，粉末粒度為53～150μm，適合激光熔覆。

表1 同質(zhì)增材填充粉末名義化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 異質(zhì)增材填充粉末名義化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

圖1 VIGA法制備的金屬粉末

2.3 激光熔覆再制造

采用進口Laserline 4kW半導體-光纖耦合激光器，配合庫卡柔性焊接機器人在EA4T車軸基材上進行激光熔覆，激光熔覆參數(shù)見表3。

表3 激光熔覆參數(shù)

2.4 熔覆金屬力學性能檢測方法

使用顯微維氏硬度計檢測熔覆金屬的硬度值，加載載荷100g。按照BS EN 10002-1要求制備熔覆金屬拉伸試樣，采用萬能力學試驗機在室溫條件下進行拉伸試驗。按照BS EN 10045.1要求制備U型缺口熔覆金屬試樣，在室溫條件下進行沖擊試驗。

3 結(jié)果與討論

3.1 工藝性能研究

EA4T、EA4T-1、EA4T-2、EA4T-3合金粉末熔覆金屬狀態(tài)見圖2。由圖2可知，4種金屬粉末的潤濕性、抗氧化性、抗氣孔裂紋能力均較差。熔覆金屬存在大量的氧化、夾溝、焊瘤、裂紋等缺陷，不符合再制造產(chǎn)品質(zhì)量要求。EA4T金屬粉末工藝性能較差，主要是由于其碳當量較高（約為0.6%），焊接性較差，且合金元素中Si、Cr、Ni含量較低，熔覆金屬的抗氧化性和自熔性較差。雖然EA4T-1及EA4T-2粉末增加了自熔性B元素的含量，但由于激光熔覆的熔池冷卻速度較快，B作為脫氧劑生成的硼硅酸鹽來不及浮到熔池表面而殘留在熔覆層內(nèi)，無法起到防止熔池氧化的作用。同時，低熔點硼硅酸鹽在熔覆層冷卻過程中形成液態(tài)薄膜加劇了熔覆層的開裂傾向。EA4T-3合金粉末取消了B元素，提高了Ni元素的含量，其抗氧化性能有了一定程度的提升，但其潤濕性仍然較差，熔覆金屬表面依然存在大量的夾溝等缺陷。

圖2 同質(zhì)增材粉末熔覆金屬宏觀狀態(tài)

圖3 異質(zhì)增材粉末熔覆金屬宏觀狀態(tài)

Fe310、NiCrMo合金粉末熔覆金屬狀態(tài)如圖3所示。由圖3可知，F(xiàn)e310粉末和NiCrMo粉末的熔覆工藝性能好，熔覆完成后呈現(xiàn)光亮的金屬光澤。這是由于Fe310粉末和NiCrMo粉末均含有較高的Ni、Cr合金元素，熔覆金屬的抗氧化性強。此外，F(xiàn)e310粉末和NiCrMo粉末熔覆金屬的組織狀態(tài)為奧氏體組織（見圖4），熔覆過程中不易出現(xiàn)裂紋。因此，其熔覆工藝性能較好。

圖4 異質(zhì)增材粉末熔覆金屬顯微組織狀態(tài)

3.2 顯微硬度

EA4T車軸經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，具有較高的強韌性，硬度為230HV。不同成分填充粉末熔覆金屬顯微硬度對比情況如圖5所示。由圖5可知，EA4T、EA4T-1、EA4T-2粉末熔覆金屬的顯微硬度遠高于車軸基材。這是由于EA4T、EA4T-1、EA4T-2粉末碳當量高，激光熔覆過程冷卻速度快，熔覆金屬形成了大量的淬硬馬氏體組織。EA4T-3、Fe310及NiCrMo合金粉末的顯微硬度與車軸基材相當，這是由于該三種合金粉末Ni含量均較高，Ni作為強奧氏體形成元素，能夠促進熔覆金屬奧氏體組織形成，進而降低硬度。

圖5 熔覆金屬與基材硬度對比

3.3 拉伸性能

不同成分熔覆金屬拉伸性能對比情況如圖6所示。由于EA4T、EA4T-1、EA4T-2粉末的工藝性能較差，熔覆金屬無法制備拉伸力學性能試樣，因此未檢測其拉伸性能。由圖6可知，NiCrMo和Fe310粉末熔覆金屬的屈服強度、抗拉強度和伸長率均優(yōu)于車軸基材，且滿足BS EN 13261標準要求。EA4T-3粉末的屈服強度、抗拉強度和伸長率低于車軸基材，呈現(xiàn)典型的脆性斷裂，伸長率幾乎可以忽略。這是由于EA4T-3粉末熔覆金屬中存在大量的微裂紋缺陷（見圖7），微裂紋在拉應力作用下迅速擴展導脆性斷裂。

圖6 熔覆金屬拉伸性能對比

圖7 EA4T-3粉末熔覆金屬裂紋狀態(tài)

3.4 沖擊性能

不同粉末熔覆金屬沖擊性能對比如圖8所示。由圖8可知，F(xiàn)e310和NiCrMo粉末熔覆金屬的沖擊性能優(yōu)于車軸基材，且滿足BS EN 13261標準要求。EA4T-3粉末熔覆金屬沖擊吸收能量僅為12J，遠低于車軸基材。

4 車軸激光熔覆填充材料選型原則

圖8 熔覆金屬沖擊性能對比

激光熔覆過程是一個劇烈的、復雜的物理化學過程，能量密度高、冷卻速度快，熔覆金屬質(zhì)量和性能影響因素復雜，控制困難。除激光熔覆工藝窗口優(yōu)化控制外，激光熔覆填充材料的選型成為影響熔覆金屬質(zhì)量和性能的最主要因素。根據(jù)高速動車組車軸使用工況及性能要求，在激光熔覆填充材料設(shè)計及選型時，一般需考慮以下幾方面內(nèi)容。

4.1 工藝性原則

車軸激光熔覆再制造填充材料需具有良好的自熔性、潤濕性、抗氧化性和抗裂性，以提高填充材料激光熔覆的工藝性。填充材料合金元素一般應包含Ni、Si、稀土元素，Ni作為強奧氏體形成元素，可以有效提高熔覆金屬的韌性、耐沖擊性和抗氧化性；Si元素作為脫氧劑具有造渣功能，優(yōu)先與填充材料或環(huán)境中的氧結(jié)合生成低熔點的硅酸鹽覆蓋在熔池表面，防止液態(tài)金屬過度氧化，從而改善熔覆金屬的自熔性、潤濕性和抗氧化性；填充材料添加適量稀土元素，一方面可增加形核率，細化熔覆金屬組織；另一方面凈化晶界，提高熔覆金屬強韌性。

4.2 物理性能相近原則

填充材料的熱膨脹系數(shù)需與車軸基材相近。高速動車組運行環(huán)境復雜，運行環(huán)境溫度為－25～45℃，填充材料熱膨脹系數(shù)與車軸基材相差過大時，在冷熱交變的運行環(huán)境下，熔覆層易發(fā)生脫落。

填充材料熔點需與車軸基材相近。填充材料熔點過高時，為保證填充材料完全熔化需提高激光能量，一方面會導致車軸基材熱影響區(qū)增加，擴大車軸基材損傷程度；另一方面會使基材表面過度熔化導致熔覆層稀釋度增大，破壞熔覆層性能。填充材料熔點過低則會造成界面結(jié)合不良。

4.3 力學性能相近原則

高速動車組車軸與車輪連接，使用過程中受到車輪與軌道接觸產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞載荷，使用工況復雜，對強韌性要求高。為保證再制造車軸的使用性能，熔覆金屬硬度、彈性模量、屈服強度、沖擊韌度等力學性能需與車軸基材性能相近。熔覆金屬力學性能過高或過低，均會造成再制造車軸力學性能不連續(xù)。在性能突變位置易產(chǎn)生位錯等缺陷的堆積進而產(chǎn)生裂紋，使再制造車軸失效。

5 結(jié)束語

1）Fe310和NiCrMo異質(zhì)填充粉末自熔性、潤濕性、抗氧化性和抗裂性良好，硬度、抗拉強度、沖擊韌度等力學性能與車軸匹配，滿足BSEN 13261標準要求，工程應用可行。

2）高速動車組車軸激光熔覆再制造填充材料選型應遵守工藝性原則、物理性能相近原則和力學性能相近原則。即填充材料成分應包含Ni、Si或稀土元素，以提高熔覆金屬的工藝性能；填充材料的熱膨脹系數(shù)、熔點等物理性能需與車軸相近；填充材料的硬度、彈性模量、屈服強度、沖擊韌度等力學性能需與車軸相近。