激光熔覆修復(fù)技術(shù)在40Cr軸類零件現(xiàn)場修復(fù)中的應(yīng)用

都躍良

鎮(zhèn)海石化建安工程有限公司 浙江寧波 315211

1 序言

風(fēng)機廣泛用于工廠、礦井、隧道、冷卻塔的通風(fēng)、排塵和冷卻，以及鍋爐和工業(yè)爐窯的通風(fēng)和引風(fēng)，在化工行業(yè)應(yīng)用廣泛。其中風(fēng)機主軸長期承受隨機交變載荷，經(jīng)常在惡劣工況下工作，易出現(xiàn)磨損甚至斷裂失效等情況[1-4]。一旦損壞將直接影響整個化工設(shè)備的運行，是化工廠修復(fù)工作的重中之重。由于大型軸類零件價格較高，生產(chǎn)周期長，因此具有較高的修復(fù)價值。磨損軸類零件的現(xiàn)場修復(fù)一直是亟待解決的技術(shù)難題，利用激光熔覆修復(fù)技術(shù)在磨損軸面上制備出高強度和高耐磨性的合金涂層，不僅能夠延長風(fēng)機的使用壽命，減少生產(chǎn)成本，而且使資源得到循環(huán)再利用[5-9]。

目前，已有諸多學(xué)者對激光修復(fù)技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用開展了大量研究。張震等[10]針對PCrNi3MoVE鋼制炮用受損零部件的高性能修復(fù)需求，修復(fù)試樣的抗拉強度、沖擊韌度均高于PCrNi3MoVE鋼基材鍛件標準，伸長率略低于鍛件。劉俊航等[11]運用激光熔覆技術(shù)在Q235鋼表面熔覆Ni60合金，研究了不同掃描速度對熔覆層的顯微組織、硬度和耐磨損性能的影響。試驗表明，隨著掃描速度的增加，激光熔覆層的硬度和耐磨性得到改善。鄧德偉等[12]采用等離子堆焊技術(shù)在Z2CN18-10核電用不銹鋼表面堆焊Ni60合金，并研究Ni60合金堆焊層的組織結(jié)構(gòu)、硬度和耐蝕性能，結(jié)果表明，Ni60堆焊層硬度約為500HV，明顯高于基體。李金華等[13]采用正交試驗法研究了激光熔覆過程中相對工藝參數(shù)對Ni60合金粉末組織和顯微硬度的影響，結(jié)果表明，不同工藝參數(shù)下熔覆層的顯微硬度差異不大，主要集中在680～720HV，而熔覆層的高度波動較大。

上述研究主要集中在鋼制炮、模具等的修復(fù)領(lǐng)域，對于化工機械的現(xiàn)場激光修復(fù)工藝研究較少。為了促進激光修復(fù)技術(shù)更好地服務(wù)于化工生產(chǎn)，本文以出現(xiàn)磨損的40Cr風(fēng)機主軸為研究對象，通過激光修復(fù)系統(tǒng)在40Cr主軸面上進行激光修復(fù)。同時，分析了修復(fù)層的金相和微觀組織、組織特征、顯微硬度及耐磨性，為提高風(fēng)機主軸失效表面激光修復(fù)層質(zhì)量提供理論和技術(shù)依據(jù)。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗材料

試驗用的基體材料為風(fēng)機主軸40C r鋼，試驗前，將試樣表面的油、銹和氧化物除去。采用的Ni60A粉末顆粒直徑為53~150μm，在掃描電子顯微鏡（SEM）下，發(fā)現(xiàn)粉末形狀為規(guī)則的球體，球狀粉末具有良好的流動性，如圖1所示?；w與粉末材料的主要化學(xué)成分見表1。

表1 40Cr基體及Ni60A合金粉末的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%)

圖1 Ni60A合金粉末

2.2 試驗設(shè)備

高溫合金裂紋的激光修復(fù)試驗在光纖激光加工系統(tǒng)上進行，該系統(tǒng)包括一臺通快4.0kW光纖激光器（波長1070nm，光斑直徑為1.5mm，最高功率4.0kW，修復(fù)時選擇連續(xù)模式）、ABB 6軸機器人、熔覆頭、冷水機、送粉器和修復(fù)工裝系統(tǒng)等，激光修復(fù)試驗系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 激光修復(fù)試驗系統(tǒng)

2.3 試驗參數(shù)設(shè)置

為研究不同激光參數(shù)對修復(fù)界面結(jié)合的影響規(guī)律，采用單一變量法設(shè)計了4組（見表2）單道修復(fù)試驗，變化的修復(fù)參數(shù)分別為激光功率和掃描速度。激光功率變化為0.8~1.6kW，掃描速度變化為2~8mm/s。找到最佳修復(fù)工藝參數(shù)進行多道多層激光修復(fù)，再進行修復(fù)區(qū)微觀組織分析、顯微硬度和摩擦磨損性能分析。

表2 修復(fù)工藝參數(shù)

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 工藝參數(shù)對修復(fù)區(qū)金相組織的影響

為研究不同激光參數(shù)對修復(fù)界面結(jié)合的影響規(guī)律，4組參數(shù)下的修復(fù)試驗結(jié)果見表3。首先從單道修復(fù)件的宏觀形貌觀察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)掃描速度為2mm/s和8mm/s時，修復(fù)區(qū)表面出現(xiàn)較多明顯的裂紋。當(dāng)掃描速度較大時，輸入的能量密度較大，產(chǎn)生的溫度較高，修復(fù)區(qū)和基體之間的溫度梯度過大，導(dǎo)致產(chǎn)生的熱應(yīng)力較大，因此在修復(fù)區(qū)表面產(chǎn)生裂紋。同時，當(dāng)掃描速度較高時，一方面是由于輸入的能量密度小，另一方面是由于掃描速度較大，修復(fù)區(qū)的熱量還來不及向基體傳遞，導(dǎo)致修復(fù)區(qū)和基體之間的熱應(yīng)力增大，因此產(chǎn)生裂紋。當(dāng)掃描速度為4mm/s和6mm/s時，修復(fù)區(qū)表面沒有產(chǎn)生裂紋，修復(fù)區(qū)表面較光滑且沒有黏粉。為觀察修復(fù)區(qū)與基體之間的結(jié)合情況，采用線切割機床沿垂直于修復(fù)道的面進行切割，然后鑲嵌、拋磨等。之后用4%硝酸乙醇溶液腐蝕40Cr基材，再用王水溶液（HCl：HNO3體積比為3:1）對修復(fù)區(qū)進行腐蝕，使用激光共聚焦顯微鏡觀察修復(fù)區(qū)的金相組織，并測量修復(fù)區(qū)的熔深、熔寬和熱影響區(qū)，從而得到最佳工藝參數(shù)，為多道多層修復(fù)提供工藝基礎(chǔ)。

為研究不同激光參數(shù)對修復(fù)區(qū)的熔深、熔寬和熱影響區(qū)的影響規(guī)律，采用激光共聚焦顯微鏡對腐蝕好的金相組織進行觀察，見表3。從表3可以看出，當(dāng)掃描速度為2mm/s和8mm/s時，修復(fù)區(qū)和基體結(jié)合效果較差，修復(fù)區(qū)存在裂紋等缺陷。當(dāng)掃描速度為4mm/s和6mm/s時，修復(fù)區(qū)和基體可以實現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，但是仍存在一些氣孔等微小缺陷，當(dāng)掃描速度為4mm/s時，激光功率為1.2kW、1.4kW和1.6kW時，內(nèi)部均勻且無明顯缺陷。熔深、熔寬和熱影響區(qū)大小如圖3所示。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)掃描速度不變時，隨著激光功率的增加，熔深、熔寬和熱影響區(qū)逐漸增大。當(dāng)激光功率不變時，隨著掃描速度的增加，熔深、熔寬和熱影響區(qū)逐漸減小。當(dāng)掃描速度為4mm/s，激光功率為1.2kW時，熔深和熔寬較小，熔覆層對基體的稀釋較小，且修復(fù)區(qū)內(nèi)部均勻無缺陷。

圖3 單因素試驗熔覆深度、熔覆寬度和熱影響區(qū)統(tǒng)計結(jié)果

表3 不同激光工藝參數(shù)的金相組織

3.2 優(yōu)化工藝參數(shù)對顯微組織的影響

通過激光修復(fù)單因素試驗分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)掃描速度為4mm/s、激光功率為1.2kW時，修復(fù)區(qū)內(nèi)部均勻無缺陷。使用SEM對金相組織進行觀察（見圖4），可以發(fā)現(xiàn)，修復(fù)區(qū)與基體可以形成良好的冶金結(jié)合，在修復(fù)區(qū)底部和兩側(cè)結(jié)合較好，沒有發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷。修復(fù)區(qū)底部組織為粗大的柱狀晶和枝晶，沿沉積方向外延生長。采用掃描速度為4mm/s、激光功率為1.2kW的工藝參數(shù)進行多道多層修復(fù)試驗（見圖5），發(fā)現(xiàn)修復(fù)層與修復(fù)層之間可以實現(xiàn)無缺陷的結(jié)合，如圖5d所示。修復(fù)道與修復(fù)道之間也能實現(xiàn)良好的結(jié)合，如圖5e和圖5f所示。

圖4 速度為4mm/s、激光功率為1.2kW時單道修復(fù)區(qū)的 顯微組織

圖5 速度為4mm/s、激光功率為1.2kW時多層修復(fù)區(qū)的 顯微組織

3.3 修復(fù)層力學(xué)性能分析

為進一步分析激光修復(fù)對材料力學(xué)性能的影響情況，采用型號為RDHVS-1000Z型顯微硬度計，在200gf（1.96N）的壓力、保壓10s的條件下，對修復(fù)區(qū)與基體顯微硬度進行檢測。在顯微硬度測量過程中，沿豎直方向?qū)π迯?fù)層、熱影響區(qū)和基體進行了硬度測試，每個區(qū)域進行多組測量取平均值，得到平均顯微硬度，如圖6所示。從圖6可以看出，Ni60A修復(fù)層的顯微硬度在1000~1200HV，熱影響區(qū)的顯微硬度在370HV左右，40Cr基體的顯微硬度為500~530HV。因此可以看出，修復(fù)區(qū)的顯微硬度相對于基體的顯微硬度提升了1倍。

圖6 40Cr基體和Ni60A修復(fù)層顯微硬度

3.4 修復(fù)層摩擦磨損性能分析

為進一步分析激光修復(fù)對試樣耐磨損性能的影響情況，用型號為GF-Ⅰ型摩擦磨損試驗機，施加載荷為25N，運行速度為280r/min，往復(fù)長度5mm，摩擦周期30min。選擇直徑為3mm的GCr15軸承鋼球作為研磨球，對40Cr基體和Ni60A修復(fù)層摩擦磨損性能進行檢測，得到摩擦磨損系數(shù)和磨痕形貌如圖7所示。從圖7可以看出，40Cr基體摩擦系數(shù)由0.3逐漸增大到0.8左右；Ni60A修復(fù)層的摩擦系數(shù)由0.3逐漸增加到0.4左右。修復(fù)層的摩擦系數(shù)較平穩(wěn)，波動范圍較小。

圖7 40Cr基體和Ni60A修復(fù)層摩擦系數(shù)曲線

采用激光共聚焦顯微鏡對40Cr基體和Ni60A修復(fù)層的磨痕表面進行測量，通過公式W=ΔV/(LD)（其中，ΔV磨損體積，L施加載荷，D磨痕長度）計算得出40Cr基體和Ni60A修復(fù)層磨損率，如圖8所示。由圖可以看出，40Cr基體的磨損率大于Ni60A修復(fù)層的磨損率，這就說明Ni60A修復(fù)層的耐磨性要高于基體的耐磨性。為進一步分析40Cr基體和Ni60A修復(fù)層耐磨性，采用SEM對磨痕進行觀察，如圖9所示。由圖9b可以看出，40Cr基體磨痕表面出現(xiàn)大塊的片狀磨屑，這表明磨痕表面有些區(qū)域發(fā)生了塑性變形，形成一層界面膜黏附在磨損表面，這表明材料的表面存在黏著磨損。由圖9d可以看出，Ni60A修復(fù)層磨痕表面出現(xiàn)較淺的犁削痕跡，主要表現(xiàn)為磨粒磨損。

圖8 40Cr基體和Ni60A修復(fù)層磨損率

圖9 40Cr基體和Ni60A修復(fù)層磨損表面SEM

3.5 風(fēng)機現(xiàn)場激光修復(fù)探索

基于上述工藝探索，采用激光功率1.2kW，掃描速度4mm/s、送粉率1r/min工藝參數(shù)，對40Cr風(fēng)機主軸磨損區(qū)進行現(xiàn)場激光修復(fù)，修復(fù)后的效果如圖10所示。從圖10可以看出，通過激光修復(fù)工藝可以在40Cr軸風(fēng)機主軸上得到無缺陷的Ni60A修復(fù)層，且顯微硬度和摩擦磨損性能可以大幅提升。因此，激光熔覆修復(fù)技術(shù)方法在化工領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用效果。

圖10 現(xiàn)場激光修復(fù)狀態(tài)

4 結(jié)束語

本文采用單因素試驗法研究分析了激光工藝參數(shù)（激光功率和掃描速度）對修復(fù)質(zhì)量的影響規(guī)律，利用電子掃描顯微鏡、硬度計、摩擦磨損儀等檢測儀器對修復(fù)區(qū)顯微組織、力學(xué)性能和磨損性能等進行表征分析。

1）采用單一變量法優(yōu)化了激光修復(fù)參數(shù)，分析激光功率與掃描速度對微觀形貌、金相組織、熔深、熔寬和熱影響區(qū)的影響規(guī)律。

2）通過控制優(yōu)化工藝參數(shù)，在激光功率1.2kW、掃描速度4mm/s、送粉率1r/min時，Ni60A合金粉末在高能激光束的作用下與40Cr基體實現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合，未出現(xiàn)氣孔、裂紋及夾渣等缺陷，熔覆層組織晶粒細小均勻。

3）通過激光修復(fù)工藝，Ni60A修復(fù)層硬度相對于40Cr基體提升了1倍，耐磨性也有大幅度的提升。同時在40Cr風(fēng)機主軸磨損區(qū)進行現(xiàn)場激光修復(fù)，現(xiàn)場修復(fù)效果較好。