45 号钢激光熔覆技术研究

发布时间：2016-08-20 06:20

1 绪论

现代企业对生产要求的智能化和现代化已成为了发展的必然趋势，同时导致对设备及其零部件表面物理力学性能的要求越来越高。通常采用锻造或者焊接制造方式得到相对高性能强度的低碳钢，但是这类低碳钢经过相应的热处理后其硬度低，在力冲击、磨损和腐蚀条件下极易失效[1]。由于零部件在生产实践应用过程中需长期处于恶劣的环境下，，样件表面的局部破坏会造成整个样件失效，失效大多发生在样件表面，甚至有时导致整套设备报废无法继续生产，根据有关资料统计，因上述原因导致每年我国损失近千亿元，不必要的设备耗费使我国经济造成了巨大的损失[2]。采用表面工程的方法，在样件表面通过激光熔覆制造具有特殊物理性能的金属涂层，是该研究领域修复已经磨破损的样件并延长样件应用寿命的重要手段之一[3]，通过激光表面改性技术处理后的样件，可较大幅度地改善材料或零部件的性能和寿命，具有较高的经济效益，在各个领域的应用前景非常广泛[4-6]。

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2 实验材料与设备

2.1 实验材料

目前在一些工业领域中，以钢铁材料为主的构件已经很难达到企业对其物理力学性能的需要。虽然对于高强度材料的性能可以在某方面满足应用条件，但是很多生产制造环境复杂多样，例如满足材料的硬度要求的情况下，但此时抗耐磨性能较差。根据第 1章材料选取原则及各材料优异特性，为了进一步满足企业需求的多样化，人们发现原位自生所形成熔覆层具有明显的优越性，可以满足样件具有较高的硬度时，也具有很好的抗耐磨性能。复合材料对添加的材料有着重要的要求，所添加的材料与基体材料应该具有的良好相容性，该材料在基体材料中的分布情况直接影响其涂层的性能，如果添加的材料颗粒在涂层中的分布越均匀，得到的涂层性能就越好，同时增强颗粒与金属基体具有良好的润湿性时，可以使增强相在基体中均匀弥散分布，更有利于改善材料力学性能[42]。以往主要采取搅拌的熔覆方法即直接添加增强相 WC 颗粒，很难达到上述条件，而本实验的创新点不直接添加 WC 颗粒，而是通过原位自生反应生成碳化钨。

2.2 实验设备

激光加工系统中的控制部分被称为数控系统，数控系统是激光加工过程中实现空间运动和加工的执行系统，在加工过程中，可以实现联动激光器或光纤运动此时工件不动，也可以实现激光加工头不动此时夹具或机器人移动工件从而实现激光加工，整个加工过程中由计算机全程控制，其加工的效率和精度得到大大的提高。本课题激光加工系统中使用型号 YLR-3000 的 IPG 光纤激光器（功率 P≤3000w），安装在由 KUKA 公司自主生产的 6 轴联动机械手上，由机械手携带熔覆头实现熔覆轨迹，所采用的送粉方式为同步送粉法，熔覆粉末通过保护气来运输及其量的控制，由于激光熔覆工艺上的复杂，外界对其影响很大，所以在实验过程中对样件表面和熔融粉末施加氮气保护，实验过程中使用冷水机对熔覆头进行循环冷却并由计算机控制激光加工系统协调配合，实验加工系统，如图 2.1 所示。

3 激光单道熔覆镍基碳化钨涂层研究................. 11

3.1 45 号钢表面激光熔覆自熔性镍基碳化钨粉末............. 11
3.1.1 实验方法..................... 11
3.1.2 实验结果与分析........... 11
3.2 离焦量对 45 号钢表面激光熔覆镍基碳化钨粉末实验影响............ 15
3.2.1 实验方法................... 15
3.2.2 实验结果与分析....................... 16
3.3 激光重熔对镍基碳化钨涂层性能的影响........... 19
3.3.1 实验方法.............. 20
3.3.2 实验结果与讨论....... 20
3.4 本章小结.............. 23
4 多道搭接激光熔覆自熔性镍基碳化钨涂层研究........................... 24
4.1 逆向工程在激光熔覆中的应用................ 24
4.1.1 实验方法............................. 24
4.1.2 实验结果与分析......................... 25 
4.2 冷热搭接对激光熔覆涂层组织及性能的影响......... 27
4.2.1 实验方法............... 27
4.2.2 实验结果与分析........................... 28
4.3 45 号钢表面激光熔覆梯度涂层的组织及性能.................. 30
4.3.1 实验方法.................... 30
4.3.2 实验结果与分析....................... 31
4.4 本章小结................................. 33
5 45 号钢模具磨破损区域激光熔覆................... 35
5.1 模具磨破损区域激光熔覆概述.......................... 35
5.2 线轮模具激光熔覆修复................ 35
5.2.1 实验对象...................... 35
5.2.2 实验方法.................... 36
5.2.3 存在问题和处理方法............... 37
5.2.4 实验样件结果验证............... 37
5.3 本章小结............ 38

5  45 号钢模具磨破损区域激光熔覆

5.1 模具磨破损区域激光熔覆概述

零部件的修复中，金属件的快速制造技术越来越完善，利用激光熔覆技术对金属样件的快速制造在全世界各国广泛应用，激光熔覆技术是使样件表面得到强化的一种重要手段，磨破损样件的修复日益获得众多的研究人员关注。采用激光熔覆可以针对磨损区域进行局部修复；可以大幅度提高样件表面的物理性能，延长零件的实用寿命，甚至可以将报废的零部件修复后重新实用。工业的迅速发展，模具的修复技术和方法越来越广泛，其中常用的修复技术主要包括：堆焊修复技术、热喷涂、热喷焊修复技术等，这些方法都可以在某种程度上延长模具或零部件的应用寿命，但是它们都存在着一定的缺点，如工艺复杂、处理周期长、基体变形大等，激光熔覆技术是国内外着重研究的一种较新的零件修复技术，一种有效地改善模具表面综合性能的新方法新工艺，通过激光熔覆技术不仅可以弥补上述常用修复方法的不足，同时可以得到与被修复样件表面冶金结合良好的致密熔覆层，使样件再次得到使用，修复后的样件表面强度更高[58]。

5.2 线轮模具激光熔覆修复

实验对象锦州瑞龙有限公司线轮模具，其材料为 45 号钢，线轮模具由于长时间大批量生产需求，加之高温度下磨损、腐蚀等原因，导致线轮模具的表面大面积损坏，如果继续使用生产出来的线轮存在相应的飞边，甚至无法使用，无法满足企业的需求，这样既影响了生产效率，又无法满足市场的需求，报废线轮模具实物图如图 5.1 所示，

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6 结论与展望

本文的课题是《45 号钢激光熔覆技术研究》，主要研究了单道激光熔覆、多道激光熔覆和 45 号钢模具磨破损区域修复三个方面的内容，在学校的机械学院激光实验室和材料学院金相实验室里做了大量的实验，经过实验及理论分析得到如下的结论：单道试验中：（1）探究基础工艺参数对熔覆层成形质量的影响实验中，采用激光熔覆技术成功在 45 号钢表面熔覆自熔性镍基碳化钨涂层。涂层的平均洛氏硬度 HRC：58.5，约是基体洛氏硬度的 2.5 倍，通过金相组织观察发现，晶粒由熔覆层底部的柱状晶逐渐变成比较细小的等轴晶，涂层与基体间冶金结合较好；从熔覆层顶部到基体的显微硬度呈阶梯形分布，其相应的最佳工艺参数：激光功率 P=1200w，扫描速度 v=2mm/s，送粉电压U=7V；（2）探究离焦量对 45 号钢表面激光熔覆镍基碳化钨粉的影响实验中，采用改变激光熔覆头与基体间的距离（DH）进而改变离焦量，当离焦量 DL=3，4mm 时，表面比较光滑平整、粗糙程度相对较小，熔覆层表面硬度主要呈现先逐渐增大后趋于平衡，洛氏硬度 HRC 高达 60.5；通过金相组织观察发现，当离焦量为 3mm 时冷却速度最大、熔覆层底部由柱状晶沿着熔体最易散热方向生长明显，在熔覆层上部形成了等轴晶组织，最佳离焦量为 DL=3mm。

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参考文献（略）

本文编号：98659