激光熔覆技术在轴类零件再制造过程中的应用现状

王争强，李文戈,杜 旭,赵远涛

(1.上海海事大学商船学院，上海 201306；2.云南滇中城市建设投资开发有限公司，昆明 650000)

0 引 言

轴类零件是船舶、海洋工程等机械装备最常用的典型部件之一，起到支撑其他部件转动并传递扭矩的作用。轴类零件的性能直接影响到机械装备运行的平稳性和工作系统的使用寿命[1]。然而在服役过程中，轴类零件表面往往需要承受摩擦、挤压和冲击等综合作用，从而导致裂纹的产生，部分会因负载过重、强度不足以及腐蚀等因素发生失效[2-5]。畸变、断裂、磨损和腐蚀是轴类零件的主要失效形式，其中磨损失效最为常见[6]。轴类零件的失效行为会严重影响机械装备的正常运行，甚至造成较大的经济损失，因此必须及时进行更换或修复；但更换新轴所需工期长、成本高，还会造成资源浪费，导致违背“减量化、再利用、资源化”的绿色循环经济原则[7]。采用表面增材技术对失效轴类零件进行再制造，可延长其使用寿命[8]；该方法绿色环保、经济效益高、快捷方便，因此受到越来越多的关注。

近年来，应用于轴类零件的再制造技术主要有激光熔覆[9-10]、电镀[11]、热喷涂[12]和堆焊[13]等。其中，电镀涂层的结合力与耐磨性一般，不能很好地满足零件在高速旋转摩擦工况下的使用要求；热喷涂涂层与基体的机械结合力较弱，且其孔隙率较高，对基体承载能力较为不利；激光熔覆技术则具有绿色环保、可控性好、方便快捷和高效等特点，其熔覆层稀释率低、表面完整，与基体冶金结合良好，通常表现出优于基体的耐磨、耐腐蚀及抗疲劳性能[14]，因此广泛应用于模具修复[15]、轴类零件修复[16]及轧辊表面强化[17]等方面。轴类零件的激光熔覆再制造过程由预处理、激光操作和后处理[18-19]3部分组成。预处理包括轴件清洁、部分轴件预热以及熔覆材料烘干；激光操作即在最优工艺条件下进行激光熔覆过程；后处理包括零件各项性能检测、精度检测和切削加工等。其中，激光操作部分熔覆材料和激光熔覆工艺参数的选取都会对熔覆层性能产生关键性影响。为了帮助广大研究人员进一步了解激光熔覆技术的相关应用，作者着重概述了激光熔覆工艺与熔覆材料对再制造轴类零件表面熔覆层组织结构及性能的影响以及相关模拟软件的辅助应用，并对激光熔覆再制造技术的未来发展趋势进行了展望。

1 激光熔覆工艺参数的影响

激光熔覆工艺参数主要有送粉量[20-21]、激光功率[22-23]、熔覆速度[24]、搭接率、光斑尺寸、离焦量和预热温度等。各参数之间相互影响，使得激光熔覆成为一个极其复杂的过程。其中，前4者对熔覆层的稀释率、表面粗糙度与孔隙率等性能影响显著。

1.1 激光功率的影响

激光功率直接影响激光能量的大小，是激光熔覆过程中热输入的重要控制参数之一。张智等[25]在齿轮轴用34CrNi3Mo合金基体表面激光熔覆钴基合金层，发现该熔覆层耐磨性优良，其厚度和宽度均随激光功率增加而增加；当总送粉量不变，激光功率达到一定值后，熔覆层的厚度和宽度随激光功率增加不再明显变化。黄浩等[26]研究发现，当激光功率较小时，由于硬质粉末熔化不完全或熔融金属无法充分流动，40Cr钢表面激光熔覆层出现堆积瘤；随激光功率增加，粉末充分熔化，在表面张力作用下，熔融金属充分铺展，形成光滑平整的熔覆层。孙丽萍等[27]在高速钢板表面熔覆Ni45自熔合金，发现当激光功率为3.7 kW时，熔覆层无气孔、裂纹等缺陷，成形效果最佳。激光功率直接影响熔覆层的组织、性能以及熔覆层与基体的结合强度：当激光功率选择较合理时，所得熔覆层组织致密，过渡层晶粒生长充分，与基体冶金结合良好；若激光功率过高，则会导致反应熔池温度过高，从而造成过烧现象；激光功率过低，熔覆材料则会熔化不完全。因此，在轴类零部件再制造过程中应将激光功率控制在合理范围内。

1.2 熔覆速度的影响

熔覆速度作为激光熔覆的又一重要工艺参数，对熔覆层性能亦有较大影响。熔覆速度过快时熔覆反应不完全，过低时熔池能量过高则会造成反应过度，导致涂层内部组织破裂，出现空隙、裂纹等缺陷。HEMMATI等[28]研究发现，较高熔覆速度(约为117 mm·s-1)对马氏体不锈钢熔覆层硬度和耐磨性能的提高作用较小。赵子龙[29]在QT600-3球墨铸铁表面激光熔覆TiC/Co基合金，发现当激光功率为3.2 kW，熔覆速度为400 mm·min-1时，熔覆层成形较好，仅有极少微小孔隙；随熔覆速度增加，熔覆层孔隙逐渐增大，当熔覆速度增至600 mm·min-1时，熔覆层出现无法成形倾向。不同轴件和熔覆材料对熔覆速度的要求不甚相同，选择合适的熔覆速度对于获得致密性好、强度高的熔覆层十分重要。

1.3 搭接率与送粉量的影响

搭接率是影响熔覆层表面平整度的关键参数，送粉量则直接影响熔覆层的厚度。送粉量与搭接率的选择，对熔覆层形貌的优化有着重要意义。搭接率的优化过程实质为调整熔覆间距使熔覆搭接面积与熔覆凹沟面积相等，以保证熔覆表面平整光滑。尚晓峰[30]研究发现，随着搭接率的增加，熔覆层表面平整度提高，熔覆间距为1.72 mm时，表面平整度最优，但搭接率过高时，熔覆层表面平整度又会有所降低。张翔宇[31]研究了不同搭接率下3540铁基合金在42CrMo钢表面的熔覆效果，发现搭接率为50%时，熔覆层整体宽度适中，表面平整，搭接处与非搭接处厚度差值最小，这既节省了熔覆材料，也便于后期加工。对于送粉量而言，当送粉量过少时，熔覆层太薄而不能满足需求，反之则会增加精密轴件后续切削加工工作量。王续跃等[32]为解决采用2.5D切片分层成形时的台阶效应问题，研究了变送粉量法激光多层熔覆成形对斜坡薄壁件几何形状精度的影响，发现该方法减小甚至完全消除了台阶效应，在成形较小倾角(3.37°)斜坡时具有明显优势，可用于成形山形薄壁件、机匣组合件等复杂形状和高精度的零件。

1.4 多个工艺参数的选择

轴类零件激光熔覆再制造过程中，各参数并不是独立作用的，而是相互影响、相互制约的。为优化激光熔覆工艺，制备得到性能优良的熔覆层，通常采用多因素多水平正交试验法来获取多个优化的参数组合，然后通过具体试验验证确定最优工艺参数。

张浩敏等[33]在35CrMo钢制轴类零件表面激光熔覆WC增强铁基合金涂层，发现在3540铁基合金粉末中添加质量分数10%的WC后，所得熔覆层的硬度与耐磨性较好，并通过正交试验法得出该熔覆层的最佳熔覆工艺为激光功率3 kW、熔覆速度6 mm·s-1、离焦量20 mm。彭亮等[34]研究了激光功率、扫描速度、光斑直径、送粉量和搭接率等参数对45钢表面XS-320铁基合金熔覆层的影响，并采用最佳工艺参数对炼油厂重整芳烃车间曲轴进行再制造，获得了最佳修复效果。李宝灵等[35]分别在45钢调质态棒材上激光熔覆Fe30和Fe35两种铁基自熔粉末，利用正交试验法对多种工艺参数进行优化，并将所得参数用于修复叶轮风机轴、电机转子轴和破碎机主轴等，修复效果良好。罗星星等[36]将激光设备特性和熔覆区有限元仿真方法相结合，通过正交试验法在45钢基体上熔覆铁基粉末，获得了最佳工艺参数，并成功修复了矿用电机转子轴；此外还通过有限元软件对应力场进行仿真，发现熔覆过程中的动态应力与熔覆热循环有关。

2 激光熔覆材料的选择

轴类零件再制造用激光熔覆材料一般分为金属粉末、陶瓷粉末和复合粉末。在金属粉末中，铁基、镍基、钴基等自熔性合金粉末的研究与应用较多。陶瓷粉末主要包括碳化物(WC、Cr3C2、TiC、SiC等)、硼化物(TiB2等)和氧化物(Al2O3、TiO2、ZrO2等)等。由于陶瓷粉末与金属基体性能差异较大，一般多将其与金属粉末复合后进行激光熔覆，以提高熔覆层的物理与化学性能。

2.1 金属基熔覆材料的选择

制造小型曲轴通常采用球墨铸铁和优质碳素钢，大中型曲轴则多为合金钢[37]。采用金属粉末作为激光熔覆材料，有利于提高熔覆层与基体的结合力。郭士锐等[38]研究发现，在汽轮机转子轴表面熔覆铁基合金粉末后，零件表面硬度提高了20%，符合工件服役工况要求。QIN等[39]在轴用18Cr2Ni4WA钢表面激光熔覆了Co-Ni二次硬化钢，该熔覆层与基体结合良好，硬度在460 HV以上，厚度可达0.25 mm，显微组织主要由铁素体、马氏体、板条奥氏体、针状M3C强化相(长度1～3 μm)和棒状M2C碳化物(长度小于0.1 μm)组成。郭火明等[40]研究发现，在轮轨试样表面制备厚度1 mm的钴基熔覆层后，其表面硬度提高约52.98%，该熔覆层能有效降低对摩副磨损，使基体抗磨损能力提高约5倍。任爱国等[41]采用不同型号的镍粉(Ni60、Ni25、Ni35和Ni45)与钴粉(Co02和Co05)进行熔覆对比试验，发现所得熔覆层硬度差异巨大；同种熔覆粉末，由于微量元素含量不同，熔覆层亦表现出较大差异，其中硅和硼元素的影响最为显著。张浩敏等[42]在35CrMo钢电机轴上分别熔覆3540铁基合金和Ni00镍基合金涂层，发现二者均与基体形成良好的冶金结合，且不存在裂纹、孔洞、夹杂物等微观缺陷；从熔覆区、熔合区到母材区，两涂层的显微硬度都呈现出先增大后减小的趋势，说明3540铁基合金和Ni00镍基合金熔覆层均能改善该电机轴的耐磨性，延长其使用寿命。

2.2 陶瓷熔覆材料的选择

陶瓷材料具有硬度高以及耐磨、耐腐蚀和抗高温氧化性能优良等特点，已广泛应用于激光熔覆技术中。陶瓷粉末可以单独或多种组合作为熔覆材料使用。HU等[43]与WU等[44]采用激光熔覆技术在Q234钢表面合成了Mo-Ni-B三元陶瓷复合涂层，该涂层的硬度可达1 600 HV以上，能够显著改善基体的硬度与耐腐蚀性能。MASANTA等[45]利用激光熔覆技术合成了Al2O3-TiB2-TiC陶瓷复合涂层，发现随着激光熔覆速度的增加，涂层硬度增大，晶粒尺寸减小。

目前，针对轴类零件表面修复的激光熔覆陶瓷涂层工艺并未得到广泛研究，但关于激光熔覆陶瓷涂层组织与性能的研究较多，这可以为其在轴类零件修复领域的应用提供一定参考。

2.3 金属陶瓷复合熔覆材料的选择

在激光熔覆过程中，通过将金属粉末与陶瓷粉末混合，可以制备得到陶瓷强化的复合熔覆层，其兼具金属涂层与基体优良的结合性能以及陶瓷涂层优良的耐摩擦磨损和耐腐蚀等性能。WENG等[46]研究发现，在激光熔覆过程中，熔覆材料中的B4C、SiC、Y2O3会与Co42合金及基体钛合金反应生成大量陶瓷颗粒与金属间化合物，这些反应产物使得熔覆层的硬度提高到基体的3～4倍，而磨损量则远低于基体的。DESCHUYTENEER等[47]采用不同激光光源在Q235钢表面制备NiCrBSi-WC/W2C复合熔覆层，发现Nd∶YAG光源会使熔覆过程中WC/W2C颗粒发生溶解而生成低硬度的(W,Cr)xCy和(W,Cr)xBy相，从而导致熔覆层硬度下降；HDPL光源单位面积激光功率较低，新相无法生成，熔覆层硬度随着WC/W2C颗粒含量的增加而增大。ZHANG等[48]在轴用2Cr13钢表面激光熔覆了TiC增强钴基复合涂层，该复合涂层与基体结合良好，组织呈树枝状，晶粒细小，TiC颗粒在其中弥散分布。王玉玲等[49]在轴用42CrMo钢表面制备了CeO2(质量分数分别为0，0.4%，0.8%，1.2%，1.8%)增强3540铁基熔覆层，发现CeO2的添加能够细化熔覆层组织，减少裂纹及孔洞，有效提高其硬度及耐磨性；CeO2质量分数为1.2%时，熔覆层组织最为细密，硬度最高，磨损量最小。VERDI等[50]研究发现，Cr3C2颗粒增强Ni625合金激光熔覆层比Ni625合金熔覆层具有更好的耐摩擦磨损性能，Cr3C2颗粒在熔覆层中均匀分布，可显著增大其硬度。

轴类零件在服役时要同时满足耐磨、耐压、耐腐蚀、耐高温等多种性能要求，单一种类的熔覆材料很难达到服役要求，因此复合熔覆材料在轴类零件再制造中具有良好的应用前景。

3 仿真模拟在激光熔覆中的应用

传统激光熔覆技术研究需进行大量试验，耗时耗力，且进展缓慢。随着计算机科技的快速发展，各类仿真模拟软件的研发和应用显著加快了激光熔覆技术的发展进程，其在激光熔覆前期预测和过程监控中使用较为频繁。通过UG、Visual Studio、CAD、MRA等辅助软件模拟预测熔覆轨迹，进行有效的路线规划，不仅能够提升熔覆效率，还能实现熔覆层形貌控制[51-53]。研究人员成功在复杂结构凸轮轴、柴油机曲轴等零件上运用仿真技术，显著提高了熔覆成功率[54-56]。舒林森等[57]通过对齿轮轴激光熔覆过程中的温度场进行仿真模拟，得到了各个载荷步的瞬时温度分布，模拟结果与试验结果一致。黄勇等[58]采用全新的建模和网格划分方法，对激光熔覆过程中细长阶梯轴的温度场与应力场进行分析，发现温度场与应力场的不均匀性引起了轴变形，这可以为实际加工过程中变形的抑制提供一定理论依据。徐海岩等[59]采用ANSYS数值计算方法分析发现，熔覆路径对边界过烧和塌陷影响很大，异侧熔覆可以更好地平衡热累积与热扩散的关系，使边界晶粒细密、内部组织均匀，进而改善熔覆层性能。

仿真模拟为轴类零件表面激光熔覆再制造过程的优化提供了新的可能，有助于改善熔覆层的性能，延长轴类零件的服役寿命；其在轴类零件激光熔覆技术中必将得到较大发展。

4 结束语

激光熔覆再制造技术广泛用于失效轴类零件的再修复。随着轴类零件服役性能要求越来越高，激光熔覆技术亦在不断优化改进，但是仍存在熔覆层质量不稳定、熔覆效率低等问题。熔覆工艺和熔覆材料作为影响激光熔覆层性能的关键因素，对应的研究和开发至关重要。熔覆材料可根据轴类零件的服役需求合理进行选择。针对与服役环境匹配的熔覆材料，对送粉量、激光功率、熔覆速度和搭接率等熔覆参数进行优化设计，并采用仿真模拟软件进行熔覆前模拟与路线规划，可以制备得到理想的表面激光熔覆层。

随着现代科技的不断发展，大功率新型激光器能更好地满足材料对能量吸收的需求，新型超强材料的开发拓宽了材料的选择，模拟软件的不断更新换代也为激光熔覆技术的革新和进一步高效发展提供了保障。激光熔覆技术作为绿色再制造表面工程技术之一，不仅会在轴类零件的修复与再制造中得到深入应用，同时也必将在其他领域有更加创新或深层次的应用。