基于矿井环境对液压支架激光修复的工艺研究

2023-02-10吴从皓

陕西煤炭 2023年1期

王岗，杨鹏，吴从皓

(1.陕煤黄陵矿业有限公司机电公司，陕西延安 727307；2.南京中科煜宸激光技术有限公司，江苏南京 210046)

0 引言

液压支架是煤矿开采所用的关键机械设备，在井下矿采过程中起到支撑和综采面的承护作用，防止矸石、煤渣等外部破坏物体掉落回采工作面和输送机上，为煤炭开采工作的顺利进行提供有效的安全保障[1 -3]。近年来，随着井下作业的不断深入，环境条件愈发恶劣，大采高综采工作面液压支柱受磨损、腐蚀的情况也越来越严重，因此，以优化材料表面改性技术为出发点，研究磨损、腐蚀的防范机制，研发耗能低、余量小、周期短、更智能的表面修复技术，对煤机行业的顺利运行将起到重要作用，乃至对整个国民经济有着重要的意义[4 -5]。

激光熔覆是一种新的表面改性与零件加工技术，它集光学、机械学、冶金学、计算机学等为一体，利用高能量密度的激光束使基材表面的熔覆材料与薄层一起熔融并快速凝固，形成冶金结合良好的增材熔覆层，得到具有良好力学、物理、化学性能的熔覆层，能显著提高基体材料耐磨、耐高温、耐腐蚀、抗氧化的性能，广泛应用于航空航天、冶金煤电、汽车制造关键零部件的表面处理及局部再制造与修复，应用前景广阔，不仅可以节约生产成本，避免能源浪费，还可大幅提高结构件的使用寿命[6 -9]。

基于黄陵二号煤矿煤油气共生的特殊环境，以及因开采强度和开采深度不断增加，引发煤层硫化氢气体会损害矿用液压支架使用寿命的情况，本文通过激光熔覆技术对液压支架进行表面修复，并利用扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度仪、中性盐雾试验等对熔覆层的性能进行分析，力求提高矿用液压支架的服役性能。

1 实验过程

1.1 实验材料

实验用基材为矿井液压支架常用的27SiMn合金，管材壁厚15 mm，外径194.9 mm，基材成分见表1。熔覆层所用原料为铁基合金粉末，其成分见表2，粒径为53～150 μm，球形度为95%，粉末流动性良好。

表1 实验基材27 SiMn的化学成分

1.2 实验方法

试验设备采用KUKA机器人，装配有6 kW半导体激光器，准直100 mm，聚焦250 mm，焦点光斑大小为16 mm× 2.2 mm，送粉器为大容量双桶载气式重力送粉装置，耦合单轴转台，如图1(a)所示。图1(b)为激光熔覆技术加工示意图，详细熔覆工艺参数：激光功率6 000 W，单轴转台线速度14 mm/s，送粉速率 1.5 RPM熔覆搭接率50%，熔覆层厚度均为1.2 mm，熔覆层外观形貌，如图1(c)所示。利用电火花数控线切割机床对熔覆后的工件进行加工，制备出近似长方体的圆弧状试件，尺寸约10 mm×10 mm×12 mm，通过在80目、400目、600目直至2 000目砂纸上进行细磨，当试样表面没有明显划痕之后，利用金刚石抛光膏在金相抛光机上将试样表面进行抛光，直至试样表面呈现镜面。将抛光好的试样进行腐蚀，腐蚀剂为盐酸 -氯化铁溶液(盐酸2 mL、氯化铁2.5 g、苦味酸5 g和水90 mL)，然后用无水乙醇将清水冲洗干净，并迅速吹干。采用JSM-7900F型SEM对其横截面微观形貌进行观察，扫描区域包括基材，熔覆层以及层间结合处，并通过线扫方式检测出元素分布规律；利用TH701显微硬度计对基材、熔合区以及熔覆层设置以加载载荷为0.98 N，保压时间为10 s，每隔0.2 mm进行硬度测试，取其平均值对不同区域的硬度值进行直观比较；最后对工件熔覆层表面进行机加工处理，先粗车后磨削加工，最终保留单边熔覆层尺寸0.5 mm左右，对机加工表面进行中性盐雾试验：试验温度为(45±2)℃，盐雾沉降率为1.2 mL/(80 cm2·h)，时间为527 h，观察腐蚀后的表面情况。

表2 Fe基合金粉末的化学成分

2 结果与讨论

2.1 铁基熔覆层微观组织分析

从已熔覆的液压支架管壁截取一部分进行金相观察，如图2所示，可以发现熔覆层与液压支架表面的结合非常牢固，因异质而出现明显的界面。通过对熔覆层进行更加深入的观察发现，熔覆层底部分布着一层薄薄的细晶区，这是由于支架表面温度较低，受激光直射熔粉导致结合处过冷度较大，提高晶粒形核率。除此之外，其他大部分区域受到温度梯度引导而产生以柱状晶为主的微观组织，但是由于柱状晶内有大量二次枝晶的形成，使晶粒趋于细化、等轴化，众所周知，组织的改善也决定材料力学性能的提高，这为熔覆层保护液压支架提供了理论可能。

图1 液压支架表面熔覆概况Fig.1 Overview of surface cladding of hydraulic support

图2 激光熔覆后的管壁横截面的光学显微图像Fig.2 The optical microscopy images images of the cross-section of the tube wall after laser cladding

图3为激光熔覆铁基合金横截面区域的显微组织，从图3(a)中可以看到基材的微观形貌，由于扫描区域靠近熔覆层，因此受热影响较为明显。图3(b)显示出层间界面的熔合区，从图中可以看到熔覆层与基材之间的冶金结合良好，理论上讲，在经受矿渣的磨损与恶劣环境的侵蚀以后，铁基涂层不易脱落，提高液压支架的使用寿命，大大增加矿产效率。图3(c)显示出激光熔覆铁基合金涂层的典型组织形态，接近熔合区的微观组织表现为较为粗大的柱状晶，并延伸生长出二次枝晶，柱状晶垂直于层间结合面择优生长，其归因于在单向热流的作用下，导致明显的温度梯度产生，诱导晶粒沿着温度梯度过度生长，最终形成异常粗大的柱状晶[10 -11]。由于熔池的冷却速度过快，在熔覆层中部和顶部的微观组织表现为近等轴状晶粒，且尺寸较小平均在20 μm以内，良好的组织形态决定优异的力学性能，根据Hall-Petch效应[12]，晶粒尺寸越小，材料强度越高，在有关于对铁基熔覆层的显微硬度的解释中表述。另外，通过对熔覆层内2种析出相(A和B)进行EDS能谱分析发现，它们的元素含量分布大致相同，主体元素均为Fe，含量分别高达73.33wt.%和74.51wt.%，其次便是元素Cr，含量分别为17.70wt.%、16.40wt.%，最后除C和Ni外，其余元素的含量极少，均可忽略不计。

图3 激光熔覆后的管壁横截面的微观形貌图像Fig.3 The micromorphology images of the cross-section of the tube wall after laser cladding

图4显示使用SEM沿着27SiMn基材至铁基合金熔覆层进行线扫描，检测出各元素分布情况。在图4(a)中，界面结合处的左边区域为基材，右边为熔覆层。图4(b)显示扫描区域的元素分布状况，基材与熔覆层中的Fe含量都很高，Cr元素含量开始很低，到后半部分骤然增加，其余元素含量较低，这主要归因于两者材料的主体成分均为Fe，不同的是，基材27SiMn所含Cr元素极低，而在熔覆层中含量较高。一般来说，Cr、Ni、Mo、Si等合金元素对铁的耐腐蚀性是有利的[13]。通过线扫描元素全谱图，如图4(c)所示，并结合表1与表2，对比基材与熔覆层材料中的合金元素成分发现Cr、Ni、Mo以及Si元素含量均比基材高，这就代表熔覆层的耐腐蚀性要比基材优异得多。

2.2 熔覆层耐腐蚀性能与硬度测试

通过对熔覆后的液压支架进行中性盐雾试验，发现表面熔覆层具备非常优异的的耐腐蚀性能，如图5所示。图5(a)为对表面熔覆层机加工后的支架宏观照片，表面十分光滑，没有出现较明显的气孔、裂纹等冶金缺陷。在经过527 h盐雾腐蚀后的熔覆层试样表面只出现一个明显的锈点，熔覆层整体表面光洁，几乎没有腐蚀现象发生，如图5(b)所示。按照GB/T 10125—2012《人造氛围腐蚀试验盐雾试验》和GB/T 6461—2002《金属基体上金属和其他无机覆盖层经腐蚀试验后的试样和试件的评级》进行结果评估，表面熔覆层的防腐等级已达到580 h，激光熔覆制备的铁基合金熔覆层的耐腐蚀性能达到9级以上，具有非常出色的耐腐蚀性能，可以大幅提升矿用液压支架的服役寿命。

图4 基材与熔覆层的元素分布变化Fig.4 Changes in the element distribution of the base material and the cladding layer

图5 熔覆后液压支架的中性盐雾试验Fig.5 Neutral salt spray test of hydraulic support after cladding

图6中显示出液压支柱激光熔覆后不同位置的硬度变化情况，结果表明，由基体向熔覆层纵向延伸，其显微硬度值逐渐上升，其中基体的平均硬度值约为261.2 HV0.1，熔合区的平均硬度值约为363.7 HV0.1，至到熔覆层的527.4 HV0.1，与基体相比，显微硬度提高了近1倍，这主要归功于细晶强化以及Cr、Ni等微合金化元素的强化[14]。