車輛磨損面激光熔覆再制造工藝研究

車輛磨損面激光熔覆再制造工藝研究

1航空發(fā)動機再制造在其他方面的應(yīng)用激光填充技術(shù)起源于20世紀70年代，成為加工領(lǐng)域的研究熱點。進入21世紀,一種針對廢舊失效零件的激光快速再制造技術(shù)成為激光加工領(lǐng)域的一支突出力量,它綜合了激光熔覆的技術(shù)優(yōu)點,又定位于工程實際對象,在失效的航空發(fā)動機葉片、軋輥、車輛重載傳動齒輪、軸、鋁合金氣缸蓋等激光再制造方面獲得了實際應(yīng)用,其中,沈陽大陸激光技術(shù)有限公司在這方面的開發(fā)尤為突出。對于再制造產(chǎn)品,激光熔覆工藝和熔覆材料的雙重優(yōu)勢使其使用性能可達到甚至高于新品,可滿足工況條件下的性能要求。因此,建立針對失效零件的激光熔覆再制造工藝與材料的最佳組合規(guī)范成為了長久以來的研究重點。本文以車輛常見的表面磨損失效零件為研究對象,研究具有優(yōu)異性能的Fe90合金粉末激光熔覆的工藝理論,揭示出熔覆工藝參數(shù)之間、熔覆工藝與材料之間的內(nèi)在聯(lián)系,給出工藝的最優(yōu)化分析及其定量表征結(jié)果,為同類失效零件的激光快速再制造提供了理論參考。2工藝sn比設(shè)計基體材料為車輛傳動齒輪軸材質(zhì)18Cr2Ni4WA鋼。熔覆材料為Fe90合金粉末,該合金具有焊道硬度高、韌性好,抗氧化性高,抗裂性好的特點,適于恢復零件尺寸,成分見表1;實驗設(shè)備為機器人控制光纖輸出YAG激光快速成形系統(tǒng),最大輸出功率1kW,采用側(cè)向同步送粉方式,對熔池施加氮氣保護。實驗考察工藝參數(shù)為激光功率、掃描速度和送粉量,其數(shù)值選擇基于大量熔覆實驗的篩選結(jié)果,具體參數(shù)見表2;光斑直徑保持2.0mm不變,載氣量200L/h,送粉傾角45°。SN比試驗分析方法可有效的對目標進行多水平分析,解決了許多不同特征值的綜合功能評價問題,并能夠充分顯示出目標誤差因素對結(jié)果的擾動影響。因此,試驗采用SN比方法進行熔覆工藝的正交設(shè)計,正交表類型為L8(4×22)。采用稀釋率作為工藝SN比分析的評價指標,研究表明,激光熔覆稀釋率的范圍在2%~10%之內(nèi)時熔覆層即能保證受基體元素較小的稀釋影響,同時又確保與基體形成良好的冶金結(jié)合。因此,本試驗考察的質(zhì)量特征確定為帶有稀釋率約束條件的望小特征,約束區(qū)間為2%~10%。,在此區(qū)間內(nèi)最小的稀釋率和最大的SN比是工藝優(yōu)化的最終目的。采用綜合誤差因素法,稀釋率選取如下兩種水平。稀釋率1取自于具有最佳熔覆質(zhì)量的熔覆層中段,而稀釋率2則取自于熔覆層起始或終了階段。分別在兩個水平下各測一個數(shù)據(jù)yi1,yi2(i=1,2,…8),以此計算SN比,并以SN比為指標進行統(tǒng)計分析。其中,SN比η的計算公式為:ηi=-10lg1nn∑i=1y2ij(1)ηi=?10lg1n∑i=1ny2ij(1)用于工藝參數(shù)優(yōu)化方差分析的計算公式為式(2)~(5),其中,全部熔覆層的SN比之和T為:Τ=n∑i=1ηi(2)稀釋率SN比總和均方值CT為:CΤ=Τ2i(3)全部試樣的樣本方差S2Τ為:S2Τ=n∑i=1η2i-CΤ(4)各試樣的離差平方和S2j為:S2j=Ⅰ2j+Ⅱ2j+Ⅲ2j+Ⅳ2jm-CΤ(5)Ⅰj、Ⅱj、Ⅲj、Ⅳj分別表示第j列中相同水平對應(yīng)的SN比η之和,i為實驗組數(shù),j為因素的列數(shù);i=1,2,…8;j=1,2,…4;m為每列中各水平的排列重復次數(shù)。激光工藝參數(shù)衡量標準激光比能量λ、絕對送粉率vg的計算公式為:λ=ΡvsD(6)vg=VfVs(7)P為激光功率,vs為掃描速度,Vf為送粉速率,D為光斑直徑。3結(jié)果與討論3.1最優(yōu)工藝參數(shù)的確定根據(jù)公式(1)~(7),對Fe90合金粉末在18Cr2Ni4WA鋼基體上激光熔覆試樣的稀釋率進行SN分析,并計算表征激光功率、掃描速度、送粉量三者關(guān)系的激光比能量λ和絕對送粉率vg,將結(jié)果列于表3。由表3可知,在稀釋率為2%~10%的范圍內(nèi),綜合比較各組實驗的η,發(fā)現(xiàn)η2最大,稀釋率最小,相應(yīng)工藝參數(shù)為功率480W,送粉量3.1g/min,掃描速度480mm/min,確定該參數(shù)為初步優(yōu)化的工藝。對表3數(shù)據(jù)做進一步的方差分析,得到影響熔覆稀釋率的工藝顯著性因素,見表4所示。其中,f為自由度;查F分布表,對于α=0.05,有F0.05(1,2)=18.5;F0.05(3,2)=19.2。對于顯著因素送粉量和激光功率,其最優(yōu)水平分別為3.1g/min和480W,對其它因素亦選取最優(yōu)水平,由表3可見,最優(yōu)工藝方案為功率480W,送粉電壓3.1g/min,掃描速度480mm/min;這與SN比在最大值時對應(yīng)的工藝參數(shù)相一致,因此,對于Fe90合金粉末在18Cr2Ni4WA鋼基體上最佳的激光熔覆工藝參數(shù)為激光功率480W,送粉量3.1g/min,掃描速度480mm/min,其它參數(shù)不變。圖1為具有較低稀釋率的激光熔覆試樣表面形貌。3.2激光比能量與絕對送粉率最佳組合的確定以激光比能量λ和絕對送粉率vg的組合配比作為激光熔覆層稀釋率的衡量標準,采用多項式擬合的方法進行分析,獲得各實驗的稀釋率、比能量和絕對送粉率三者之間的分布規(guī)律曲線,如圖2所示。圖2中兩條虛線表示熔覆層具有良好稀釋率的范圍(2%~10%),在此范圍內(nèi)一個稀釋率數(shù)值對應(yīng)唯一一組激光比能與絕對送粉率的搭配。激光比能量與絕對送粉率的最佳組合區(qū)間見表5。比較圖2中擬合曲線走勢,發(fā)現(xiàn)當比能量與絕對送粉率之間的差值間隔增大時,熔覆稀釋率隨之變大;但并不表示當比能量與絕對送粉率之間的差值間隔不變時,熔覆的稀釋率也會保持不變,如在圖2中6%~10%的稀釋率區(qū)間內(nèi),激光比能量與絕對送粉率保持不變,但稀釋率卻依然增大;分析原因在于當比能與絕對送粉率同時降低時,穿過激光束的熔覆粉末對激光能量存在遮蔽作用,并且粉末量對激光能量衰減率的影響并不呈線性變化,當激光功率與送粉量同時降低時,穿過激光束的粉末對激光能量的衰減影響減弱,導致透過粉末到達基體的能量實際減小幅度相對變小,而基體熔深加大,從而致使稀釋率增加。3.3等軸晶型熔覆層在掃描電鏡下觀察具有最佳熔覆質(zhì)量的2號熔覆層截面顯微組織,如圖3所示。由圖3(a)可見,在熔覆層底部,熔覆層與基體形成良好的冶金結(jié)合,在結(jié)合界面處發(fā)生了一個清晰的組織轉(zhuǎn)變,熔覆層與基體之間存在一層薄薄的平面晶過渡組織,隨后熔覆層底部的柱狀晶沿基體呈外延式生長,生長方向為逆向于熱流方向向熔覆層內(nèi)部延伸,隨著生長距離的增加晶體粒度發(fā)生漸變,由單一粗大的柱狀晶向相對細小的交叉樹枝晶轉(zhuǎn)變;在熔覆層中部,如圖3(b)所示,熔覆層主要由具有一定結(jié)晶取向的交叉樹枝晶和更加細小的等軸晶組成;而在熔覆層頂部,組織則主要是由更加致密細小的等軸晶組成,如圖3(c)所示?？v觀熔覆層從底部到頂部的組織變化,可看到熔覆層整體組織變化過渡均勻,組織相對致密細小,無異常粗大或貫穿整個結(jié)晶區(qū)的晶體組織,并且熔覆層內(nèi)部無微裂紋、氣孔等缺陷,顯現(xiàn)出良好的激光熔覆定向凝固組織特征和優(yōu)異的成形質(zhì)量。3.4顯微硬度roe測量熔覆層及截面顯微硬度,如圖4所示。由圖4可知,基體硬度為490HV0.1,熱影響區(qū)為500~620HV0.1,從結(jié)合界面開始,覆層硬度隨距結(jié)合界面的增加而增大,熔覆層平均顯微硬度在750~800HV0.1之間,大大高于基體硬度,這對于提高激光熔覆再制造零件的表面耐磨性具有重要意義。分析機理,由圖5可知,Fe90合金激光熔覆層的相組成主要是馬氏體組織,并存在少量CrFeB、FeB間隙化合物。由于馬氏體的硬質(zhì)相存在,同時由于CrFeB、FeB間隙化合物具有較高的硬度,更進一步增加了熔覆層硬度,同時彌散分布的Mo元素由于具有減少網(wǎng)狀化合物形成、降低熔覆層脆性的特點,因此可以減小熔覆層的開裂敏感性,對防止裂紋萌生起到積極作用。3.5光斑的稀釋率測量根據(jù)圖2中激光比能量與送粉率的配比關(guān)系,在2%~10%稀釋率區(qū)間內(nèi)隨機抽取激光比能量與送粉率的組合。選擇激光比能60J/mm2、絕對送粉率17.2mg/mm,激光熔覆參數(shù)為功率600W,光斑直徑2.0mm,送粉量5.18g/min,掃描速度300mm/min,測量熔覆層的熔高、熔深和熔寬并計算稀釋率,獲得在此比能和絕對送粉率組合下熔覆層的實際稀釋率為9.5%。而圖2中該組合對應(yīng)的擬合稀釋率值為8.1%,偏差為17.5%,說明該稀釋率關(guān)系的定量表征具有一定的準確性。采用該粉末及優(yōu)化工藝再制造軸面磨損的某型車輛輪軸,修復之后的零件如圖6所示,零件激光修復區(qū)域熔覆層表面光亮、平滑,無裂紋缺陷,顯示出良好的成形質(zhì)量,說明利用Fe90合金粉末激光熔覆再制造以18Cr2Ni4WA滲碳鋼為材質(zhì)的車輛典型表面磨損失效零件具備良好的工藝適用性。4激光比能量與送粉率配比的確定(1)影響激光熔覆層稀釋率的顯著性因素為送粉量和激光功率,基于SN比的分析方法,獲得了使用Fe90合金粉末進行