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高速、普速激光熔覆液压支架油缸表面涂层质量的影响因素分析.pdf
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1、2023年 第9期 热加工38增材制造专题Additive Manufacturing Topic高速、普速激光熔覆液压支架油缸表面涂层质量的影响因素分析杜学芸山东能源集团装备制造(集团)有限公司 山东泰安 271200 摘要:为提升液压支架油缸的激光熔覆质量,通过工艺实践,综合分析了高速激光熔覆、普速激光熔覆涂层成形特点,探讨了油缸母材、合金粉末及二者适用关系。结果表明:高速、普速激光熔覆匹配合金粉末颗粒度分别为100300目、300500目,为降低熔覆飞溅、提升送粉均匀性,颗粒度分布区间进一步调整为90250目、270400目;油缸母材常用材料27SiMn钢、30CrMnSiA钢、40Cr
2、钢对合金粉末的适用性无明显差别,但稀释率及搭接处缺陷要求严格控制工艺参数;熔池保护时采用氩气保护熔池相比氮气可获得更好的熔覆宏观表面。关键词:高速、普速激光熔覆;合金粉末;母材;气体保护;熔覆质量1 序言液压支架油缸的弧形表面激光熔覆均采用轴类旋转机床,高速、普速区别于机床控制的旋转速度大小。以扫描速度大小将工业生产的激光熔覆分为高速、普速2种,其中高速熔覆扫描线速度可达100300mm/s,是普速激光熔覆扫描线速度的30倍。普速激光熔覆时激光能量优先被基材吸收,在高速激光熔覆中,熔覆粉末优先吸收激光能量,在抵达基材表面前已达到熔融状态。高速激光熔覆时,激光束有限熔化粉末,透过粉末束流后的激光
3、能量仅留有20%,使较高速度运动的基体表面以微小深度参与熔池,李俐群、娄丽艳等1,2采用超高速激光熔覆获得了低稀释率金属涂层,微观组织及性能良好。澹台凡亮等3获得了高速激光熔覆的工业化应用,通过控制油缸基体的高速运动,母材表面有效熔覆速率可达到25200m/min,显著提升加工速度,透过业内人士对超高速激光熔覆技术研究现状及发展的分析4,5,较传统激光熔覆的稳定性,高速激光熔覆虽然存在诸多工业化应用问题,但仍然在向好发展。基于高速激光熔覆、普速激光熔覆在液压支架油缸中的应用实践,结合普速、高速激光熔覆机理分析了工艺特点,探究了合金粉末材料、母材对熔覆质量的协同作用,并集中探讨了熔池温度、稀释、
4、搭接对成形质量的影响,对激光熔覆熔池的气体保护进行了分析及验证,期望为液压支架油缸激光熔覆行业生产应用提供一定的技术参考和启示。2 试验材料与方法试验用基材为液压支架油缸常用母材。熔覆粉末为普速用粗粉、高速用细粉。普速激光熔覆用激光器为10kW大功率半导体光纤耦合激光器,高速熔覆用4kW光纤激光器,工艺参数各自执行生产工艺。线切割取熔覆区域10mm10mm10mm试样,经砂纸打磨并抛光后使用HVS-1000A数显显微硬度计进行硬度梯度检测;用4%硝酸酒精溶液腐蚀制成金相试样,在Axio Lab.A 1金相显微镜下观察熔覆层的显微组织及结构。采用蔡司EVO10扫描电镜进行微区成分检测。切取 60
5、mm40mm试样进行中性盐雾试验(试验温度352,盐雾沉降率2mL/80cmh,周期为96h)。作者简介:杜学芸,在读博士,工程师,主要从事激光熔覆、焊接的表面处理技术研究与应用,E-mail:。2023年 第9期 热加工39增材制造专题Additive Manufacturing Topic3 结果探讨3.1 合金粉末差异为了保障液压支架油缸表面激光熔覆层的硬度及耐蚀性,需要依据成形工艺特点对所用合金粉末的物理性能及成分进行调整。液压支架油缸表面激光熔覆用合金粉末主要为铁基系列,主体元素为C、Si、Mn、Cr、Ni和Mo等,并添加一定量Nb、V等强碳化物形成元素,通过调整合金元素含量来调整涂
6、层的硬度,并通过添加其他元素来改善熔覆层的硬度、开裂敏感性和残留奥氏体含量,从而提高成形涂层的耐磨性和韧性。合金粉末的主要化学成分及熔点见表1。以普速激光熔覆用粉为参照,高速用粉中对耐蚀性及硬度贡献大的Cr、Ni含量增大,同时用滚压作为高速熔覆的辅助工序,以提升熔敷表面硬度。对于同种用途的合金粉末,经由高速熔覆成形的表面硬度(480HV)低于普速激光熔覆硬度(520HV)。大的比表面积有利于热量吸收,因此高速熔覆采用的合金粉末颗粒度较小,且细粉占比较大,如图1所示。高速、普速激光熔覆用粉分为100270目的粗粒度区间和300500目的细粒度区间2种。高速、普速激光熔覆用粉的物理性能见表2。其中
7、,高速用粉具备更大的流动性和松装密度。受限于高速熔覆技术的工业化应用进度,高速熔覆用粉的发展较缓慢,虽然3D打印已经形成了较为可观的应用规模,但因油缸激光加工的附加值问题,且因铁基粉末成本较低,国内多数大规模粉末供应商不提供高速熔覆油缸铁基专用粉,应用于液压支架油缸的激光熔覆细粉很少。为了提升合金粉末的热量吸收能力,高速用粉降低了粉末粒径,但a)普速b)高速图1普速、高速激光熔覆用粉颗粒(50)表1合金粉末的主要化学成分及熔点材料化学成分(质量分数,%)熔点/硬度HVCCrMnSiMoNiFe普速用粉0.0916.970.40.851.01.780.26Bal.1325520高速用粉0.101
8、8.180.240.851.00.322.91Bal.12501300480表2合金粉末的物理性能项目流动性/(s/50g)松装密度/(g/cm3)粒度/(目)普速用粉18.254.2100270高速用粉17.164.35270400随气动送粉的输出过程,细粉扬尘严重、粉末利用率低,因此随着应用的推进,高速熔覆粉末颗粒度由原来的300500目优化至270400目,普速用粉颗粒度由100300目优化为90250目,一方面窄化粉末粒径区间,降低细粉颗粒占比;另一方面将粒径整体向粗粉调整,提升粉末粒径的均匀性,进而优化送粉的均匀性。图2a所示为优化后90250目的普速用粉粒径分布,其中位径D50处于
9、106.1m处(约150目),90目以上的粗粉占比约20%,250目以下的细粉占比约6%。图2b所示为高速熔覆常规用粉高速用粉细粉270400目合金粉末的粒径分布,其中位径D50处于39.19m处(约383目),270目以上的粗粉占比约39.48%,400目以下的细粉占比约46.7%,其中90%2023年 第9期 热加工40增材制造专题Additive Manufacturing Topic的颗粒粒径62.26m。3.2 油缸母材的特性分析材料的热稳定性与热膨胀系数有紧密的关系,热膨胀系数越小,其热稳定性越好,多数金属材料的热膨胀系数与结合能成反比6,7。碳素钢及镍铬钢的线膨胀系数及熔点见表3
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