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

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、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 60mm40mm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，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0.1018.180.240.851.00.322.91Bal.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。液压支架油缸常用母材有27SiMn钢、30CrMnSiA钢及40Cr钢等，根据国际焊接协会推荐的经验公式计算碳当量及焊接冷裂敏感性、热裂敏感性，三者的计算结果显示均具有一定的热裂、冷裂倾向，其中40Cr钢熔凝结晶时容易出现偏析，因此对结晶裂纹比较敏感，也要防止焊后裂纹产生。结合表1可知，合金粉末成形材料的线膨胀系数大于碳素钢，对形成冶金结合的优质上层覆层提供保障。生产实践证明，油缸常用母材对上层熔覆粉末的适用性差异不明显。表3 材料线膨胀系数及熔点材料分类线膨胀系数/（106/）熔点/低碳钢101314001500镍铬钢1315130014003.3 高速、普速激光熔覆工艺成形影响因素（1）熔覆工艺参数 1）图3所示为高速激光熔覆试样，以典型元a）普速b）高速图2普速、高速激光熔覆用粉粒径分布a）母材与熔覆层结合界面c）多层层间处b）界面Mo、Fe、Ni、Cr分布情况d）层间Mo、Fe、Ni、Cr分布情况图3高速激光熔覆试样距离/m计数率（%）距离/m计数率（%）2023年 第9期 热加工41增材制造专题Additive Manufacturing Topic素Mo、Fe、Cr的曲线走势判定稀释层范围大小。通过金相尺寸测量及微区成分检测，稀释率为55/782=7%。图3b所示为同种材料的熔覆层层间情况，代表Ni元素的蓝色曲线、Cr元素的红色曲线出现局部凸高，这与搭接处的二次受能有关8。熔池内含上层合金粉末、母材成分，合适的熔池不仅能控制熔覆金属的功能最优化，还能降低激光熔覆能量对母材的影响，进而降低母材对熔覆层的影响，激光功率、焦距、扫描线速度、送粉速率及搭接率等参数协同作用下的动态熔池温度对稀释率起着决定性影响。当熔池温度较低时，容易引起近熔合区形成氧化物夹杂。在高速熔覆的过低能量辐照下（功率4kW、扫描线速度200mm/s)，即便同种材料之间的结合界面处也存在较多的气孔、夹渣（见图3c）。2）图4所示为普速激光熔覆的非优工艺多道搭接时搭接区域（功率10kW、扫描线速度8mm/s），搭接率计算结果为13%，其两道搭接区域存在Cr元素成分差异，且在两层界面处出现凸高现象，这是由于二次熔池导致的晶间钝化膜分解，分解出的Cr被C优先结合生成碳化物，局部富集析出，相应地导致该区域局部贫Cr，耐腐蚀性能出现薄弱点。受后一道熔覆时的激光束能量影响，前一道搭接区域局部热处理，晶粒明显粗大，且前一道熔覆层表面氧化皮、球化物等杂质的存在，导致搭接区域出现了一些气孔、夹渣等缺陷。待机械加工去除熔覆材料一定厚度获得成品表面后，其上均匀存在搭接区域，成为耐腐蚀防护薄弱区域9，10。前期验证，多工艺下的Cr含量平均值无明显差异，但Cr、Mo等对耐腐蚀性能有贡献的元素均大量聚集在晶界处，且激光熔覆的能量密度越高，元素聚集程度就越大11。图5所示为熔覆表面锈蚀形态及晶间腐蚀形态，宏观表现为均匀间隔的沿环分布锈蚀，微观表现为晶间松化。搭接缺陷及局部贫Cr无法避免，只能通过调整工艺参数来获得适宜的激光能量密度、光粉匹配，提升单道的成形质量，降低球化、氧化程度，进而降低多道熔覆搭接处缺陷率6。a）中性盐雾试验表面效果b）锈蚀处微观形貌（2000）图5熔覆表面锈蚀形态及晶间腐蚀形态图4普速激光熔覆结合界面、搭接处Cr元素趋势及搭接区域组织结构6（100）（2）保护气体的辅助方案 激光熔覆的熔池暴露于空气中，熔覆层的常见气孔种类有CO气孔、氢气孔、氮气孔。熔池内金属相会发生氧化还原反应。例如，FeOCFeCO，若CO气体来不及逸出，则形成气孔，Fe、Al等的氧化物则形成夹渣；熔池周边的气体、粉末，以及工件表面中的水分是引起氢气孔的主要原因；氮气则主要来源于空气，如果采用氮气作为保护气体，则增加其来源，这些气体若来不及逸出，则在凝固的熔覆层中形成气孔，其形态白亮且圆润。可采用氩气（氩相对分子量为39.95，空气28.8，氮气28、氧气32）重力排气法实现熔池周边的空气、水分降低，达到一定的熔池保护作用。图6所示为普速激光熔覆添加旁侧氩气保护的覆2023年 第9期 热加工42增材制造专题Additive Manufacturing Topic层表面，其色泽为浅银白色，无明显氧化皮；未加氩气的熔覆件表面则呈现烟熏黄色，冷却后可去除部分氧化皮。4 结束语通过综合分析高速激光熔覆、普通激光熔覆涂层的成形特点，探讨油缸母材、合金粉末及二者适用关系，得出如下结论。1）高速、普速激光熔覆工艺的差异主要表现在熔化方式对合金粉末的不同要求及成形性能的差异。为实现液压支架油缸表面激光熔覆性能及质量提升，需要对合金粉末的成分及粒度加以优化补偿。2）对液压支架油缸母材常用材料27SiMn钢、30CrMnSiA钢、40Cr钢进行分析，普速、高速激光熔覆所用合金粉末的碳当量及焊接性均优于母材，且合金粉末成形材料的线膨胀系数大于碳素钢，对形成冶金结合的优质上层覆层提供保障。3）熔池温度是成形质量的决定性因素，稀释率、夹渣等均受控于熔池温度，也决定了成形硬度、耐蚀性的表征，且不适宜工艺造成的搭接问题增多，因此工艺控制是保障熔覆组织均匀性的关键。4）对激光熔覆熔池采用气体保护具备积极质量效益，且采用氩气相比氮气可获得更好的宏观表面。参考文献：1 李俐群，申发明，周远东，等超高速激光熔覆与常规激光熔覆431不锈钢涂层微观组织和耐蚀性的对比J中国激光，2019，46（10）：10020102 娄丽艳，张煜，徐庆龙，等超高速激光熔覆低稀释率金属涂层微观组织及性能J中国表面工程，2020，33（2）：149-1593 澹台凡亮，田洪芳，陈峰，等高速激光熔覆在27SiMn液压支架立柱上的应用探讨J新技术新工艺，2019（3）：52-544 吴影，刘艳，陈文静，等超高速激光熔覆技术研究现状及其发展方向J电焊机，2020，50（3）：1-105 郭永明，叶福兴，祁航超高速激光熔覆技术的研究现状及发展趋势J/OL中国表面工程，2022，35（6）：39-506 操龙飞金属材料的热膨胀特性研究D武汉：武汉科技大学，20137 温元凯，李济民金属热膨胀的规律性金属材料研究J金属材料研究，1976，14（2）：956-9578 杜学芸，许金宝，宋健激光熔覆再制造技术研究现状及发展趋势J金属加工（热加工)，2020（3）：15-189 曹青，蔡志海，杜学芸，等27SiMn液压支架立柱的激光熔覆多道搭接工艺研究J电焊机，2020，50（7）：80-8410 杜学芸，何建群，王伟，等激光功率对27SiMn不锈钢立柱熔覆层耐蚀性能的影响J矿山机械，2018，46（1）：59-6411 安同邦，田志凌，单际国，等保护气对1000MPa级熔敷金属组织及力学性能的影响J金属学报，2015，51（12）：1489-149920230809b）氮气保护图6气体保护的普速激光熔覆表面a）氩气保护