激光熔覆技术在工程装备零部件维修及再制造中的应用现状及发展

刘 策，王海涛，谭业发，王俊杰

（陆军工程大学，江苏 南京 210000）

0 引言

军队工程装备（engineer equipment）主要由渡河桥梁装备、道路阵地机械、筑城施工机械、野战给水机械、工程侦察与指挥装备等装备组成。对于这些工程机械进行维修时，多方面考虑战场上保障时限短、零件后方调配困难、装备易磨损易腐蚀等因素，对小型零部件主要采用换件维修，即对损伤零部件直接更换，而大型零件直接更换难度大、成本高，通常采用表面工程技术在零部件表面制备出性能更加优越的涂层，此法不仅可以将已经失效零部件修复至原始尺寸，而且可以提升零部件的性能，保障了再制造工程装备整机的可靠性和稳定性，与传统的换件维修相比，极大地降低了生产成本。

目前，工程装备主要采用的表面工程技术主要有机涂装、热浸镀、热喷涂、电镀、化学镀、气相沉积、堆焊、激光熔覆等。激光熔覆技术相比其他表面工程技术，具有以下特点：激光能量密度高，加热速度快，对基材热影响区较小，热变形小；冷却速率较快（102～106K/s），涂层上组织密实，晶粒小；涂层稀释低，涂层与基体呈冶金结合，结合强度高；材料选择范围广，金属材料、陶瓷材料及复合材料均可作为熔覆材料；易实现自动化，无环境污染[1]。激光熔覆技术被广泛应用于船舶制造、航空航天、汽车再制造、矿山机械、军事保障等领域[2]。

本文对激光熔覆技术原理进行概述，以及利用该技术对工程装备零部件进行维修及再制造的研究现状与发展前景，并有针对性地提出了4 点可供参考的研究方向。

1 激光熔覆技术

激光熔覆技术（Laser Cladding，LC）是一种表面改性技术，该技术属于多元型学科，包括激光技术、计算机辅助制造技术和控制技术等。其原理为以高能量密度（104～106W/cm2）的激光热源，使涂层材料和基材表面薄层同时熔化，并快速凝固形成稀释率极低，与基材呈冶金结合的表面熔覆层，从而显著改善基材表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等的一种表面强化方法。

根据送粉方式，目前最常用的LC 方法是同轴粉末系统[3]和预置粉末系统[4]。同轴送粉为当粉末通过载气从送粉喷嘴喷出时，激光束照射基材形成液体熔池[5]，粉末与激光相互作用后，随着送粉喷嘴与激光束同步移动，进入液体熔池并形成熔覆层。与同轴粉末系统不同，熔覆材料在预置粉末系统中预先放置在基板上。然后，通过激光束扫描将预置的粉末熔化，熔池迅速冷却，形成熔覆层。一般而言，预置粉系统操作简单，熔覆质量较好，但穿透深度不易控制，稀释度大。同轴粉末系统激光利用率高，但对熔覆设备的质量要求很高。

激光熔覆材料的应用中，主要有自熔性合金粉末、陶瓷材料、金属陶瓷复合材料、稀土元素改性材料。材料之间性能差异较大，可根据实际需求选择恰当的材料[6]。

2 激光熔覆技术在工程装备零件维修及再制造中的应用现状和前景

目前，对工程装备修复所应用的主要技术有电弧喷涂、热处理、堆焊等，但随着激光熔覆技术的不断发展，制备涂层性能日渐优异，效率也在不断变高，为工程装备修复及再制造提供了新方法新思路。

2.1 应用现状

张世凭在挖掘机磨损斗齿表面用激光熔覆技术制备VC 铁基复合材料涂层，恢复原件尺寸，提升了其耐磨性[7]。德国汉诺威莱布尼兹大学Klaierle 等利用激光熔覆与激光重熔复合工艺完成了对涡轮发动机叶片的修复[8]。苏伦昌等对煤矿机械关键设备之一的液压支架立柱进行再制造对比研究，研究表明，激光熔覆再制造是电镀修复技术使用寿命的6 倍，经济效益和环境效益方面亦有着明显优势[9]。

激光熔覆技术除了可以对损坏的零件进行修复以外，还能用来对已有的工程机械零部件进行再制造，从而提升工件性能，延长使用寿命。焦阳等以低碳高铬铁基熔覆粉末为原始材料，利用激光熔覆技术制备了不同Mo 加入量的铁基熔覆层，明显改善了液压油缸熔覆层材料的耐蚀性，可以满足苛刻的煤矿液压支架防护要求[10]。陆伟明利用激光熔覆技术对柴油机的活塞进行再制造处理，利用三大类共计11 种不同成分的自熔性合金粉末，在以42CrMo 为基材的试样上进行激光熔覆，最终选择Fe60 作为该活塞的熔覆粉末，而后从激光入射角、激光功率、扫描速度等工艺参数综合分析，进行2 轮共计12 组试验，获得最优的工艺参数。该研究为活塞的批量化生产以及再制造产品的可靠性提供有力的技术支撑[11]。

2.2 应用前景

与航空航天、汽车再制造、船舶再制造等高端制造领域相比，利用激光熔覆对工程装备进行维修和再制造发展较慢、水平较低，为保障工程装备完好率和可靠性，借鉴其他领域的激光熔覆先进成果，从表面强化、提高耐腐蚀性2 个方面进行研究。

2.2.1 表面强化

工程装备结构复杂、零件种类繁多，一些零件不仅要求具有足够的刚度和韧性，还要求表面具有足够的硬度和耐磨性，如齿轮齿面、传动轴配合面等，都要求较好的耐磨性和较高的表面硬度。

在提升零部件耐磨性方面，李云峰以大型齿圈常用的ZG42CMoA 钢为基材，设计了一种包含界面连接层、增韧层与耐磨层的夹层式复合结构涂层以提升齿面的耐磨和耐冲击性能[12]。封慧等在45 钢表面利用激光熔覆技术制备Fe 基熔覆层，优化工艺参数后，得到致密无缺陷的熔覆层，其硬度明显高于基体，曲轴轴颈出现过度磨损以及裂纹的问题得到了有效解决[13]。Zhang 等在利用激光熔覆技术，在45 钢表面制备Ni60A 涂层，全面系统地探究了基材及激光熔覆涂层在不同载荷下相对于GCr15 球滑动的高温摩擦和磨损行为，随着载荷的增加，基材和熔覆层的耐磨性虽都有所增加，但是涂层与基材的磨损率比为1/6.2[14]。坦克在执行任务中，发动机凸轮轴会承受气门周期性打开与关闭的冲击，并导致凸轮桃尖磨损失效。董世运等人在坦克凸轮轴表面激光熔覆Fe90 铁基合金粉末，获得没有裂纹、气孔且组织致密的涂层，其耐磨性得到了较大改善[15]。

在提升零部件硬度的方面，张艳丽等在45 钢表面分别制备Fe60 合金和Ni60 合金激光熔覆涂层，并对两者的性质作以比较得出结论，Ni60 合金熔覆涂层虽然硬度较高，但裂纹较多，而Fe60 合金熔覆涂层不仅结合区硬度高，而且具有良好的冶金结合，无明显缺陷，得出结论，Fe60 合金粉末更适合在45 钢表面进行激光熔覆处理[16]。牛兴林等利用某铁基合金粉末在45 钢表面制备激光熔覆层，研究表明，由于熔覆过程加热和冷却速度极快，因而得到较大的过冷度，熔池内合金元素快速形成化合物，熔覆层晶粒尺寸和组织更加细密，获得了硬度较大的熔覆层[17]。吴思等采用激光熔覆技术在45 钢表面制备WC－12Co 金属陶瓷熔覆层，熔覆层从上至下，硬度逐渐下降，表层C含量较高，硬度最高，从而得出结论WC 颗粒提升熔覆层的硬度[18]。

2.2.2 提高耐腐蚀性

工程装备的零部件绝大多数为金属材质，尽管其零部件在刚出场时都有一定的防锈保护，如电镀、涂装等表面工程技术，但是装备一般在室外且条件较为恶劣的露天环境作业，裸露的金属仍然易产生氧化锈蚀。所以可以利用激光熔覆技术制备耐腐蚀涂层，从而阻断金属与大气和水分直接接触，从而起到防锈保护的作用[19]。

邱等人研究了激光熔覆Al2CrFeCoxCuNiTi HEA涂层在Q235 钢上的耐腐蚀性能，结果表明包覆层在质量分数为3.5%的NaCl 和1 mol/L NaOH 溶液中的耐腐蚀性能良好[20]。白永涛等在液压支柱、千斤顶表面以不同配比激光熔覆低碳马氏体和不锈钢混合粉末，提高了其耐磨耐蚀性，延长了液压支柱的使用年限[21]。上述研究结果表明，激光熔覆技术为耐腐蚀防磨的实现提供了一定的可行性。

研究发现，通过对外场条件的添加和控制可以显著提高熔覆层耐腐蚀性。翟璐璐以纯铁为基体，Ni60自熔性合金粉末为熔覆材料，采用单一交变电流、单一稳态磁场及电-磁复合场三种辅助形式，详细考察了电磁场条件下激光熔覆涂层的表面形貌、横截面尺寸、凝固组织、裂纹数量以及显微硬度的变化。通过实验最终利用较小的电-磁复合参数便能够获得优质的激光熔覆涂层，提升了涂层的耐腐蚀性。此方案为利用激光熔覆技术强化工程装备提供了技术指导[22]。综上，激光熔覆技术对提升工程装备的耐腐蚀性提供了一定的可行性。

3 结语

自1974 年Gnanamuthu 在金属基材表面激光熔覆一层金属并获得相关专利后，该技术经过近半个世纪的研究，目前，积累了大量经验和实验数据。但其在工程装备修复强化中的研究与应用仍然较少，为实现激光熔覆在工程装备维修与再制造领域的推广，今后可以从以下几个方向研究：

1）吸取激光熔覆技术在高端行业研究中积累的成果，并沿用至工程装备中，从而改善工程装备维修及再制造水平低、发展速度慢的现状。

2）激光熔覆技术在军用和民用架桥机上的应用仍然较少，武钢研究院在对架桥机大臂钢板使用中开裂进行分析后发现，该装备在远未达到使用寿命，钢板失效属于焊缝夹渣部分疲劳断裂，并沿该焊缝路径扩展，同时焊缝中存在材质较脆的马氏体组织[23]。采用激光熔覆技术对架桥机大臂钢板进行处理，不仅可以有效提升其力学性能，还可以增强抗腐蚀和抗氧化能力，为军用和民用架桥装备维修及再制造技术提供新思路、新方法。

3）熔覆层与基材的冶金结合强度稳定性有待提高。由于熔覆层加热和冷却速度极快，熔覆材料与基材的热膨胀系数、熔点以及润湿性等性能方面存在差异，使得冶金结合处易产生裂纹，所以冶金结合的效果还有待提高。

4）对激光熔覆的工艺参数进行优化升级。在激光熔覆中，如何快速高效的找到一套工艺参数组合的最优解，一直是科研工作者攻关的重点课题，同时合适的的工艺参数对于制备优质涂层具有重要意义。

尽管在现有环境下，激光熔覆在军队中的应用范围较少，许多技术还未走出实验室，但是相信在军队各级领导的帮助和科研工作者的共同努力下，在不久的将来，激光熔覆设备将成为提升部队后勤保障能力、快速恢复战损装备的有力工具。