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超高速激光熔覆涂层服务

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1.超高速熔覆与传统熔覆工艺比较


激光直接沉积技术可以在零件表面直接沉积不同的材料并形成高强度的金属结合,利用该技术进行表面涂层处理厚度可以达到电镀技术的10到500倍。基于传统激光熔覆技术,辉锐集团开发的超高速熔覆技术处于国内领先水平。
● 超高速熔覆技术采用比传统激光熔覆技术快两个数量级的熔覆速度(达几米/秒),对基材表面进行高效率涂层熔覆。超过1.5平方米/小时的高效率涂层可以使激光熔覆的成本降低到与镀硬铬成本相当。
● 电镀涂层属于物理结合,涂层厚度较薄一般为20-60μm。而超高速熔覆涂层厚度最少达到120μm,最高可达到1000μm,激光涂层与基材的结合属于冶金结合,结合强度比电镀涂层高几倍,因此涂层寿命更长。
●  超高速熔覆比传统熔覆工艺对基材造成的热影响区和热应力都更小,不易造成变形和开裂。


激光熔覆
图1 传统激光熔覆(左)  超高速激光熔覆(右)的工艺原理示意图



     超高速激光熔覆与传统激光熔覆的区别如上图所示。在传统激光熔覆中,激光能量优先被基板吸收,在基材表面生成稳定熔池,熔覆粉末进入熔池后被熔融,冷却凝固后形成熔覆层,由于稳定熔池是粉末熔融的前提条件,因此激光扫描速度一般低于30mm/s,熔覆效率低于0.1m2/h,熔覆层厚度一般在0.5-2mm范围内;同时基材熔深较深,稀释率与热影响区都较大,基材变形问题较严重。在超高速激光熔覆过程中,熔覆粉末优先吸收激光能量,在抵达基板前已达到熔融状态,而基材表面只形成极浅的熔池或不产生熔池,依靠熔融粉末的热量传递与基材产生冶金结合。没有了稳定熔池这一限制,激光扫描速度目前可以达到3000mm/s,可实现的熔覆层厚度目前在0.05-1mm范围内,且对基材热输入极小,稀释率低于1%,可应用于薄壁空心管等对热输入敏感的产品上。针对煤机部件表面增强层取代电镀硬铬的方向,0.5mm厚度以下的熔覆层不管在性能还是成本方面都具有很大的应用优势。
超高速熔覆工艺的实现,大大依赖于对熔覆粉末束流与激光能量分配的精确控制,对设备要求很高。辉锐集团通过自主研发,目前已实现了关键部件的自主设计与生产,批量生产了煤机专用超高速熔覆成套设备,同时针对不同材料与具体零件,开展了大量工艺开发测试工作。以下举例给出超高速熔覆层性能测试结果。



2.超高速熔覆涂层着色探伤


下图为煤机液压支架立柱样管,材质为27SiMn,熔覆层材料为马氏体不锈钢,具有良好的耐磨耐腐蚀性能,广泛应用于煤机液压支架立柱表面修复。对熔覆冷却之后的样管表面着色探伤,未发现裂纹缺陷的产生。


高速熔覆

图2 高速熔覆中(左)


熔覆冷却后着色探伤(右)



3.超高速熔覆涂层变形测定

图3为熔覆变形测定位置示意图,熔覆前将工件装卡进车床卡盘,通过百分表调整工件圆跳动,将尾部顶针顶紧,分别在工件夹持端、中间部分及顶针端测量熔覆前圆跳动,另外沿着工件母线方向在四个间隔90度位置分别测量熔覆前工件的直线度。熔覆完毕待工件冷却后,分别测量圆跳动及直线度,得到表2.2及表2.3中熔覆前后对比数据,可以看到工件熔覆前后圆跳动最大0.2mm,直线度最大0.15mm。


图3熔覆变形测定示意图



圆跳动测量结果



直线度测量结果


4.超高速熔覆涂层金相检测

将熔覆层沿垂直于激光扫描方向切开,检测熔覆层内部成型质量,下图分别为金相显微镜在500倍及1000倍镜头下拍摄的金相照片,可以看到熔覆层与基材结合连续致密,未见气孔、未熔、合缺陷,涂层组织为涂层的显微组织为δ-Fe+马氏体的混合组织。




图4
 
500X(左)  1000X(右)


5.超高速熔覆涂层硬度检测

1)熔覆层硬度趋势

采用维氏硬度计检测熔覆层截面沿厚度方向显微硬度分布趋势,实验加载力为200gf,加载时间10s,测量点基准位置为熔覆层与基材结合界面,分别向基材方向及熔覆层方向每隔100um距离测一个点硬度值,得到下表中显微硬度值,图5为硬度趋势图,可以看到,高速熔覆涂层大幅度提高了材料表面硬度,热影响去硬度相应提高。

图5 硬度趋势图


6.超高速熔覆涂层结合强度


图6为熔覆层与基材结合强度测定方式示意,通过拉伸得到的平行于熔覆层与基材结合方向的剪切强度近似表征熔覆层与基材的结合强度。图7所示抗拉强度曲线得到剪切强度约为基材抗拉强度的80%,按照国标合金结构钢27SiMn机械性能标准980MPa计算,涂层结合界面强度可达到780MPa抗拉强度,相比于电镀涂层的结合强度要高出一个量级。


图6 强度测定方式示意图


图7 抗拉强度曲线



7.超高速熔覆涂层盐雾腐蚀

按照GB/T 10125-2012标准对熔覆层进行500h中性盐雾腐蚀测试,熔覆层耐腐蚀性能评级达到9/B。熔覆样品经1000h盐雾测试表面无明显变化,无锈蚀点出现。

图8 熔覆试样经1000h中性盐雾检测前后对比照片

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