灰鑄鐵裝備表面激光熱修復關鍵技術研究.pdf

1、目前大型機械裝備中,灰鑄鐵類鑄件應用十分廣泛。由于工況惡劣,鑄件表面易出現裂紋缺陷而導致裝備失效,為避免報廢、降低成本,如何快速修復失效部件并實現高效率的循環(huán)再制造是目前亟待解決的技術問題,此技術問題已成為熱修復領域的重要研究課題。由于大功率激光技術在材料加工領域具有諸多優(yōu)勢,因此課題提出采用激光熱修復方法處理灰鑄鐵裝備表面的裂紋失效問題,深入研究并解決激光熱修復過程中涉及的關鍵技術和問題。主要開展了以下內容的研究工作:
　　

2、分析激光、基體和修復粉末的相互作用,研究其熱流傳遞規(guī)律;采用生死單元技術實現修復粉末動態(tài)添加、提出了新的組合型體熱源的數學表達、利用接觸關系準確模擬工作臺對工件的約束,建立灰鑄鐵基體表面的激光熱修復全過程數值模型。為連續(xù)激光作用下材料表面熱修復過程的傳熱和力學行為規(guī)律進定量分析提供研究手段。
　　 為實現灰鑄鐵表面的裂紋缺陷修復,設計激光熱修復方法及工藝,確定可用于修復的合金粉末種類,通過實驗研究修復區(qū)與基體的冶金結合狀態(tài),明確

3、灰鑄鐵基體的顯微組織特性及轉變規(guī)律。實驗結果表明,在連續(xù)激光能量作用下,不同合金粉末材料與基體形成了不同結合狀態(tài),表現出不同的機械性能,采用合理的加工工藝,在完成修復的同時可獲得表面性能的提升。
　　 根據激光熱修復區(qū)的形態(tài)特點,采用三點彎斷實驗對熱修復試樣的斷裂性能和修復層結合強度進行分析,探究激光修復對基體斷裂韌性和結合強度的影響規(guī)律,熱修復區(qū)提高了基體的抗裂能力;試樣由單一的脆性斷裂轉變?yōu)檠有院痛嘈越M合的斷裂形式;進一步對

4、修復區(qū)開裂和裂紋擴展行為進行分析,提出了修復區(qū)的阻裂過程模型,揭示了其阻裂機制,發(fā)現激光熱修復在保持灰鑄鐵基體原有強度的同時,提高了材料的斷裂韌性。
　　 通過數值模擬和實驗研究,明確尺寸效應、環(huán)境介質及其作用方式、激光工藝參數等各因素的影響規(guī)律?；w尺寸和液態(tài)介質分別影響著基體內部的熱傳導以及與外界的熱交換,浸沒式液體環(huán)境能夠有助于獲得較高的表面硬度和耐磨性能;通過實驗調整修復工藝,可以獲得具有較高的抗裂韌性和較好的機加工性能

5、的修復層。
　　 為了改善修復層質量,提出激光局部自預熱策略。通過數值模擬和實驗分析不同預熱工藝對修復效果的影響,確定配套的預熱工藝參數,局部自預熱能有效降低熱拉應力水平,殘余應力分布更為合理;減少了脆硬相和白口組織,可使組織均勻化并降低石墨尖端的微裂紋萌生機率。激光局部自預熱處理提高了修復質量、改善了修復區(qū)材料性能,較現有方法能夠獲得更理想的預熱效果,為完善激光熱修復工藝體系、提高修復質量提供理論支持和靈活高效的技術手段。

6、r>　　 修復粉末的輸送和待修復工件的進給是影響激光熱修復的重要因素,探究激光同軸送粉噴嘴的結構參數對粉末焦點及濃度分布的影響,以此為依據設計了可垂直拆卸的同軸送粉噴嘴和送粉裝置,分別適用于載氣和重力送粉,同時粉末流的焦點軸向位置可調。采用驅動精度高、響應快的直線電機驅動進給方式對工作臺進行了設計,確定工作臺的運動參數:建立激光熱修復工作臺的數字化樣機,通過運動仿真驗證工作臺運動平穩(wěn)。綜合激光同軸送粉裝置的研究和設計,形成了激光熱修復