激光熔覆高速線材軋輥熔覆層開裂問題的研究.pdf

1、鈷基硬面合金具有良好的高溫強(qiáng)度和耐磨性，廣泛在等離子噴涂、火焰噴涂中應(yīng)用。激光熔覆技術(shù)是一種具有良好應(yīng)用前景的表面處理技術(shù)。與傳統(tǒng)的表面技術(shù)(等離子噴涂、堆焊等)相比，它具有熱輸入少、工件的變形小、稀釋率低，熔覆層與基體材料的界面結(jié)合為冶金結(jié)合，同時(shí)熔覆層的凝固速度快，得到的熔層晶粒細(xì)?。蝗鄹矊拥哪湍p、耐腐蝕性能優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)加工的涂層性能。采用激光熔覆技術(shù)制造高速線材軋輥，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的粉末燒結(jié)輥環(huán)，可以節(jié)約大量的貴重金屬，簡化軋輥制造的

2、工藝流程，具有實(shí)際的社會效益。熔覆層的裂紋是阻礙激光熔覆技術(shù)制造高速線材軋輥的關(guān)鍵問題。本文分別采用CO2激光和YAG激光對熔覆高速線材軋輥所用鈷基合金開裂進(jìn)行了研究，主要研究成果如下： 激光熔覆工藝參數(shù)對鈷基合金熔覆層的裂紋敏感性有著重要影響。當(dāng)增大激光功率、減少送粉速率時(shí)，熔覆層的裂紋率下降；提高熔覆速度，采用CO2激光進(jìn)行熔覆時(shí)，熔層的裂紋率提高；而采用YAG激光進(jìn)行熔覆時(shí)，熔層的裂紋率反而下降。兩者比較而言，YAG激光熔

3、覆的開裂傾向大。原因在于YAG激光波長短，粉末對YAG激光的吸收系數(shù)大，熔層高度與寬度的比值大。采用積分鏡寬帶熔覆時(shí)，激光光斑形狀由原始激光的圓形光斑轉(zhuǎn)換成矩形光斑，激光能量密度均勻，導(dǎo)致積分鏡寬帶熔覆層中熱應(yīng)力分布均勻，熔覆層的開裂敏感性顯著降低。研究中，采用熔覆層幾何形狀參數(shù)，用單位長度上熔覆層中裂紋的開裂面積作為評價(jià)熔覆層開裂敏感性指標(biāo)。 鈷基合金激光熔覆層組織特征是在快速凝固的鈷的過飽和固溶體基體相中分布著網(wǎng)絡(luò)狀的共晶組

4、織。X射線衍射表明基體為面心立方結(jié)構(gòu)的γ-Co和α-Co過飽和固溶體，骨架相為CrB、M23C6、M23(CB)6、M2B。裂紋一般萌生在熔覆層與基體材料界面處產(chǎn)生的微孔處、熔覆層中共晶組織間及熔覆層中夾雜物處。熔層組織中共晶組織和熔覆層底部粗大的樹枝晶是熔覆層的薄弱區(qū)，易于產(chǎn)生裂紋。裂紋在共晶組織中擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展方式主要是沿晶擴(kuò)展，也存在穿晶擴(kuò)展。熔覆層裂紋屬于凝固裂紋。熔層裂紋斷口觀察顯示熔層開裂屬于脆性斷裂。優(yōu)化工藝參數(shù)，均勻化激

5、光能量密度，減少搭接的次數(shù)，均可以顯著降低熔層開裂傾向，采用預(yù)熱可以避免熔層開裂。在激光熔覆軋輥結(jié)構(gòu)試件中，采用積分鏡寬帶熔覆，基體預(yù)熱到300度，可以避免熔層開裂，而采用準(zhǔn)高斯光束熔覆，需要預(yù)熱到400℃。在進(jìn)行激光熔覆高速線材軋輥制造時(shí)，考慮到工件的拘束度增大，工件體積增大，采用積分鏡寬帶熔覆，預(yù)熱到500℃，保持層間溫度不低于預(yù)熱溫度，并采取后熱措施，制造出無裂紋的高速線材軋輥工作面。采用X射線測試了預(yù)熱對熔覆層應(yīng)力的影響。預(yù)熱降

6、低熔層表面殘余拉應(yīng)力，對實(shí)際熔覆的軋輥表面測試殘余應(yīng)力，經(jīng)過預(yù)熱及后熱，應(yīng)力狀態(tài)由不預(yù)熱的拉應(yīng)力變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力。根據(jù)基體材料對熔池的激冷產(chǎn)生應(yīng)力和基體材料與熔層材料的熱物理性能的差異導(dǎo)致應(yīng)力，兩者疊加，建立了預(yù)測熔層應(yīng)力的模型，可以解釋預(yù)熱對應(yīng)力狀態(tài)的影響及母材與熔層材料的熱物理性能之間的關(guān)系對熔層應(yīng)力的影響。該模型是靜態(tài)模型，不能準(zhǔn)確計(jì)算熔層中應(yīng)力的變化。有限元方法可以計(jì)算熔覆過程中應(yīng)力的動態(tài)變化。 熱應(yīng)力是造成熔覆層開裂的重

7、要因素之一。利用Ansys軟件建立激光熔覆的有限元模型，通過利用函數(shù)參量及單元生死技術(shù)，實(shí)現(xiàn)激光束的移動及熔覆粉末的動態(tài)填加，研究預(yù)熱對熔覆層溫度場和應(yīng)力場的影響。分析結(jié)果表明，沿熔覆方向拉應(yīng)力值水平最高，是導(dǎo)致熔覆層開裂的主要原因。預(yù)熱顯著降低熔覆層的塑性變形及殘余應(yīng)力值。 激光熔覆的高速線材軋輥在鋼廠進(jìn)行了中試，軋制速度50m/s，經(jīng)過16個小時(shí)的軋制，磨損量為0.1mm，大于硬質(zhì)合金輥環(huán)的磨損量。但是激光熔覆高速線材軋輥和