鋼帶制造中使用的部件在極具腐蝕性的環(huán)境中工作，同時必須承受機械磨損和頻繁且嚴重的沖擊負荷。傳統(tǒng)上，磨損或腐蝕程度較高的部件通常使用富化學性鋼材制造，或使用亞熔弧堆焊馬氏體不銹鋼進行硬面處理，以延長其使用壽命，從而在不犧牲產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，通過延長維護間隔時間最大限度地提高生產(chǎn)線產(chǎn)量。

圖 1：利用離軸噴嘴進行激光熔覆

馬氏體不銹鋼（MMC）焊接合金通常具有良好的磨損和腐蝕特性，但不適合金屬間的嚴重磨損，在高溫下也會失去機械和腐蝕特性。電弧焊接的 MSS 合金在熱影響區(qū)（HAZ）的晶界中也存在焊接敏感性問題，從而析出鉻碳化物，導致周圍區(qū)域鉻含量降低，最終導致這些區(qū)域容易發(fā)生局部腐蝕。

熱噴涂涂層可在合金和金屬基復合材料（MMC） 中使用，因此在整個鋼鐵行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。然而，熱噴涂涂層的機械粘接界面的強度相對較低（除非采用后噴涂熔合技術(shù)），這就限制了它們在受到非常嚴重沖擊的環(huán)境中的實際應(yīng)用。

2009 年，英國 Talbot 港建立了一個系統(tǒng)，試圖開發(fā)用于關(guān)鍵工程部件涂層的激光熔覆技術(shù)（圖 2），以延長其使用壽命。在鋼鐵工業(yè)的軋鋼廠中，需要使用長度為 0.3 至 3.5 米的不同軋輥。事實證明，激光熔覆涂層可以將部件的使用壽命延長 6 倍。

圖2：塔塔鋼帶產(chǎn)品英國公司的激光熔覆生產(chǎn)設(shè)施

自從在 Talbot 港安裝激光熔覆系統(tǒng)以來（圖 3），該工藝一直在改善，并從微觀結(jié)構(gòu)、機械性能、耐磨性和耐腐蝕性等方面對多種鎳鈷和鐵基材料合金進行了評估，以實現(xiàn)為鋼鐵廠內(nèi)的每種應(yīng)用定制涂層性能。

圖 3：Precitec YC 52 帶有同軸噴嘴的熔覆頭

生產(chǎn)線試驗的初步結(jié)果非常令人鼓舞，經(jīng)過激光熔覆的部件獲得了前所未有的磨損和腐蝕性能。因此，公司決定建造一臺生產(chǎn)設(shè)備，以滿足預(yù)期的需求。

01 激光熔覆工藝的顯著優(yōu)勢

激光熔覆工藝是一種硬面堆焊方法，可用于提高金屬部件的耐磨/耐腐蝕/耐沖擊性能。該工藝利用精確聚焦的高功率激光束形成一個焊池，在該焊池中，金屬材料會被熔化。

激光束的精確性使其能夠以最小的稀釋度（< 5%）進行完全致密的熔覆，同時實現(xiàn)完美的冶金結(jié)合�？梢允褂枚喾N涂層，涂層的成分可根據(jù)每個部件的失效機理進行設(shè)計。

激光熔覆的主要優(yōu)點之一是能夠精細控制熱輸入。這樣就能沉積出兩相金屬基復合材料結(jié)構(gòu)，即：

• 基體--通常是鎳基合金。這種基體具有韌性、延展性和抗沖擊性，同時在高溫下具有耐磨性。
• 增強硬質(zhì)相--通常是碳化鎢，但也可以是碳化鈦、碳化鉻等。

對輸入熱量的精細控制可使基質(zhì)完全熔化并粘附在基底表面，與此同時，陶瓷顆粒仍未熔化并均勻分布在基底表面，使涂層具有極高的耐磨性和抗沖擊性。硬質(zhì)相和基體之間的比例可根據(jù)使用條件進行調(diào)整，即硬質(zhì)相比例越大，耐磨性越強，硬質(zhì)相比例越小，抗沖擊性越強。

該流程的其他好處包括：

• 輸入的熱量最少，因此冷卻速度快
• 微結(jié)構(gòu)非常精細，變形可以忽略不計
• 由于稀釋量極小，因此能在第一層達到所需的涂層化學成分。
• 能夠生產(chǎn)出表面光潔度極高的硬面涂層（可對軋輥進行涂層，安裝時無需進行機械加工）

圖 4：激光熔覆顯微照片 - 基體中的碳化鎢的典型沉積

雖然激光熔覆涉及許多參數(shù)，在激光熔覆過程中，粉末質(zhì)量流量是一個尤為關(guān)鍵的參數(shù)。一旦確定了最佳激光光斑直徑、熔覆速度和激光功率速度，粉末流量可用于控制熔覆厚度、硬度和稀釋度。如圖 5 所示�？梢钥闯�，增加粉末流速可有效控制稀釋。

圖 5：鎳鉻鉬合金的橫向切片顯示稀釋程度與粉末流速的函數(shù)關(guān)系；放大率更高的光學顯微鏡圖像，詳細顯示樹枝狀結(jié)構(gòu)；放大率更高的掃描電鏡圖像，顯示同一合金極其精細的細胞樹枝狀結(jié)構(gòu)。

一旦確定了板上單道焊縫的最佳參數(shù)，就可以通過產(chǎn)生重疊焊道來實現(xiàn)大面積覆蓋。重疊量決定了單道焊接的涂層厚度從 0.3 mm 到 3.0 mm 不等。

為了展示和量化激光熔覆與傳統(tǒng)硬面堆焊技術(shù)相比的潛在優(yōu)勢，我們制作了一些激光熔覆和浸沒式硬面堆焊的樣品。

英國謝菲爾德大學的塔塔鋼鐵研發(fā)與技術(shù)機器的操作由觸摸屏人機界面控制。系部生產(chǎn)了弧形堆焊鋼板，并對其進行了統(tǒng)設(shè)計為自動運行方式，因此機器人能夠損測試。低溫和高溫下的磨損測試結(jié)果分自動編程。該系統(tǒng)采用激光測距儀，可別如圖 6a 和 6b 所示。確定部件的幾何形狀、開始和停止位置可以清楚地看到，與標準材料和硬面以及激光頭的距離。這確保了只需少量堆焊技術(shù)相比，激光熔覆工藝可顯著提培訓即可操作最先進的工藝。尾部監(jiān)控功高耐磨性。能可確保加工過程穩(wěn)定，而自動停止和縮回功能則可在意外中斷時防止損壞。

圖6：a) 激光熔覆碳化鎢與高碳合金鑄軋鋼的室溫滑動磨損測試。插入的顯微照片顯示了試驗過程中產(chǎn)生的 "磨損疤痕"。碳化鎢上產(chǎn)生的磨損疤痕可以忽略不計。b) 激光熔覆 Stellite 6 與埋弧熔覆馬氏體不銹鋼的高溫（700 ℃）滑動磨損試驗（目前應(yīng)用于 CSP 的硬面 HSM 和連鑄軋輥）。

02 激光熔覆生產(chǎn)設(shè)備

能夠進行激光熔覆的機床可直接從歐洲和美國的供應(yīng)商處購買，但塔塔鋼鐵公司的工程師們決定制造一臺定制的激光熔覆生產(chǎn)設(shè)備。該系統(tǒng)以 Laser Line 光纖耦合二極管激光器為基礎(chǔ)，配備 Precitec YC 52 熔覆頭和 Metallisation 質(zhì)量流量控制粉末進料器。該系統(tǒng)由 Fanuc 機器人控制，附加的第 7 軸可旋轉(zhuǎn)重量達 6 噸、長度達 3.5 米的圓柱形部件（圖 7）。

圖 7：有多種粉末沉積噴嘴可供選擇，實現(xiàn)了對各種部件以最高的粉末效率進行包覆。同軸環(huán)形噴嘴用于精細的熔覆；四孔（非連續(xù)同軸）噴嘴可進行全位置熔覆；離軸噴嘴用于要求工藝穩(wěn)健性的場合，即在光束接通時間長達數(shù)小時的情況下，則使用離軸噴嘴。

機器的操作由觸摸屏人機界面控制。系統(tǒng)設(shè)計為自動運行方式，因此機器人能夠自動編程。該系統(tǒng)采用激光測距儀，可確定部件的幾何形狀、開始和停止位置以及激光頭的距離。這確保了只需少量培訓即可操作最先進的工藝。尾部監(jiān)控功能可確保加工過程穩(wěn)定，而自動停止和縮回功能則可在意外中斷時防止損壞。

隨著高功率二極管激光系統(tǒng)和專用激光熔覆噴嘴的出現(xiàn)，堅固耐用的熔覆工藝在硬面堆焊應(yīng)用中的設(shè)計和集成變得更加簡單。

本文首發(fā)于 2013 年 Laser Journal 雜志，第一作者 Sam Lester，負責塔塔鋼帶印度公司(TATA Steel Strip Products UK) 接合和激光硬質(zhì)合金部門(joining & Laser Hardfacing Group) 的運營。

轉(zhuǎn)自：普雷茨特光學測量

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