兩種激光熔覆技術(shù)在液壓支架立柱上的應(yīng)用對(duì)比

李懷志

(山西潞安煤炭技術(shù)裝備有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046204)

煤礦井下是一個(gè)復(fù)雜、特殊的酸、堿性腐蝕介質(zhì)的工作環(huán)境。液壓支架作為煤礦機(jī)械的關(guān)鍵設(shè)備，在長(zhǎng)期服役過程中，其立柱表面受沖擊和腐蝕等作用，會(huì)出現(xiàn)不同程度的銹蝕而影響密封性，造成立柱在使用過程中失效或性能大幅下降。激光表面熔覆技術(shù)，可利用高能量密度激光束將不同成分和性能的熔覆材料在基材表層快速熔化，使得基材表面形成與基材具有完全不同成分和性能的合金層。為提高液壓支架立柱的抗沖擊和腐蝕性能，文章對(duì)不同的激光熔覆層厚度進(jìn)行試驗(yàn)，以求找出一個(gè)既能滿足立柱性能，又能保證良好的經(jīng)濟(jì)效益的中間點(diǎn)，并使激光熔覆技術(shù)在這個(gè)領(lǐng)域得到推廣。

1 概 述

目前，常用的激光熔覆技術(shù)有兩種，其一是普通激光熔覆技術(shù)；其二是超高速激光熔覆技術(shù)。超高速激光熔覆技術(shù)相比于普通激光熔覆技術(shù)，不僅熔覆效率、粉末利用率更高，而且加工余量低。但是，由于熔覆速度過高，熔覆后的產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)更高的空隙率和較弱的結(jié)合強(qiáng)度，擔(dān)心其后面的使用過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題。因此，須通過試驗(yàn)對(duì)兩種激光熔覆后的樣品進(jìn)行檢測(cè)。

2 激光熔覆試驗(yàn)設(shè)計(jì)

現(xiàn)選取3個(gè)試驗(yàn)樣品，對(duì)3種試驗(yàn)樣品采取3種處理方式。樣品1：采用高速激光熔覆技術(shù)，單邊熔覆厚度0.6 mm，經(jīng)過加工后，單邊留0.3 mm熔覆層。樣品2：采用高速激光熔覆技術(shù)，單邊熔覆厚度0.8 mm，經(jīng)過加工后，單邊留0.5 mm熔覆層。樣品3：采用普通熔覆試樣，經(jīng)過加工后，單邊留0.5 mm熔覆層。試驗(yàn)均采用統(tǒng)一的熔覆粉末，對(duì)3種樣品進(jìn)行以下檢測(cè)：①維氏硬度檢測(cè)；②摩擦磨損性能測(cè)試；③粗糙度測(cè)試；④鹽霧試驗(yàn)；⑤微觀結(jié)構(gòu)及冶金結(jié)合檢測(cè)。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，獲得3種試驗(yàn)樣品的優(yōu)缺點(diǎn)，確定出合理的激光熔覆工藝。

3 試驗(yàn)過程及試驗(yàn)結(jié)果

3.1 維氏硬度檢測(cè)

試驗(yàn)設(shè)備采用JMHVS-1000AT精密自動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯顯微硬度儀，試驗(yàn)參數(shù)為負(fù)載100 N(1.96 N，HV)，保荷時(shí)間為10 s。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 硬度曲線

由圖1可知，樣品1表面平均硬度為550 HV0.2，樣品2表面平均硬度為580 HV0.2，樣品3表面平均硬度為630 HV0.2。整體來看，普通激光熔覆技術(shù)條件下，熔覆層硬度高于高速激光熔覆。在高速激光熔覆條件下，隨著熔覆層厚度的增加，顯微硬度也隨之增加。

3.2 摩擦磨損性能測(cè)試

試驗(yàn)設(shè)備選用HSR-2M型往復(fù)式干摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)參數(shù)為載荷20 N，轉(zhuǎn)速500 r/min，磨損時(shí)間30 min，往復(fù)距離5 mm，摩擦副材料：Si3N4陶瓷球，直徑0.4 mm。試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 磨損率

圖3 磨損量

由圖2分析可知，在熔覆層厚相同的情況下，普通激光熔覆涂層表面前期磨損系數(shù)(20 min前)優(yōu)于高速激光熔覆，后期磨損系數(shù)兩者近似相同。根據(jù)圖2樣品1和樣品2磨損率曲線分析可知，隨著熔覆層厚的增加，磨損系數(shù)降低，耐磨性能顯著提高，這與涂層表面硬度的變化趨勢(shì)相同。

通過分析圖3可以發(fā)現(xiàn)，樣品1涂層磨損量為0.006 15 cm3，樣品2涂層磨損量為0. 005 05 cm3，樣品3涂層磨損量為0.008 5 cm3。結(jié)合3.1與3.2可以得出結(jié)論，樣品2的耐磨性最好。

3.3 粗糙度測(cè)試

試驗(yàn)設(shè)備選用DT220型粗糙度測(cè)試儀，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 3種樣品的粗糙度

根據(jù)表1可知，樣品1與樣品2粗糙度近似相同，均為0.63 Ra，樣品3的粗糙度較高，約為0.71 Ra，說明高速激光熔覆制備的熔覆層粗糙度明顯優(yōu)于普通激光熔覆制備的涂層。

3.4 鹽霧試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備選用HS-101鹽霧實(shí)驗(yàn)箱，試驗(yàn)參數(shù)為：溫度35 ℃；鹽霧條件：中性5%NaCl；鹽霧沉降量1.5 mL/(80 cm2·h)；實(shí)驗(yàn)周期7 d。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 鹽霧試驗(yàn)結(jié)果

由圖4分析可知，經(jīng)過1 d(24 h)鹽霧試驗(yàn)，3個(gè)編號(hào)的試樣塊均透明發(fā)亮、光滑平整。當(dāng)鹽霧試驗(yàn)進(jìn)行到3 d(72 h)時(shí)，3個(gè)編號(hào)的樣品均出現(xiàn)不同程度的腐蝕，尤其是普通激光熔覆制備的樣品3腐蝕最為嚴(yán)重。且隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，樣品3腐蝕越來越嚴(yán)重，直至腐蝕周期(7 d)結(jié)束，樣品一側(cè)出現(xiàn)狹長(zhǎng)的腐蝕坑，腐蝕坑處被腐蝕的基體脫落現(xiàn)象明顯，裸露出內(nèi)部涂層，使得涂層抗腐蝕性能更差。而由高速激光熔覆制備的樣品1與樣品2，相較于樣品3，腐蝕程度很低，尤其是樣品2，經(jīng)過1個(gè)周期的腐蝕，腐蝕面積最小，涂層中部無生銹與白斑，幾乎沒有腐蝕現(xiàn)象。說明樣品2的抗腐蝕性能最佳。

3.5 微觀結(jié)構(gòu)及冶金結(jié)合

試驗(yàn)設(shè)備選用Scope.A1金相顯微鏡，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 微觀結(jié)構(gòu)

圖5中，(a)～(c)為樣品1的微觀結(jié)構(gòu)圖，(d)～(f)為樣品2 的微觀結(jié)構(gòu)圖，(g)～(i)為樣品3 的微觀結(jié)構(gòu)圖。通過對(duì)比圖(a)、(d)、(g)可知，樣品1與樣品2 的涂層稀釋率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于樣品3，通過放大圖(b)、(e)、(g)可以發(fā)現(xiàn)，樣品1、樣品2中涂層與基體的冶金結(jié)合線不如樣品3 明顯，說明樣品1、樣品2的冶金結(jié)合較好，且晶粒細(xì)化程度高。這是由于在高速激光熔覆過程中，基體表面產(chǎn)生與光束直徑相當(dāng)?shù)奈⑷鄢?，粉末束流在激光輻射下以熔滴或熔融態(tài)進(jìn)入熔池，并快速凝固，形成熔覆涂層。粉末注入熔池后，在熔池流場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)，由于高速激光熔覆冷卻速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)熔覆，激光離開后熔池快速冷卻凝固，形成與普通激光熔覆不同的晶粒取向。與此同時(shí)，粉末、基體、熔池交互耦合產(chǎn)生了極低的稀釋率，提高了涂層表面質(zhì)量，確保了涂層優(yōu)異的性能。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

由試驗(yàn)結(jié)果分析得知，普通激光熔覆涂層在硬度、摩擦耐磨性上有優(yōu)勢(shì)。高速激光熔覆在粗糙度測(cè)試、鹽霧試驗(yàn)、晶相結(jié)構(gòu)等方面性能要優(yōu)于普通激光熔覆。在同樣使用高速激光熔覆的試驗(yàn)組，熔覆層越厚，產(chǎn)品的耐磨性、耐腐蝕性越好，同時(shí)熔覆效率、熔覆成本變高。高速激光熔覆在生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，且在硬度、耐磨性方面能夠滿足使用要求，因此高速激光熔覆更適合用于液壓支架立柱千斤頂?shù)谋砻嫣幚?。在厚度選擇方面，由于井下腐蝕性介質(zhì)種類多，腐蝕性強(qiáng)，建議使用單邊0.5 mm的熔覆厚度，以此來保證產(chǎn)品性能。

5 結(jié) 語

通過普通激光熔覆與高速激光熔覆在硬度、摩擦耐磨性、粗糙度、鹽霧試驗(yàn)、晶相結(jié)構(gòu)等方面性能的對(duì)比，從生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本等方面看，高速激光熔覆工藝最適合液壓支架千斤立柱表面的熔覆處理。