激光熔覆技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀**

劉云偉 ，譚澤飛 ，陳文剛 ，戴一帆

（西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224）

0 概述

氣閥鋼用于制造汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣閥，氣門(mén)的質(zhì)量將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命、油耗、扭矩等重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)的工作條件惡劣，通常都在高溫高壓、高沖刷和高磨蝕環(huán)境下工作，因此也要求氣閥鋼具有較高的性能，基本上要求熱強(qiáng)度高、熱硬性好、疲勞強(qiáng)度高、耐磨性和抗腐蝕性好[1]。氣門(mén)盤(pán)頭與閥座之間存在著很大的沖擊磨損，因此氣門(mén)必須用高溫強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好和高溫沖擊韌性好的材料制作[2]。采用新的設(shè)計(jì)和材料可以提高氣門(mén)的綜合性能，但是氣門(mén)盤(pán)頭錐面、氣門(mén)桿及氣門(mén)端面都有不同的力學(xué)性能要求，采用單一的材料很難全面滿足[3]，在這些關(guān)鍵部位進(jìn)行單獨(dú)的表面設(shè)計(jì)強(qiáng)化是最佳工藝方案。

激光熔覆技術(shù)是一種先進(jìn)的表面改性技術(shù)，是以高能激光束為熱源，對(duì)材料表面進(jìn)行輻照掃描將熔覆材料與基底材料熔凝在一起，在基底表面形成與熔覆材料的熔覆層，由于較高的冷卻速度，涂層組織會(huì)發(fā)生晶粒細(xì)化，從而增強(qiáng)基底材料的耐磨性、抗氧化性、耐腐蝕性等[4-5]。本文綜述了激光熔覆技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、激光熔覆涂層的優(yōu)異性能、激光熔覆結(jié)果的影響因素，以及激光熔覆技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)上的應(yīng)用及相關(guān)研究，論述了激光熔覆技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并對(duì)該技術(shù)在氣門(mén)上的應(yīng)用提出了幾點(diǎn)展望。

1 激光熔覆的特點(diǎn)

當(dāng)前，在零件表面進(jìn)行耐蝕、耐磨涂層的制備主要是通過(guò)電鍍鉻、熱噴涂、鹽浴、氣相沉積或堆焊等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。電鍍、熱噴涂制備的涂層存在孔隙（孔隙率1%~2%），且結(jié)合強(qiáng)度低[6]，此外，電鍍廢水中含有害物質(zhì)，嚴(yán)重污染環(huán)境，因此發(fā)展新的技術(shù)非常有必要。

相較于其他對(duì)金屬材料進(jìn)行表面改性的技術(shù)，激光熔覆技術(shù)有以下3個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[5,7]：1）激光能量密度高、基體材料受熱更少、工件因受熱產(chǎn)生的形變量小、涂層晶粒細(xì)小、組織細(xì)密，達(dá)到不改變工件質(zhì)量就能強(qiáng)化和修復(fù)其表面的目的；2）激光加熱速度快、冷卻速度快（102 K/s~106 K/s）、熔池冷卻時(shí)間更短，對(duì)基體的熱影響更小，涂層稀釋率低，涂層與基體呈冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高；3）熔覆層材料選擇面更廣，可以根據(jù)工件的材料和所要求的性能需求選擇滿足要求的熔覆材料，熔覆過(guò)程易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，且無(wú)污染。因此，激光熔覆技術(shù)擁有廣闊的應(yīng)用前景，目前已在礦山機(jī)械、模具、鐵路等工業(yè)生產(chǎn)中有成熟的應(yīng)用場(chǎng)景。

2 激光熔覆的影響因素

2.1 工藝參數(shù)對(duì)涂層性能的影響

激光熔覆過(guò)程中涉及眾多工藝參數(shù)，包括激光功率、掃描速度、光斑直徑、送粉速率、氣體流量、搭接率等[7]，這些工藝參數(shù)對(duì)熔覆層的厚度、裂紋、氣孔率、硬度以及熔覆零件的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

梁萬(wàn)旭等[8]設(shè)計(jì)全因子實(shí)驗(yàn)，探究激光功率、掃描速度、搭接率、熔覆頭到基體的距離等因素相互耦合作用下對(duì)多道激光熔覆涂層形貌的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明：掃描速度對(duì)熔覆層平均高度的影響最為顯著，激光功率對(duì)基體平均熔深的影響最為顯著，熔覆頭到基體的距離對(duì)平均稀釋率的影響最為顯著，掃描速度對(duì)表面平均高度差的影響最為顯著。

激光熔覆成形機(jī)理非常復(fù)雜，影響因素眾多并且各項(xiàng)因素之間存在交互作用，工藝控制不當(dāng)將直接影響熔覆質(zhì)量。舒林森等[9]進(jìn)行了基于均勻設(shè)計(jì)的鐵基合金粉末激光熔覆工藝參數(shù)優(yōu)化方法研究，采用“光內(nèi)送粉”在基材上制備了鐵基合金熔覆層，結(jié)果表明：當(dāng)激光功率增加，掃描速度減小，單位時(shí)間內(nèi)輻射到熔覆粉末及基材上的激光能量增加，基材的截面融化面積變大，稀釋率增加?？茉艿萚10]研究了不同送粉速度對(duì)TC4鈦合金表面激光熔覆的影響，采用同軸送粉及不同送粉速度進(jìn)行熔覆實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：送粉速度的大小對(duì)熔池大小、熔覆層深度、涂層硬度的影響較大。

2.2 激光熔覆復(fù)合工藝對(duì)涂層性能的影響

激光熔覆過(guò)程中金屬的快速凝固，導(dǎo)致在極大的溫度梯度和冷卻速度下熔覆層易產(chǎn)生氣孔和微裂紋，嚴(yán)重制約高質(zhì)量激光熔覆層的制備，為解決激光熔覆層易產(chǎn)生缺陷的問(wèn)題，研究人員嘗試引入外加能量場(chǎng)來(lái)改善熔覆層的質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合工藝可有效減少氣孔裂紋、細(xì)化晶粒、降低殘余應(yīng)力等，在激光熔覆時(shí)與其他輔助技術(shù)相結(jié)合能有效改善熔覆層的缺陷，常用的激光熔覆輔助工藝有激光重熔、前預(yù)熱、電磁攪拌、超聲振動(dòng)、機(jī)械攪拌、脈沖電流等。

王梁等[11]對(duì)激光熔覆過(guò)程進(jìn)行了多物理場(chǎng)仿真，分析了電磁復(fù)合場(chǎng)參數(shù)對(duì)熔池內(nèi)部流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和顆粒分布的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電磁復(fù)合場(chǎng)的施加可抑制熔池流速，但對(duì)其溫度場(chǎng)的分布無(wú)明顯影響；當(dāng)施加與重力同向的定向洛倫茲力時(shí)，大部分增強(qiáng)顆粒集中在熔注層上層區(qū)域；反之，大部分增強(qiáng)顆粒集中在下層區(qū)域。張勛等[12]研究了外加縱向磁場(chǎng)對(duì)奧氏體不銹鋼激光-稀有氣體保護(hù)復(fù)合焊接接頭成形特點(diǎn)、微觀組織及顯微硬度分布的影響，結(jié)果表明：在外加縱向磁場(chǎng)的作用下，熔池發(fā)生旋轉(zhuǎn)，接頭的熱循環(huán)被改變，焊接接頭的熔寬增大，截面寬而深，接頭處的晶粒被細(xì)化，結(jié)晶均勻性得到提高，成形系數(shù)增大。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鎳基、鈦基、鐵基等多種金屬材料開(kāi)展了超聲波輔助激光熔覆理論的研究與試驗(yàn)，揭示了不同功率及頻率下的超聲振動(dòng)對(duì)晶粒形態(tài)與尺寸、枝晶生長(zhǎng)方向、析出相等微觀組織方面的作用效果。超聲波的聲流效應(yīng)是環(huán)流、層流和紊流的綜合現(xiàn)象，可引起熔池上下翻動(dòng)，減少涂層偏析，起到均化熔覆層成分的作用。王維等[13]在BT20鈦合金基體上添加頻率為19.56 kHz的超聲振動(dòng)進(jìn)行激光熔覆實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：超聲振動(dòng)使得熔覆層的表面平整性良好，內(nèi)部組織氣孔率下降到0.75%，熔覆層晶粒尺寸減小了約42%，α片層厚度減小了23.9%，沉積生長(zhǎng)方向的堆垛效率降低了36.7%。Zhang等[14]采用超聲振動(dòng)輔助激光熔覆工藝制備了陶瓷顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合涂層，超聲振動(dòng)在激光熔覆過(guò)程中降低了涂層的表面粗糙度，改善了激光熔池內(nèi)的傳熱，細(xì)化了熔池內(nèi)的顯微組織，陶瓷數(shù)量增加、分布均勻，但略微升高了涂層的稀釋度。

2.3 激光熔覆材料對(duì)涂層性能的影響

目前用于熔覆的材料主要有復(fù)合粉末、陶瓷粉末和自熔性合金粉末。

自熔性粉末主要包括鐵基、鈷基、鎳基三個(gè)體系，其中鐵基涂層抗磨性好、成本低，但涂層易產(chǎn)生裂紋缺陷，自熔性、抗氧化性差；鈷基涂層耐磨耐蝕性好，但是價(jià)格昂貴；鎳基涂層抗高溫氧化性和耐磨耐蝕性好，價(jià)格適宜，綜合優(yōu)勢(shì)明顯，應(yīng)用前景廣闊。

復(fù)合粉末是指金屬材料與陶瓷材料混合或復(fù)合而成的合金粉末，它將金屬和陶瓷的性能結(jié)合起來(lái)，通過(guò)添加增強(qiáng)硬質(zhì)顆粒制成金屬陶瓷復(fù)合粉末、金屬基體間化合物、稀土元素或稀土氧化物，可以得到高硬度、優(yōu)良耐磨耐蝕性的復(fù)合涂層。陶瓷材料不僅具有硬度高、耐磨性好等特性，而且具有耐腐蝕性好、抗高溫氧化等不銹鋼的優(yōu)良特征[15]，所以是制備耐磨、抗高溫涂層的理想材料，利用激光熔覆技術(shù)制備的陶瓷相增強(qiáng)金屬基復(fù)合涂層既具有金屬材料的高延展性、高強(qiáng)度，又保留了陶瓷材料的高熔點(diǎn)、高耐磨性等優(yōu)異性能[16]。

陶瓷粉末與基體金屬的彈性模量、熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)等差別較大，在激光熔覆成形過(guò)程中容易產(chǎn)生缺陷，如裂紋、氣孔等。

3 在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門(mén)及座圈表面進(jìn)行激光熔覆

發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)通常在高溫、高壓、高沖刷和高磨蝕的條件下工作，進(jìn)氣門(mén)的工作溫度為300 ℃~500 ℃，排氣門(mén)的溫度可達(dá)600 ℃~800 ℃甚至更高。

潘鄰等[17]在進(jìn)行了等離子噴焊Stellite 6的報(bào)廢內(nèi)燃機(jī)車(chē)氣門(mén)密封面上進(jìn)行激光熔覆，熔覆材料為其自主研發(fā)的鈷基合金，熔覆層厚度為每層約0.8 mm。結(jié)果表明：等離子噴焊層及激光熔覆層晶體形態(tài)都呈現(xiàn)柱狀，其中熔覆層的組織較于噴焊層更細(xì)，晶體生長(zhǎng)的方向性更好，斷口裂紋沿晶界擴(kuò)展，呈現(xiàn)晶間斷裂特征，晶粒更細(xì)小，但激光熔覆層與等離子噴焊層的交界面不明顯，說(shuō)明激光熔覆的焊合性較好，二者的結(jié)合界面不會(huì)成為實(shí)際使用過(guò)程中的薄弱點(diǎn)，證明采用激光熔覆技術(shù)對(duì)等離子噴焊氣門(mén)進(jìn)行修復(fù)是可行的。

戴華等[18]利用激光熔覆Co基合金改性失效的排氣門(mén)密封面，設(shè)計(jì)了送粉速率差較大的兩組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在熔覆過(guò)程中，送粉量的大小會(huì)影響熔覆層晶粒的成長(zhǎng)，在送粉量過(guò)大且激光輻照能量輸入足夠多的情況下，熔池存在的時(shí)間變長(zhǎng)，使熔覆層晶粒長(zhǎng)大，熔覆層組織比噴焊層細(xì)粒度更低，組織結(jié)構(gòu)更致密，因此激光熔覆可以作為延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)密封面使用壽命的有效方法。

劉蓉等[19]對(duì)比了激光熔覆與等離子噴焊在氣門(mén)密封面上的應(yīng)用，對(duì)同爐生產(chǎn)的氣門(mén)分別進(jìn)行激光熔覆和等離子噴焊，再對(duì)二者進(jìn)行了耐腐蝕及耐磨損實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：激光熔覆涂層比等離子噴焊層組織更致密，熔覆層耐蝕性更好、耐磨性更強(qiáng)，合金稀釋率更低，成分更均勻；在實(shí)際生產(chǎn)中激光熔覆所需的時(shí)間比等離子噴焊更短，所消耗的熔覆材料更少；在臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中，激光熔覆的氣門(mén)使用壽命更長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放量更小。Kawasaki等[20]開(kāi)發(fā)了一種在鋁合金氣缸蓋上熔覆銅基合金的激光熔覆工藝，該工藝具有稀釋小、熔覆顆粒穩(wěn)定的特點(diǎn)，結(jié)果表明：激光熔覆缸蓋與傳統(tǒng)缸蓋相比，具有改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能、降低氣門(mén)及座圈溫度等優(yōu)點(diǎn)。

綜上所述，采用激光熔覆技術(shù)在報(bào)廢的氣門(mén)密封面上熔覆適宜的材料能有效地修復(fù)氣門(mén)，延長(zhǎng)氣門(mén)使用壽命，提高材料的利用率，節(jié)約能源和珍稀金屬，具有極大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，在發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)的噴焊層上進(jìn)行激光熔覆，可提高氣門(mén)的耐腐蝕性和耐磨性，延長(zhǎng)使用壽命。在氣門(mén)座上進(jìn)行激光熔覆，能改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能，降低氣門(mén)及座圈的溫度，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性有明顯的提升。相比于等離子噴焊等加工方式，激光熔覆涂層具有更優(yōu)越的耐磨性和耐腐蝕性，激光熔覆技術(shù)具有更高的加工效率和材料利用率，是一種較優(yōu)的替代加工方式。

4 結(jié)語(yǔ)

激光熔覆技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)上的應(yīng)用已經(jīng)有多年的探索，大量的工作表明激光熔覆涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高，且涂層具有較高的硬度，能有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)的耐磨耐蝕性。激光熔覆能用于修補(bǔ)表面損壞的氣門(mén)，相較于等離子噴焊、堆焊等表面改性技術(shù)擁有更高的生產(chǎn)效率，并且生產(chǎn)的產(chǎn)品具有更高的性能，在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中也驗(yàn)證了使用激光熔覆加工的氣門(mén)擁有更長(zhǎng)的使用壽命，證明激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)生產(chǎn)具有廣闊的前景，具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值[21]。激光熔覆技術(shù)是一種仍在發(fā)展中的技術(shù)，課題組對(duì)其在發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)及氣門(mén)座中的應(yīng)用有以下展望：

1）激光熔覆的設(shè)備在近年發(fā)展較為迅速，在激光功率、熔覆速度、對(duì)基體的熱影響等方面的控制取得較大進(jìn)步，尤其是熔覆速度的進(jìn)步使得大規(guī)模的生產(chǎn)成為可能，因此結(jié)合新設(shè)備開(kāi)展相關(guān)的研究極具意義。

2）在進(jìn)行熔覆材料設(shè)計(jì)時(shí)增設(shè)過(guò)渡層，以增加涂層與基體材料的濕潤(rùn)度，減少熔覆層可能出現(xiàn)的裂紋。結(jié)合仿真軟件進(jìn)行熔覆材料的探索，以減少工作量并增加經(jīng)濟(jì)效益，收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，尋找工藝參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果之間的聯(lián)系，便于找到更合適的熔覆材料并在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。

3）積極探索將激光熔覆技術(shù)與其他改性方式相結(jié)合，發(fā)揮不同技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。