激光熔覆技术在港机维修中的应用

　　1　激光熔覆技术
　　1.1　激光熔覆的原理
　　激光熔覆技术是以不同的填料方式，在被熔覆基材表面上放置被选择的合金材料，利用高能激光束辐照，与基材表面一薄层同时快速融化、扩展、冷凝，从而形成稀释率极低(一般小于5%)，与基材形成合金的表面涂层，改善金属表面耐磨、耐蚀、耐高温抗氧化特性的技术工艺方法。
　　1.2　激光熔覆的特点
　　激光熔覆技术与电镀、喷涂、堆焊和气相沉积等传统工艺相比较，其优点是：
　　(1)熔覆层组织均匀致密，微观缺陷少，与基材结合强度高，稀释率可控性好。
　　(2)激光能量密度高，作用时间短，冷却速度快，组织具有快速冷凝的特性，基材热影响区小，热变形量小。
　　(3)激光熔覆为无接触加工，易于实现自动化，能进行选区熔覆。
　　(4)熔覆厚度可控，单道一次可熔覆可在0.2～2.0 mm范围内。
　　(5)激光熔覆层硬度高、韧性好、工件使用寿命可提高5～8倍。
　　(6)具有节能、环保等特性。
　　1.3　可修复的基本材料和熔覆材料
　　激光熔覆技术可修复低碳钢、中碳钢及各类合金钢、不锈钢、铸铁、铜及铜合金、铝及铝合金等。
　　根据基材的不同性能要求，可选择不同成分的铁基、镍基、钴基自熔性粉末及复合粉末。激光熔覆粉末的选择是决定激光熔覆层质量性能的关键因素，铁基粉末主要有：Fe30、Fe45、Fe60等。镍基粉末主要有：Ni20、Ni25A、Ni45、Ni60等。钴基粉末主要有：Co42A、Co42B、Co42C、Co50等。粉末具有良好的灵动性、自熔性、润湿性和熔覆性。
　　1.4　激光熔覆层优异性能与显微组织的关系
　　熔覆层底部，组织为逆热流方向生长的典型的树枝晶，在熔覆层与基体表面处有一狭窄的白亮带，其组织为平面晶，呈现冶金结合特征，结合强度高，见图1。
　　图1　熔覆层底部显微组织SEM像
　　激光熔覆过程的快速凝固能够获得良好的树枝晶显微结构，组织致密，原位生成的危险颗粒增强粒子，如碳、磞或硅化物弥散分布于树枝晶内，能够起到颗粒弥散强化和细晶强化作用。同时高温度梯度下远离平衡态的快速冷却条件，是凝固组织中形成大量的过饱和固溶体，晶格产生畸变，因此熔覆层具有硬度高、耐磨性好、耐腐蚀、耐高温、抗氧化等综合性能。 2　激光熔覆技术的应用
　　现代港机驱动部分是由大功率电机、减速箱等组成，由于受设备不间断使用时间长，工作环境恶劣等因素影响，电机和减速箱长时间运行后，各个部件会出现不同程度的磨损，严重的会影响设备的正常使用。
　　减速箱传动部位局部摩擦损坏，特别是轴承和壳体接触面部位壳体内孔是容易磨损的部位，处理不当会造成整台减速箱报废。
　　2.1　激光熔覆技术在电机转子轴维修中的应用
　　电机转子轴是电机的核心部件，承载着电机组成部件间的尺寸配合与安装，转子轴在工作过程中，磨损与撞击程度通常很严重。
　　利用激光熔覆技术对转子轴轴身端及轴承室危机进行修复与再造，激光熔覆层与基体为冶金结合，同时可较好选取熔覆材料填补较大的沟痕、坑、洞等缺陷，适用于变形较大的轴类，熔覆层硬度可达HRC5以上，是传统的刷镀、喷涂、堆焊等维修工艺无法比拟的。港机设备中电机多为大功率电机，价格高昂，维修难度大，利用激光熔覆技术能对电机轴进行维修，能有效降低维护成本。
　　2.2　激光熔覆技术在减速箱轴修复中的应用
　　减速箱经过长时间高负荷运转后，其高速轴和低速轴会出现磨损，产生沟槽，与密封圈配合不良，导致漏油。通过激光熔附技术修复减速箱轴的沟槽，同时更换新油封，能较好地解决减速箱轴端漏油问题。
　　2.3　激光熔覆技术在减速箱体轴孔修复中的应用
　　利用激光熔覆技术，选用耐磨性能大大高于基材的粉末，对减速箱壳体内孔磨损表面进行修复，将受损伤部位恢复原设计尺寸后，硬度达HRC55以上，且熔覆层与基体为冶金结合，结合强度高，可大幅度提高内孔表面的抗磨损能力，使寿命为传统修复工艺的5～6倍，远远超过了原有新件的技术指标，见表1。
　　表1　激光熔覆技术与传统刷镀工艺对比
　　工艺方法环保结合方式结合强度/MPa厚度/mm激光熔覆绿色环保冶金结合600～800单层0.2～1.5刷镀产生含重金属离子的电镀废水及隔离酸雾废弃机械结合易脱落8～12≤0.5 3　结论
　　在我国港口机械应用中，钢铁基的金属材料占主导地位。同时，金属材料的失效(诸如腐蚀、磨损、疲劳等)大多发生零部件的工作表面，需要对表面进行强化。为满足工件的服役条件而采用大块的原位自生颗粒增强钢铁基复合材料制造，不仅浪费材料，而且成本高。另一方面，从仿生学的角度考察天然生物材料，其组成为外密内疏，性能为外硬内韧，且密-疏、硬-韧从外到内是梯度变化的，天然生物材料的特殊结构使其具有优良的使用性能。根据工程上材料特殊的服役条件和性能要求，迫切需要开发强韧结合、性能梯度变化的新型表层金属基复合材料。因此，利用激光熔覆方法制备与基材呈冶金结合的梯度功能原位自生颗粒增强金属基复合材料不仅是工程实践的迫切需要，也是激光表面改性技术发展的必然趋势。