CN109136518B - 一种海工平台重载齿轮表面激光合金化方法 - Google Patents

一种海工平台重载齿轮表面激光合金化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种海工平台重载齿轮表面合金化方法包括齿轮表面激光微织构，配制镍基耐磨合金粉末，液氮深冷扩孔并在扩孔后的微织构区域铺镍基耐磨合金粉末，微织构区域进行激光合金化、激光淬火，微织构区域硬度、耐磨性及摩擦系数检测及优化过程；通过上述一系列的过程，在齿轮件表面先进行微织构，再激光合金化，激光合金化过程中由于添加有耐磨元素，且耐磨元素分布均匀，能够有效增强了齿轮件的表面及不同深度的硬度及耐磨性，通过在齿轮表面进行激光微织构及激光合金化，有效提高了齿轮件啮合区域的抗磨损性能，延长齿轮件的使用寿命。

Description

一种海工平台重载齿轮表面激光合金化方法
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种海工平台重载齿轮表面激光合金化方法。
背景技术
激光表面微织构工艺目前被证明可以有效改善材料表面摩擦磨损性能和承载能力的一种手段。近年来，通过在摩擦副上加工出一系列的阵列微图形在表面改性技术中得到了越来越多的重视。并且，激光微织构造型的基体表面的微凹坑陡峭，铺粉后在界面引入键合强化机制，界面结合强度显著提高。
激光合金化（Laser Surface Alloying，LSA）是金属材料表面局部改性处理的一种新方法，激光合金化工艺属于材料表面改性处理的范畴。它是指在高能密度激光束照射下，使基体材料表面的一薄层与根据需要加入的合金元素同时快速熔化、混合，形成以原基材为基的新的表面合金层。
齿轮是通过齿轮的啮合来传递扭矩的轮状机械零件。齿轮依靠于其他齿状机械零件传动，可实现改变转速和扭矩、改变运动形式和运动方向等功能。现有方法制造出的齿轮失效的主要形式是齿面的磨损失效、点蚀、胶合，主要是由于齿轮表面基体磨损，轮齿厚度减小，最终导致失效，寿命终止。很多海工平台重载大型齿轮失效后若更换新的，成本太高。
由于针对的使用工况和工作性能要求不同，目前齿轮抗磨损技术各有优点，但也存在一定的局限性。2006年公开的专利申请号为CN200510119126.1，专利名称为:一种仿生非光滑耐磨齿轮，提出了将齿轮轮齿的啮合摩擦面加工制作成仿生物形态的非光滑表面，即在其轮齿表面上分布着椭球凹坑状、沟槽状或网格状非光滑单元体，单元体与齿轮基体表面呈25μm高度差，分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比S=15～30%，非光滑单元体与基体材料之间的硬度差在20～40HRC，这些非光滑单元体可极大改善齿轮啮合传动时的润滑状态，从而提高齿轮的耐磨性能。2008年公开的专利申请号为200810124318.5，专利名称为：凸轮表面形貌的激光微造型方法，提出了一种在凸轮表面激光加工微凹腔/槽的方法，首先确定凸轮表面微观几何形貌设计方案；再通过控制激光加工工艺参数，即功率密度105～107W/cm、脉冲宽度25ns～200ns、重复频率5～15KHz、扫描速度0r/min～300r/min和氮气或氧气这些辅助气体，结合工件运动的空间轨迹，实施不同形貌方案的激光微造型加工，在凸轮特定的局部工作表面形成硬度高，由微凹腔和微凹槽组成的微观几何形貌；该发明不仅可以显著改善凸轮表面的润滑性能，提高凸轮耐磨性，还可以延长凸轮的寿命，提高发动机的整体性能。但以上两种方法仅在表面进行微织构处理，这两种方法所生产的齿轮的硬度或耐磨程度均不能达到海工平台重载齿轮的要求。
2012年公开的专利申请号为CN201210109126.3，专利名称为一种齿轮及凸轮表面微嵌入自润滑织构及其制备方法，该专利中采用Ｎｄ∶ＹＡＧ激光加工技术实现齿轮及凸轮表面的微织构加工，然后利用自润滑复合材料的成型粘结技术将固体润滑剂压填嵌入到齿轮及凸轮表面的微织构中；在微织构的基础上嵌入了固体润滑剂，提高了减磨效果，但该专利并未实质上增强齿轮表面的抗磨性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种海工平台重载齿轮面激光微织构合金化方法，可明显提高齿轮表面抗磨损性能和润滑性能，延长齿轮件使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种海工平台重载齿轮表面激光合金化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将齿轮件啮合表面打磨至粗糙度Ra为0.3-0.7μm，对打磨后的齿轮件啮合表面进行激光微织构，在齿轮件啮合表面形成均匀布置的若干凹坑；
S2、根据基体材料和齿轮件的使用要求配制镍基耐磨合金粉末；
S3、将齿轮件置于液氮深冷环境中，微织构的凹坑在液氮环境中冷缩放大；将配制好的合金粉铺在齿轮件的微织构区域内，并将无微织构区域的合金粉末刮除；
S4、对齿轮件啮合表面微织构区域进行激光合金化，并对齿轮件啮合表面进行激光淬火；
S5、用显微硬度计检测强化过后齿轮件表面微织构区域的硬度及该区域不同深度的硬度，用摩擦磨损试验机检测强化后材料表面微织构区域的磨损量和摩擦系数；将所获得齿轮件表面微织构区域及不同深度的硬度、磨损量及摩擦系数，与海工平台重载齿轮啮合表面及不同深度所要求的硬度、磨损量和摩擦系数进行对比；若达不到海工平台重载齿轮啮合表面及不同深度所要求的硬度、磨损量和摩擦系数，重复以上S1-S4步骤，直至齿轮件表面微织构区域及不同深度的硬度、磨损量和摩擦系数达到海工平台重载齿轮啮合表面及不同深度所要求的硬度、磨损量和摩擦系数。
上述的，所述步骤S1中激光微织构过程中，采用脉冲激光器，该脉冲激光器所发射的激光，其激光波长为532nm的绿光，激光的光斑直径为30μm，激光能量P0的范围为15-30W，激光微织构次数5-15次。
上述的，所述步骤S1中，激光微织构所形成的若干所述凹坑的直径为30μm，深度为15-30μm，凹坑的面密度为2%-8%，凹坑间距为135μm。
上述的，所述步骤S2中镍基耐磨合金粉末结合S5步骤中硬度、摩擦磨损检测结果进行配备，所述步骤S2中镍基耐磨合金粉末，由以下重量百分比的各组分组成：铬 1.6-2.1%、硼 3-4.5%、硅 3.5-5.5%、碳 0.6-1.6%、铁1-5%、碳化钨 20-40%、余量为镍。
上述的，所述步骤S4中，激光合金化处理的过程中，使用光纤激光器，该光纤激光器所发射的激光，其激光输出功率P1=1.5-2.5KW，激光扫描速度为4-8mm/s，激光的光斑直径D=2-5mm；扫描过程中，使用氩气保护熔池，氩气流量为12-16L/min。
上述的，所述步骤S4中，激光淬火的过程，包括以下步骤:将激光束通过扫描振镜后辐照到齿轮件表面，激光束对每个加工单元进行间歇式重复辐照，使齿轮件表面的激光淬火区域高于工件材料的奥氏体化温度，且始终低于其齿轮件材料的熔点，并利用激光多次重复加热的累积热效应形成激光淬火层，并达到所需硬化层深度；其中，所述加工单元是指在不移动振镜位置和工件位置的情况下，将激光束通过扫描振镜后辐照到齿轮件表面并一次连续作用于齿轮件表面的区域。
上述的，所述步骤S2中液氮深冷环境的温度为-196℃。
上述的，所述微织构区域的外侧边缘超出齿轮啮合区域的边缘，所述微织构区域的面积大于齿轮啮合区域的面积。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
（1）本发明的一种海工平台重载齿轮表面合金化方法包括齿轮表面激光微织构，配制镍基耐磨合金粉末，液氮深冷扩孔并在扩孔后的微织构区域铺镍基耐磨合金粉末，微织构区域进行激光合金化，微织构区域的硬度、磨损量及摩擦系数检测及优化过程；通过上述一系列的过程，在齿轮件表面先进行微织构，再激光合金化，激光合金化过程中由于添加有耐磨元素，且耐磨元素分布均匀，能够有效增强了齿轮件的表面及不同深度的硬度及耐磨性，同时齿轮表面留有微坑，微坑内能够存储润滑剂；通过在齿轮表面进行激光微织构及激光合金化，有效提高了齿轮件啮合区域的抗磨损性能，延长齿轮件的使用寿命。
（2）本发明中在激光合金化处理过程中，利用先微织构的方式使合金化扩散层深达到常规合金化方式（直接进行表面铺粉及激光合金化的方式）的若干倍；由分布面密度使合金化耐磨元素含量提升，分布更加均匀，同时还提升了材料的耐磨性能，其磨损量是常规微织构的若干分之一。
附图说明
图1为本发明的一种海工平台重载齿轮表面合金化方法的工作流程图；
图2为本发明的一种海工平台重载齿轮表面合金化方法中激光微织构后齿轮件的啮合面上的激光微织构的图案；
图3为本发明的一种海工平台重载齿轮表面合金化方法中激光微织构及激光合金化后齿轮表面硬度与未处理的齿轮表面硬度的对比图；
图4为本发明的一种海工平台重载齿轮表面合金化方法中激光微织构及激光合金化后齿轮表面磨损量、常规激光微织构表面磨损量与未处理的齿轮表面磨损量的对比图；
图5为本发明的一种海工平台重载齿轮表面合金化方法中激光微织构及激光合金化后齿轮表面摩擦系数与未处理的齿轮表面摩擦系数的对比图；
图6为本发明的一种海工平台重载齿轮表面合金化方法中激光微织构、激光合金化及激光淬火后对材料不同深度显微硬度的影响示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作为广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，一种海工平台重载齿轮表面激光合金化方法，包括以下步骤：在本实施例中，齿轮件所采用的材料为42CrMo材料。
S1、将齿轮件啮合表面打磨至粗糙度Ra为0.3-0.7μm，对打磨后的齿轮件啮合表面进行激光微织构，在齿轮件啮合表面形成均匀布置的若干凹坑；其中，激光微织构过程中，采用脉冲激光器，该脉冲激光器所发射的激光，其激光波长为532nm的绿光，激光的光斑直径为30μm，激光能量P0的范围为15-30W，激光微织构次数5-15次。其中，激光微织构所形成的若干所述凹坑的直径为30μm，深度为15-30μm，凹坑的面密度为2%-8%，凹坑间距为135μm。在齿轮件啮合区域进行飞秒激光微织构，优选的，该步骤中，所采用的脉冲激光器为Nd:YAG激光器；可加工得到具有排列规律的若干凹坑，通过齿轮表界面形成的微织构，有利于将镍基耐磨合金粉末存储在微织构内，同时，改善齿轮润滑条件、抗磨损性能，并且激光微织构造型的基体表面的凹坑陡峭，在齿轮表界面形成键合强化机制，提高界面结合强度。其中，所述微织构区域的外侧边缘超出齿轮啮合区域的边缘，所述微织构区域的面积大于齿轮啮合区域的面积；齿轮件的表面除微织构区域外的其余部分均为无微织构区域。本实施例中，对42CrMo材料制成的齿轮件，以能量为22.5W的激光，凹坑直径为30μm，面密度为4%，深度为8μm，凹坑间距为135μm，加载次数为6次进行微织构的制备，激光微织构处理后，显微镜下的微织构全貌，如图2所示。
S2、根据基体材料和齿轮件的使用要求配制镍基耐磨合金粉末，该镍基耐磨合金粉末结合S5步骤中硬度、摩擦磨损检测结果进行配备。
S3、将齿轮件置于液氮深冷环境中，微织构的凹坑在液氮环境中冷缩放大；其中，液氮深冷环境的温度为-196℃，可行的，可选用液氮深冷低温箱。在液氮深冷环境中，由于热胀冷缩原理，可增大凹坑直径。将步骤S2配制好的合金粉铺在齿轮件的微织构区域内，并将无微织构区域的合金粉末刮除；其中，所述镍基耐磨合金粉末，由以下重量百分比的各组分组成：铬 1.6-2.1%、硼 3-4.5%、硅 3.5-5.5%、碳 0.6-1.6%、铁1-5%、碳化钨 20-40%、余量为镍；在制备过程中，各组分混合搅拌均匀形成镍基耐磨合金粉末。
S4、对齿轮件啮合表面微织构区域内进行激光合金化，并对齿轮件啮合表面进行激光淬火。本步骤中，激光合金化处理过程中利用先微织构的方式使合金化扩散层深达到常规合金化方式的2倍；由分布面密度使合金化耐磨元素含量提升，分布更加均匀，同时还提升了材料的耐磨性能，其磨损量是常规微织构的二分之一。由于在经过液氮深冷环境扩大凹坑后，激光合金化的深度深，提升耐磨元素含量，分布更加均匀，提高耐磨损性能，同时产生的凹坑，可存储在齿轮运转过程中所需的润滑剂。无微织构表面实现激光淬火，提高表面硬度和抗磨损性能。
其中，激光合金化处理的过程中，使用光纤激光器，该光纤激光器所发射的激光，其激光输出功率P1=1.5-2.5KW，激光扫描速度为4-8mm/s，激光的光斑直径D=2-5mm；扫描过程中，使用氩气保护熔池，氩气流量为12-16L/min。其中，激光合金化处理过程中利用先微织构的方式使合金化扩散层深达到常规合金化方式的2倍；由分布面密度使合金化耐磨元素含量提升，分布更加均匀，同时还提升了材料的耐磨性能，其磨损量是常规微织构的二分之一；激光淬火的过程，包括以下步骤:将激光束通过扫描振镜后辐照到齿轮件表面，激光束对每个加工单元进行间歇式重复辐照，使齿轮件表面的激光淬火区域高于工件材料的奥氏体化温度，且始终低于其齿轮件材料的熔点，并利用激光多次重复加热的累积热效应形成激光淬火层，并达到所需硬化层深度；其中，所述加工单元是指在不移动振镜位置和工件位置的情况下，将激光束通过扫描振镜后辐照到齿轮件表面并一次连续作用于齿轮件表面的区域。该步骤通过该合金化、淬火增加了合金化层、硬化层深度。
S5、用显微硬度计检测强化过后齿轮件表面微织构区域的硬度及该区域不同深度的硬度，用摩擦磨损试验机检测强化后材料表面微织构区域的磨损量和摩擦系数；将所获得齿轮件表面微织构区域及不同深度的硬度、磨损量及摩擦系数，与海工平台重载齿轮啮合表面及不同深度所要求的硬度、磨损量和摩擦系数进行对比；若达不到海工平台重载齿轮啮合表面及不同深度所要求的硬度、磨损量和摩擦系数，重复以上S1-S4步骤，直至齿轮件表面微织构区域及不同深度的硬度、磨损量和摩擦系数达到海工平台重载齿轮啮合表面及不同深度所要求的硬度、磨损量和摩擦系数。在本实施例中，对齿轮件表面进行激光微织构及激光合金化后齿轮件表面硬度与齿轮件基体未处理时硬度的对比，如图3所示；对齿轮件表面进行激光微织构及激光合金化后齿轮件表面的摩擦系数与齿轮件基体未处理时摩擦系数的对比，如图5所示。其中，由于在本发明过程中采用微织构后进行合金化的过程，使得合金化扩散层深达到常规合金化方式的若干倍，因此在对齿轮件的不同深度进行硬度测试时，激光微织构、激光合金化及激光淬火后对材料不同深度显微硬度的影响示意图，如图6所示；由分布面密度使合金化耐磨元素含量提升，分布更加均匀，同时还提升了材料的耐磨性能，其磨损量是常规微织构的若干分之一，对齿轮件表面进行激光微织构及激光合金化后齿轮表面磨损量、常规激光微织构表面磨损量与未处理的齿轮表面磨损量的对比，如图4所示。
本发明的一种海工平台重载齿轮表面合金化方法包括齿轮表面激光微织构，配制镍基耐磨合金粉末，液氮深冷扩孔并在扩孔后的微织构区域铺镍基耐磨合金粉末，微织构区域进行激光合金化、激光淬火，微织构区域的硬度、磨损量及摩擦系数检测及优化过程；通过上述一系列的过程，在齿轮件表面先进行微织构，再激光合金化，合金化过程中添加有耐磨元素，能够有效增强了齿轮件的硬度及耐磨性，同时齿轮表面留有微坑，微坑内能够存储润滑剂；通过在齿轮表面进行激光微织构及激光合金化，有效提高了齿轮件啮合区域的抗磨损性能，延长齿轮件的使用寿命。
在说明书附图3中；Hardness为硬度。
在说明书附图4中Untreated是无任何处理的基样，Textured是经激光微织构后的齿轮件；Textured+LSA为经激光微织构及激光合金化后的齿轮件；WEAR为磨损量。
在说明书附图5中，untreated是无任何处理的基样，treated是经所有处理后的齿轮件；Friction Coefficient为摩擦系数。
在说明书附图6中，Hardness为硬度，Depth为深度。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种海工平台重载齿轮表面激光合金化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将齿轮件啮合表面打磨至粗糙度Ra为0.3-0.7μm，对打磨后的齿轮件啮合表面进行激光微织构，在齿轮件啮合表面形成均匀布置的若干凹坑；激光微织构所形成的若干所述凹坑的直径为30μm，深度为15-30μm，凹坑的面密度为2%-8%，凹坑间距为135μm；
S2、根据基体材料和齿轮件的使用要求配制镍基耐磨合金粉末；
S3、将齿轮件置于液氮深冷环境中，微织构的凹坑在液氮环境中冷缩放大；将配制好的合金粉铺在齿轮件的微织构区域内，并将无微织构区域的合金粉末刮除；
S4、对齿轮件啮合表面微织构区域进行激光合金化，并对齿轮啮合表面进行激光淬火；
S5、用显微硬度计检测强化过后齿轮件表面微织构区域的硬度及该区域不同深度的硬度，用摩擦磨损试验机检测强化后材料表面微织构区域的磨损量和摩擦系数；将所获得齿轮件表面微织构区域及不同深度的硬度、磨损量及摩擦系数，与海工平台重载齿轮啮合表面及不同深度所要求的硬度、磨损量和摩擦系数进行对比；若达不到海工平台重载齿轮啮合表面及不同深度所要求的硬度、磨损量和摩擦系数，重复以上S1-S4步骤，直至齿轮件表面微织构区域及不同深度的硬度、磨损量和摩擦系数达到海工平台重载齿轮啮合表面及不同深度所要求的硬度、磨损量和摩擦系数。
2.根据权利要求1所述的一种海工平台重载齿轮表面激光合金化方法，其特征在于，所述步骤S1中激光微织构过程中，采用脉冲激光器，该脉冲激光器所发射的激光，其激光波长为532nm的绿光，激光的光斑直径为30μm，激光能量P0的范围为15-30W，激光微织构次数5-15次。
3.根据权利要求1所述的一种海工平台重载齿轮表面激光合金化方法，其特征在于，所述步骤S2中镍基耐磨合金粉末结合S5步骤中硬度、摩擦磨损检测结果进行配备，所述步骤S2中镍基耐磨合金粉末，由以下重量百分比的各组分组成：铬 1.6-2.1%、硼 3-4.5%、硅3.5-5.5%、碳 0.6-1.6%、铁1-5%、碳化钨 20-40%、余量为镍。
4.根据权利要求1所述的一种海工平台重载齿轮表面激光合金化方法，其特征在于，所述步骤S4中，激光合金化处理的过程中，使用光纤激光器，该光纤激光器所发射的激光，其激光输出功率P1=1.5-2.5KW，激光扫描速度为4-8mm/s，激光的光斑直径D=2-5mm；扫描过程中，使用氩气保护熔池，氩气流量为12-16L/min。
5.根据权利要求1所述的一种海工平台重载齿轮表面激光合金化方法，其特征在于，所述步骤S4中，激光淬火的过程，包括以下步骤:将激光束通过扫描振镜后辐照到齿轮件表面，激光束对每个加工单元进行间歇式重复辐照，使齿轮件表面的激光淬火区域高于工件材料的奥氏体化温度，且始终低于其齿轮件材料的熔点，并利用激光多次重复加热的累积热效应形成激光淬火层，并达到所需硬化层深度；其中，所述加工单元是指在不移动振镜位置和工件位置的情况下，将激光束通过扫描振镜后辐照到齿轮件表面并一次连续作用于齿轮件表面的区域。
6.根据权利要求1所述的一种海工平台重载齿轮表面激光合金化方法，其特征在于，所述步骤S3中液氮深冷环境的温度为-196℃。
7.根据权利要求1所述的一种海工平台重载齿轮表面激光合金化方法，其特征在于，所述微织构区域的外侧边缘超出齿轮啮合区域的边缘，所述微织构区域的面积大于齿轮啮合区域的面积。
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