CN114990547A - 一种超高速激光熔覆对轨道车轮进行强化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光熔覆修复技术领域，具体为一种超高速激光熔覆对轨道车轮进行强化的方法，在超高速激光熔覆中，落在基体表面的是液态的熔覆材料而不是固态粉末颗粒，所以可显著提升其熔覆速度。与传统激光熔覆相比，超高速激光熔覆的热影响区为微米尺度，且冶金结合强度更高、避免了激光快速加热和冷却作用下熔覆层的开裂，同时消除了热影响区中高硬度且低韧性的马氏体组织；与硬铬电镀相比，超高速激光熔覆能制备出无气孔、裂纹等缺陷的涂层，且更加环保；与热喷涂相比，超高速激光熔覆可节约90％左右的材料。通过超高速激光熔覆对轨道车轮进行强化，可提高车轮减摩、耐磨、耐疲劳、耐腐蚀、抗氧化等性能。
Description
技术领域
本发明是一种超高速激光熔覆对轨道车轮进行强化的方法，属于超高速激光熔覆技术领域。
背景技术
超高速激光熔覆技术是通过同步送粉方式，利用高能密度的激光束使添加材料与以高速率运动的基体材料表面同时熔化，并快速凝固后形成稀释率极低，与基体呈冶金结合的熔覆层，超高速激光熔覆可以显著提高熔覆速率，极大地改善工件表面的耐蚀、耐热、耐磨、抗氧化等工艺特性的表面处理技术，相比于传统激光熔覆、硬铬电镀、堆焊和热喷涂均有着其独特优势。超高速激光熔覆不仅提高了激光的能量密度，而且相比传统激光熔覆，未熔化的粉体会被直接送入熔池，而超高速激光熔覆可以调整激光、熔池和粉体的汇聚位置，使粉体在比熔池上表面更高的位置汇聚，使汇聚的粉体受激光辐照熔化后再进入熔池。
车轮是列车运行的的重要部件之一，随着轨道交通车辆向着高速和重载的方向发展，列车车轮的磨损与损伤问题日益突出。严重的磨损和滚动接触疲劳会降低列车车轮的服役寿命，同时也会给列车运行的可靠性和安全性带来不利的影响。轨道交通车辆的车轮均有耐蚀、耐热、耐磨、抗氧化等工艺特性要求，是表面处理行业中的一个主要应用领域。但是在超高速激光熔覆加工过程中不可避免的出现熔覆层存在裂纹、气孔等制造缺陷，同时涂层表面可能出现半熔化和未熔化颗粒附着等问题，使得表面过于粗糙，须增加后续二次加工才能达到标准，严重增加了生产成本，甚至无法达到预期效果，现在急需一种超高速激光熔覆对轨道车轮进行强化的方法来解决上述出现的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种超高速激光熔覆对轨道车轮进行强化的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种超高速激光熔覆对轨道车轮进行强化的方法，该工艺的步骤包括：
(1)用砂纸和抛光布将待熔覆的轨道车轮样品表面打磨光滑，而后浸泡在酒精内超声振动清洗；
(2)将所需的超高速激光熔覆合金粉末装入送粉器；
(3)将样品安装在超高速激光熔覆加工机床上，并用卡盘夹紧；
(4)设置超高速激光熔覆加工参数，打开送粉器，开启超高速激光熔覆加工系统，开始完成第一层涂层的熔覆；
(5)完成第一层涂层的熔覆后，激光熔覆头回到原点，将超高速激光熔覆的加工头抬高2mm，依次将步骤(4)中的超高速激光熔覆的激光功率降低10％，扫描速度下调30％，其他超高速激光熔覆的工艺参数不变；开启超高速激光熔覆加工系统，对步骤(4)中已加工的第一层涂层进行激光二次扫描熔化和再结晶；
(6)测量经过步骤(4)和(5)加工后的涂层厚度，将超高速激光熔覆的加工头抬高相同高度后进行第三层的激光熔覆和激光三次扫描熔化和再结晶，激光熔覆加工和激光三次扫描熔化和再结晶的激光工艺参数与步骤(5)、(6)相同，如此重复加工，直至加工达到所需厚度的涂层。
进一步地，在步骤(1)中，所述工件样品表面为平面、柱状或盘状，根据工件具体形状和尺寸利用卡盘夹持。
进一步地，在步骤(2)中，所述超高速激光熔覆用合金粉末采用惰性气体雾化方法制备，粉末粒度在20μm和53μm之间，球形度在90％以上，含氧量不高于150ppm，流动性不高于20s/50g，空心粉率低于1％；材料为Fe基合金、Ni基合金或Co基合金材料。
进一步地，在步骤(4)中，所述送粉量为20-45g/min，熔覆层厚度为100-400μm。
进一步地，在步骤(4)中，所述激光输出功率为1-6kW，表面恒定激光扫描线速度为30-180m/min，激光熔覆头沿工件轴向每转进给距离0.2-1mm。
本发明的有益效果：本发明的一种超高速激光熔覆对轨道车轮进行强化的方法，与传统的激光熔覆技术相比，超高速激光熔覆工艺在原理上有显著不同，其高能束少部分能量作用在基体材料上形成较浅的熔池，而大部分能量作用在了粉末材料上，使粉末在进入熔池之前温度升至熔点并熔化，以液滴的形式滴入熔池与基体材料结合，再依靠基体自身冷却凝固。基于这一原理，超高速激光熔覆大大缩短了粉末熔化时间，从而使熔覆效率成倍提高，一般可达到传统激光熔覆的10倍以上。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明的超高速率激光熔覆工艺的步骤示意图；
图2是传统激光熔覆工艺原理示意图；
图3是超高速激光熔覆工艺原理示意图；
图4是超高速激光熔覆高铁列车车轮示意图；
图5为本发明提供的方法制备的铁基涂层的示意图，a为步骤(5)得到的二次熔化和再结晶层，b为步骤(4)得到的超高速激光熔覆涂层，c为基体金属工件；
图中：1-激光束、2-粉末流、3-熔池、4-熔覆层、5-熔合区、6-热影响区、7-基体、8-列车车轮。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
请参阅图1-图5，一种超高速激光熔覆对轨道车轮进行强化的方法，以一种列车车轮表面制备超高速激光熔覆铁基合金熔覆层以对车轮进行强化为例。
(1)在抛光机上利用砂纸和抛光布将待加工的列车车轮样品表面打磨、抛光、并用酒精清洗烘干备用；
(2)将所需的合金粉末装入送粉器。铁基合金粉末的主要元素和质量比为：0.8％-1.2％C，1.0％-2.0％Si，3.8％-4.2％B，16％-18％Cr，9％-12％Ni，余量为Fe；镍基合金粉末的主要元素和质量比为：21.55％Cr，3.75％Nb，0.02％C，8.89％Mo，0.036％Ti，0.023％Al，0.29％Fe，0.096％Si，0.03％Mn，
0.001％S,0.03％Co，0.014％O,余量为Ni；钴基合金粉末的主要元素和质量比为：0.9％-1.2％C，4.0％-4.8％W，3.0％Ni，3.0％Fe，27.5％-29.5％Cr，0.9％-1.3％Si，余量为Co。
(3)将待加工的列车车轮安装在超高速激光熔覆的加工机床上面，利用卡盘和顶针夹紧；
(4)调节超高速激光熔覆的加工头，使激光焦点位置位于工件正上方2.4mm处，调节送粉喷嘴使粉末焦点与激光焦点重合；
(5)设置加工参数，超高速激光熔覆的激光光斑直径为0.8mm，激光功率为3kW，扫描速度为35m/min，搭接率为75％，氩气保护气流为12L/min，打开送粉器，设置送粉速度为45g/min，开启超高速激光熔覆加工系统，沿着金属工件的轴向方向完成200mm长度的第一层涂层的熔覆。
(6)将超高速激光熔覆的加工头抬高2mm，保持其他激光熔覆工艺参数不变，将超高速激光熔覆的激光功率下调至2.6kW，扫描速度降低至22m/min，不打开送粉器并调整加工程序中X轴的移动距离为-200mm，开启超高速激光熔覆加工系统，对步骤(4)中已加工的第一层涂层进行激光二次扫描熔化和再结晶。
与未采用二次激光扫描熔化和再结晶过程得到的熔覆层横截面显微图相比较，层间气孔和未熔颗粒明显改善，表面也不存在未熔颗粒附着现象，显著提高表面的平整度，减少二次加工的工作量。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (5)
1.一种超高速激光熔覆对轨道车轮进行强化的方法，其特征在于，该工艺的步骤包括：
(1)用砂纸和抛光布将待熔覆的轨道车轮样品表面打磨光滑，而后浸泡在酒精内超声振动清洗；
(2)将所需的超高速激光熔覆合金粉末装入送粉器；
(3)将样品安装在超高速激光熔覆加工机床上，并用卡盘夹紧；
(4)设置超高速激光熔覆加工参数，打开送粉器，开启超高速激光熔覆加工系统，开始完成第一层涂层的熔覆；
(5)完成第一层涂层的熔覆后，激光熔覆头回到原点，将超高速激光熔覆的加工头抬高2mm，依次将步骤(4)中的超高速激光熔覆的激光功率降低10％，扫描速度下调30％，其他超高速激光熔覆的工艺参数不变；开启超高速激光熔覆加工系统，对步骤(4)中已加工的第一层涂层进行激光二次扫描熔化和再结晶；
(6)测量经过步骤(4)和(5)加工后的涂层厚度，将超高速激光熔覆的加工头抬高相同高度后进行第三层的激光熔覆和激光三次扫描熔化和再结晶，激光熔覆加工和激光三次扫描熔化和再结晶的激光工艺参数与步骤(5)、(6)相同，如此重复加工，直至加工达到所需厚度的涂层。
2.根据权利要求1所述的超高速激光熔覆工艺，其特征在于，步骤(1)中，所述工件样品表面为平面、柱状或盘状，根据工件具体形状和尺寸利用卡盘夹持。
3.根据权利要求1所述的超高速激光熔覆工艺，其特征在于，步骤(2)中，所述超高速激光熔覆用合金粉末采用惰性气体雾化方法制备，粉末粒度在20μm和53μm之间，球形度在90％以上，含氧量不高于150ppm，流动性不高于20s/50g，空心粉率低于1％；材料为Fe基合金、Ni基合金或Co基合金材料。
4.根据权利要求1所述的超高速激光熔覆工艺，其特征在于，步骤(4)中，所述送粉量为20-45g/min，熔覆层厚度为100-400μm。
5.根据权利要求1所述的超高速激光熔覆工艺，其特征在于，步骤(4)中，所述激光输出功率为1-6kW，表面恒定激光扫描线速度为30-180m/min，激光熔覆头沿工件轴向每转进给距离0.2-1mm。
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