船舶机械修理工艺学

1. 船舶机械修理工艺学 第6章 船机零件的修复工艺(B) 丁彰雄 武汉理工大学能源与动力工程学院2013.7

2. 第6章船机零件修复工艺(B) Repair Technology of Marine Machinery Components §6-4　堆焊工艺 （Surfacing Technology） 一、概述 1. 堆焊的概念及目的： • 堆焊：用焊接方法在机械零件表面堆敷一层具有一定性能材料的工艺过程。 • 目的：在于使零件表面获得具有耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能的熔敷金属层，或恢复零件的尺寸。 • 堆焊主要用于两个方面： 1）制造新产品：使工件表面强化，如轧辊堆2Cr13等，阀门堆焊钴基合金。 2）修复旧零件：堆焊旧轧辊的费用为新件30%~50%，使用寿命为新件3~5倍。 • 堆焊的物理本质、冶金过程和热过程的基本规律和一般焊接相同。

3. 保证堆焊质量的条件: 1）合理地选择堆焊层的合金系统，它是决定堆焊效果的主要因素。 2）尽量降低稀释率：稀释率=[B/(A+B)]×100% 图6-18　堆焊金属稀释率示意图 3）提高效益，合理选择堆焊方法。 4）注意堆焊金属与母材金属的配合：选择堆焊金属与母材金属具有相接近的热膨胀系数。

4. 2. 堆焊方法的分类 1）氧乙炔焰堆焊(丝材、粉末) 2）电弧堆焊 • 手工电弧堆焊 • 埋弧堆焊：单丝埋弧堆焊、多丝埋弧堆焊、带板埋弧堆焊 • 气体保护堆焊：熔化极气体保护堆焊 堆焊、非熔化极气体保护堆焊 • 自保护管状焊丝明弧堆焊 • 振动电弧堆焊 3）等离子弧堆焊：冷丝等离子弧堆焊、热丝等离子弧堆焊、粉末等离子弧堆焊 4）电渣堆焊 5）激光堆焊

5. 3. 几种堆焊方法特点比较 • 比较的指标：稀释率、熔敷速度、最小堆焊厚度(mm)、熔敷效率。 1）氧-乙炔焰堆焊：火焰温度较低(3050~3100℃)、稀释率(1%~10%)，堆焊层厚度可小于1mm；设备简单、使用方便、成本低。 2）手工电弧堆焊：设备简单、机动灵活、成本低；但稀释率较高，生产率较低、堆焊层不大平整。 3）埋弧堆焊：单丝埋弧堆焊的熔深大、稀释率高(30%~60%)，生产率中等，多丝埋弧和带极埋弧堆焊冲淡率较低。 4）激光堆焊：热量集中，基体温度低，稀释率低，堆焊层厚度范围变化大；设备复杂、成本高。

6. 5）气体保护和自保护明弧堆焊： • 熔化极气体保护堆焊是用CO2、Ar或混合气体作为保护气体，它有较高的熔敷率，但稀释率也较高(大约15%~25%)。 • 非熔化极惰性气体保护堆焊：保护效果好、稀释率较低，但生产率低，保护气体昂贵。 • 不加保护气体的自保护药芯焊丝的明弧堆焊设备简单、方便灵活，但堆焊时的飞溅较大。 6）振动电弧堆焊：熔深浅、热影响区小、零件的变形较小，其生产率较高、劳动条件也较好，但电弧保护作用差，堆焊区含氢量高，易产生裂纹。 7）电渣堆焊：板极电渣堆焊的熔敷率可达150Kg/h，堆焊的厚度大，但稀释率并不高，但堆焊层严重过热。 8）等离子弧堆焊：堆焊速度和熔敷率高，稀释率很低，设备贵，劳动保护需要高。

7. 几种堆焊方法特点比较:

8. 二. 堆焊材料的分类 1.按堆焊材料形状分类 堆焊材料主要有焊条、焊丝和堆焊合金粉末。 1) 焊条的分类 (1) 按药皮的不同，可分为低氢型、钛钙型和石墨型。 (2) 按主要用途不同，可分为不同硬度的常温堆焊焊条、常温高锰钢焊条、合金铸铁堆焊焊条、碳化钨堆焊焊条、钴基合金堆焊焊条等。 2) 焊丝的分类 • 有管状焊丝和硬质合金堆焊焊丝。 3) 合金粉末的分类 • 有高硬度、高耐磨的镍基、钴基、铁基合金粉末以及高铬、高硅合金铸铁粉末等。

9. 2.按堆焊合金的类型分类： 1）铁基堆焊合金：基体组织有马氏体、奥氏体、珠光体和莱氏体碳化物等。 （1）珠光体钢堆焊金属； （2）马氏体钢堆焊金属； （3）高速钢及工具钢堆焊金属； （4）奥氏体堆焊金属； （5）耐腐蚀堆焊金属； （6）合金铸铁堆焊金属。 2）镍基堆焊合金：NiCrBSi型、NiCrMoW型及NiCrWSi型等。 3）钴基堆焊材料(Stellite合金)：CoCrWC合金。 4）铜基堆焊合金：有紫铜、黄铜、青铜和白铜四大类 5）碳化钨堆焊材料： • 它由胎体材料和嵌在其中的碳化钨颗粒组成，胎体材料可以是铁基、镍基、钴基和铜基合金组成。

10. 三、堆焊合金选择的原则 1. 满足被堆焊零件的使用条件： • 使用条件：磨损、腐蚀、冲击、高温等，如：挖掘机斗齿受强烈冲击的凿削式磨料磨损，可选择高锰钢等堆焊，农用推土机铲刃和犁铧属低应力磨料磨损，可选择合金铸铁或碳化钨等堆焊。 2. 考虑堆焊零件的经济性：性能价格比 3. 考虑堆焊材料的可焊性 • 在满足使用条件和经济指标的前提下，应尽是选用可焊性好、堆焊工艺简单的堆焊材料。 • 堆焊合金材料的选择步骤： • 分析工况→确定对堆焊金属的要求。 • 初步选材：按一般指南列出几种可供选择的材料。 • 制定堆焊工艺：分析待选材料和基体材料的相容性，初步选定堆焊材料的形状，并制定初步堆焊工艺。 • 堆焊及试验考核：进行样品堆焊，堆焊后的工件要在模拟工况条件下，经受运行试验。 • 确定堆焊金属：综合考虑使用寿命和成本，最后选定堆焊金属。 • 选择堆焊方法，制定堆焊工艺：这时必须全面考虑熔敷速度、熔敷效率、稀释率和总的费用。

11. 四、堆焊方法的选择 1. 堆焊层的性能要求：取决于成分和金相组织。 2. 堆焊件的结构特点： 1）对于要求堆焊层薄、堆焊部位准确→氧乙炔焰堆焊、钨极氩弧焊。 2）对于大型的、难以运输和翻转的工件→采用手工电弧焊或半自动熔化极气体保护电弧堆焊。 3. 经济性：人工费用、堆焊材料的成本、设备和运输费用。 4. 堆焊材料的形状。堆焊材料的形状及适用的堆焊方法：

12. 五. 堆焊的工艺过程 1. 零件预处理：堆焊前，零件待修表面应清除油污、锈痕，露出金属光泽。 2. 预热：依零件材料和焊条确定预热温度。 3. 焊条的选择：依零件材料和对表面性能的要求选择焊条。 4. 堆焊工艺选择：堆焊时，采用分段多层堆焊法或逐步退焊法。分段多层堆焊法是把长焊层分成若干短焊层，然后分段一层层堆焊；逐步退焊法是把长焊道分成若干段短焊道，每段由后向前焊。以上两种方法在堆焊时零件受热均匀，可大大降低热应力和热变形。 5. 焊层后处理：零件堆焊后进行消除应力的低温退火和机械加工。

13. 六、铸铁零件的焊补 1. 铸铁零件焊补的特点 • 铸铁零件的焊补修理工艺要求高、操作难度大、零件焊补后容易产生裂纹，难于保证质量。 • 铸铁零件焊补难于保证质量的原因主要是： 1) 铸铁含碳量较高，一般为2.5%~4.0%，焊补时铸铁熔化后冷却，由于冷却速度较大易产生白口(Fe3C)，硬度高、脆性大，且白口收缩大；铸铁塑性很低，而焊补时热应力很大，铸铁中含有较多的硫、磷，不仅引起脆性，而且促进白口，这些都会造成焊补后零件产生裂纹。 2) 铸铁中的碳主要以片状石墨形式存在，焊补时石墨被高温氧化生成CO气体，使焊缝金属易产生气孔或咬边。 3) 铸铁作为摩擦零件使用时，铸铁组织中浸透油脂，一般难以除去，焊补时在焊缝中产生气体，形成气孔。 4) 铸铁零件在铸造时产生的气孔，缩松、砂眼等也容易造成焊补缺陷。

14. 2. 铸铁零件焊补的分类 • 铸铁零件采用手工电弧焊的焊补方法主要有热焊法和冷焊法。 1）热焊法： • 热焊是焊前对工件先进行高温预热，并在焊后加热、保温、缓冷。用气焊和电弧焊均可达到满意的效果。 • 焊前预热600℃以上，焊接过程中不低于500℃，焊后缓冷，工件温度均匀。 • 热焊的焊缝与基体的金相组织基本相同，焊后机加工容易，焊缝强度高，耐水压、密封性能好。特别适合于铸铁件毛坯或机加工过程中发现形状复杂的基体缺陷的修复，也适合于精度要求不太高或焊后可通过机加工修整达到精度要求的铸铁件。 2）冷焊法： • 冷焊是不对铸件预热或预热温度低于400℃的情况下进行，一般采用手工电弧焊或半自动电弧焊。 • 冷焊操作简便，劳动条件好，施焊时间较短，具有更大的应用范围。 • 一般铸铁件多采用冷焊。

15. 3．铸铁零件裂纹的冷焊修理工艺 1) 确定裂纹部位后在裂纹两端前方3~5mm处钻止裂孔，依零件壁厚度决定止裂孔直径大小； 2) 在裂纹上开坡口； 3) 预热：用氧乙炔焰对施焊部位烘烤，预热温度为200℃左右，它还能对油污不大的零件除油，有效的防止裂纹的产生； 4) 选择焊条：依零件材料和要求选择焊条。国产铸铁冷焊用的电焊条种类很多，使用较为广泛的是镍基铸铁焊条。焊条直径越细越好，并且按说明要求使用； 5) 焊接：选用直流电焊机，并常用细焊条低电流施焊，以减少基体金属的熔化量。一般冷焊铸铁用的电流较焊接钢件用的电流小10%到25%； 6) 焊后处理：焊后应缓冷，防止出现白口或采用低温退火处理。

16. 4．磨损铸铁零件的堆焊修理 1) 采用短段热焊法： • 对焊段进行600℃~700℃预热，趁热堆焊，然后预热下一个焊段和堆焊，其余类推。每个焊段长度在25~40mm。 • 由于焊前预热温度高，能够及时彻底除净吸附在零件表面上的油脂，因此焊缝内不会产生气孔。采用短焊段热焊法修复磨损件，零件的整体温度仍较低，故仍属冷焊法范畴。 2) 以气焊预热，电焊施焊，预热施焊交替进行，协调配合。并且对焊后部分采用缓冷保温等措施，以获得优良的堆焊修复质量。

17. 5．铸铁件的钎焊修复 1) 钎焊 • 采用比基体金属熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔点的温度，使液态钎料润湿基体金属填充接头间隙并与基体金属相互扩散而连接焊件的方法称为钎焊。 • 钎焊分为硬钎焊和软钎焊。钎料熔点高于450℃的钎焊称为硬钎焊；钎料熔点低于450℃的钎焊称为软钎焊。 • 常见的硬钎焊有铸铁件的黄铜钎焊，软钎焊有铸铁件的锡基合金钎焊。 2) 铸铁件的黄铜钎焊修复 • 小型铸铁件或大型铸铁件的局部多采用黄铜钎焊。钎焊时，利用氧炔焰加热基体金属与熔化钎料，因基体金属虽处高温但未熔化，所以接头处不会产生白口，也不会产生裂纹。 • 钎焊的修复过程包括清洁修复部位，除去油污、铁锈等，选钎料和钎剂，调整火焰，用弱氧化焰进行钎焊，并在焊后机械加工。 • 黄铜钎焊修复铸铁件的缺点是钎料与母材颜色不一致。

18. 七、再制造 • 目前，利用堆焊工艺对损坏的零件进行再制造的工艺方法获得广泛应用，它不仅使零件恢复使用性能，且宛如新造，还可根据要求堆焊特殊金属材料使零件具有特殊的理化性能和优良的机械性能。 • 船用主，副柴油机的活塞、活塞杆、气缸盖、排气阀、阀座和机架，船用螺旋桨等均可进行再制造。 • 采用堆焊方法对零件进行再制造的工艺方法适用于钢、铸铁和铜、铝等有色金属及其合金。

19. 1．柴油机铝活塞再制造工艺 1) 清洁除污：用清洗剂除去铝活塞表面的油污和积炭； 2) 检验：检测活塞外圆、环槽及各有关尺寸，测量活塞烧蚀及损坏情况； 3) 粗车：将活塞欲修理的部位、环槽、顶部和外圆进行粗车加工，车去黑皮，清除裂纹等； 4) 探伤：将活塞顶部、环槽和外圆等部位打磨干净，然后进行着色探伤，检查有无裂纹，如发现裂纹应继续车削除去； 5) 预热：将铝活塞均匀加热至120~150℃； 6) 堆焊：采用氩弧焊机、铝焊丝对环槽、顶部、外圆及缺损部位进行堆焊，留2~3mm的加工余量，焊后缓冷； 7) 精车：严格按图纸要求进行精车，使活塞的尺寸、位置精度和粗糙度达到图纸规定要求； 8) 检验：进行活塞各部位的尺寸、位置精度测量。

20. 2．铸铁活塞头的再制造 • 大型铸铁活塞头再制造工艺基本上与上述工艺相同。 1）在清洁、检验、粗车和探伤后进行100~200℃左右的预热； 2）手工电弧焊在活塞头上的裂纹和气孔等处堆焊； 3）用自动电焊机堆焊并留3~4mm加工余量； 4）缓冷至常温； 5) 精车活塞头部，达到图纸要求的尺寸、形状精度； 6) 在环槽的上、下表面镀铬0.20~0.30mm； 7) 磨削镀铬层，使环槽具有要求的尺寸精度； 8) 修整、检验等。

21. 八、堆焊在船机零件应用实例： 1. 柴油机排气阀及进气阀； 2. 柴油机气缸盖； 3. 挖泥船的绞刀； 4. 挖泥船的叶轮： 5. 摇臂 6. 活塞销 7. 泥泵壳及衬板

22. 6.5　激光熔覆 一、激光表面改性基础 1. 概述： 1）激光的特点： • 激光束的能量密度可以达到108~109W/cm2，激光器的功率在国外已发展到10~20kW，在国内的功率已达5~7kW。 • 高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。 2）激光加工特点： • 可实现无接触式加工；能量密度高、可加工的材料范围广； • 热影响区小、工件变形小； • 指向性好，便于导向、聚焦； • 生产效率高，易于实现自动化。 • 激光于60年发明，随后用于金属的打孔、切割和焊接，从70年代起开始研究它在金属表面强化方面的作用。 • 激光加工技术在材料表面改性方面受到高度重视，并已在不少产品上取代传统的表面技术，成为表面工程中发展最快的技术领域之一。

23. 3）激光表面强化技术的特点 • 对金属表层加热速度极快，基体的温度在加热过程中可以不受影响。 • 金属表面强化时冷却速度很大，能得到平衡凝固方法无法生产的亚稳合金。 • 能使金属表面获得微晶态组织或非晶态组织，使表面具有高的耐蚀、耐磨性和耐疲劳特性。 • 高密度能量表面强化技术可以改变表层成分，进行表面合金化或表面熔敷，更大程度地改变零件表面性能。 • 其热源具有强力、非接触、清洁等优点。

24. 2. 激光表面改性设备 图1　光学谐振腔示意图 1）激光发生器　 （1）激光束的产生：为了获得稳定的激光束，还需要利用光学谐振腔对激光进行振荡。最简单的光学谐振腔由放置在工作物质两侧的平面反射镜组成，如图1所示。 （2）激光器的种类：快速轴流CO2激光器、横向流动CO2激光器、掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器、钕玻璃激光器、红宝石激光器、准分子激光器、高功率CO激光器等。 • 目前在表面改性中使用较多的激光器主要是横向流动CO2激光器和YAG激光器。

25. a) 横向流动CO2激光器 • 横流CO2激光器的工作气体沿着与光轴垂直的方向快速流过放电区，以维持腔内较低的气体温度，保证激光器高功率输出。 • 允许注入的电功率密度高，单位有效长度的谐振腔输出激光功率可达每米10kW，目前商用器件的最大输出功率已达25kW。 • 光束质量较差，大多数为多模输出。 • 广泛应用于材料表面改性处理。

26. b) 掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器 • YAG激光器是一种应用较多的固体激光器，它由掺钕钇铝石榴石晶体棒、泵浦灯、聚光腔、光学谐振腔和电源等部分组成。 • 激光器输出的波长较短（1.06μm），与金属的耦合功率高； • YAG激光器能与光纤耦合，借助时间分割和功率分割成多路系统可方便地将一束光传递给多个工位或远距离工位，便于实现柔性加工； • 能以脉冲和连续两种方式工作，易于获得短脉冲及超短脉冲，加工范围大； • 激光器结构紧凑，重量轻，操作简便，易于维护： • YAG激光器光电转换效率较低（1%~3%），成本较高，且输出平均功率较小，光束质量也不太理想； • 最大峰值功率已达几十千瓦，平均脉冲功率可达数千瓦，单棒连续输出功率为600W，单模最大功率达340W，若将数个YAG棒串联可获得2kW级的连续激光输出。

27. 激光器的主要性能指标

28. 2) 激光器导光系统 1-激光束； 2-光闸； 3-折光镜； 4-氦氖光； 5-光束通道； 6-折光镜； 7-光束处理装置； 8-聚焦透镜； 9-被加工工件 (1) 作用：根据工件的形状、尺寸及加工要求对激光束进行测量（并反馈控制）、传输、放大、整形、聚焦、瞄准，最终实现激光加工。 (2) 组成：光束质量监控设备、光闸系统、扩束望远镜系统、分光系统、可见光同轴瞄准系统、光传输转向系统和聚焦或整形系统。 图2　激光导光系统示意图

29. 激光器导光系统主要部件： a）转向反射镜。改变光束传输方向, 使激光器所输出的激光束到达指定的部位。平面反射镜一般表面镀金以提高反射率。 b）聚焦镜。激光器输出的光束直径较大（达几十毫米），无法直接用于材料加工，须经聚焦镜集聚为数毫米的光斑，使功率密度提高到104~109W/cm2，才能达到理想的加工效果。激光束的集聚有透射聚焦和反射聚焦两种方式。 c）光束整形。不同工艺要求调整光束形状和能量分布，主要有振动光学系统、转镜光学系统、集成光学系统等。 d）激光功率监控仪。一般使用功率计测量，其测量的原理是采用光电转换法，利用吸收体吸收激光能量后温度升高间接测量激光功率。

30. 3) 激光加工机及控制系统 • 激光加工机分为通用加工机和专用加工机，通用加工机又有龙门式、铣床式和机器人等几种类型。机器人激光加工机柔性好，适于大型三维零件的加工，但这类加工机导光系统复杂，常用于光纤传输的YAG激光加工系统。 • 根据加工工件的要求，加工机须有足够的承载能力、运动与定位精度以及多方位运动的自由度。 • 激光加工机的控制系统主要包括工作台数控系统、功率检测系统、观察处理过程的电视接收系统、激光功率控制、气压测量及补偿控制冷却系统控制、光闸控制、安全机构及其他功能控制，其目的是保证激光加工过程能可靠、稳定地进行。 4)辅助装置　 • 辅助装置包括防止激光反射的遮光装置，保护操作人员的屏蔽装置，保护镜片或防止工件氧化的吹气、排气装置，送粉器及水冷系统等。

31. 3.　激光表面改性原理 激光与材料的相互作用过程可分为几个阶段： 1) 光束辐照至工作表面，材料吸收光子的能量而转化为热量，表层温度升高并向内部传热。 • 材料表层对激光能量的吸收，除与激光功率密度、辐照时间有关外，还受激光束的模式、波长、材料的反射率和吸收率等因素的影响。 图3　激光加工典型模式的能量分布 a) 高斯模; b) 多模; c) 方模; d) 环模  • 金属材料对激光的反射率随着激光波长的增加而提高，CO2激光（10.6μm）和YAG（1.06μm）激光一般不能直接用于金属表面处理，必须增加吸收涂层。 • 不同的材料对激光的吸收能力也各不相同，这也直接影响到材料表面层对激光能量的吸收。

32. 2) 材料表层吸收激光能量，温度升高到相变点以上并发生固态相变，与此相对应的加工工为激光表面淬火。金属材料随着温度升高，对激光的吸收率也会逐渐增大。 3) 材料的温度进一步升髙到熔点之上，材料熔化并形成熔池，涉及的主要工艺为激光熔凝、激光熔覆、激光表面合金化等。 4) 材料温度升高至汽化点之上，出现等离子体现象。利用等离子体的反冲效应可对材料进行冲击硬化处理。 5）当材料在不同的加热温度下移开激光束而冷却，将出现晶粒细化、相变硬化等多种现象。

33. 4．激光表面强化的工艺参数 • 1) 激光功率：对于金属材料，强化处理的功率必须超过0.5kW，才能使表面熔化，功率↑→吸收率和强化深度↑。 • 2) 光斑尺寸：光束尺寸决定了样品表面的功率密度，激光热处理时功率密度为104~108W/cm2。 • 3) 光束的构型：光束的构型决定了光束的能量分布，常用光束的构型或模式有：高斯模型、多模型、正方或长方模型及凹顶型四种。 • 4) 扫描速度（工件的移动速度）：改变扫描速度可以控制合金元素的扩散速度，以影响表面层的合金化机制，可以改变硬化层深度、熔化深度及组织结构，从而控制表面层的最终成分、组织和性能。 • 5) 重叠系数K：指相邻激光作用区中心之间的距离S与单个作用区尺寸D（或直径）之比，K=S/D，一般应在0.6~0.8范围内，通常为0.7，K↓→新的组织结构形成，出现“鳞片状”，显微硬度不均匀，K↑→效果较好。

34. 6) 工件表面预涂敷方法 （1）预涂敷法：电镀、热喷涂、真空蒸镀、渗碳、渗硼、粘涂疏松的粉末以及安放薄的金属片或丝材等。 （2）共沉积法：在激光熔化基体时，向熔池中喷注合金粉末或送入合金线材或棒材。 7) 其它因素：预涂敷粉末的粒度尺寸、组成及厚度；基体温度、表面状况、热物理性能、材质及原热处理状态。 • 在上述因素中，其最主要因素在于控制功率密度及扫描速度，功率密度受激光器功率和光斑尺寸的影响，它们综合控制工件的表面温度和加热深度以及激光加热以后的冷却速度，最终影响激光热处理层的微观组织结构。 • 在激光表面强化工艺中，受激光作用而发生变化的受控参数有：吸收系数、表层即硬化层或熔化层深度、表面层的成分梯度、表面和接近表面层的显微结构、表面层的残余应力、表面层的硬度、耐磨性、耐腐性、抗氧化性、表面层的疲劳强度和冲击韧性、表面层的缺陷及完整性。

35. 激光表面改性 表面加热 表面熔化 表面冲击 气相沉积 合金化 表面熔敷 冲击硬化 退火 化学气相沉积 物理气相沉积 相变硬化 非晶化 组织细化 表面熔凝 材料合成 激光表面改性技术分类简图

36. 不同激光表面改性的功率密度和激光辐照时间

37. 几种主要激光表面改性方法的特点

38. 二、激光熔覆 1.　激光熔覆技术的原理及特点 1）原理：激光熔覆是采用激光束加热熔覆材料和基材表面，使所需的特殊材料熔焊于工件表面的一种新型表面改性技术。 2）特点：与常用的堆焊及等离子喷熔等技术相比，激光熔覆技术具有一系列突出特点。 • 熔覆层组织细小、致密，硬度更高，耐蚀性、耐磨性更优； • 覆层与基体为冶金结合； • 熔覆层稀释率低（5%~8%），可用较薄的覆层实现所需的性能要求； • 激光束功率密度大，加热温度高，熔覆材料的选择范围更宽； • 热影响区小，基体温度低，工件变形少； • 覆层质量稳定，易于实现自动化生产。

39. 2.　激光熔覆材料 激光熔覆材料的选择范围比较广范，主要有如下三大类： • 金属及合金：Ni基、Co基、Fe基、Cu基合金等； • 金属陶瓷：Ni基、Co基、Fe基、Cu基合金与WC、TiC、SiC等组成的金属陶瓷； • 陶瓷材料：主要有Al2O3基、ZrO2基陶瓷等。 • 目前，激光熔覆大部分还是沿用热喷涂的材料体系，主要有镍基、钴基、铁基自熔性合金和金属陶瓷等类型。 • 镍基合金适用于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的零件，所需的激光功率密度较高； • 钴基合金适用于要求耐磨、耐蚀、抗热疲劳、高温强度要求较髙的零件； • 铁基合金大多数用于要求局部耐磨的零件，且需激光功率较低； • 陶瓷涂层用于热稳定性、化学稳定性要求较高的高温耐磨、耐蚀或表面磨损特别严重的零件。

40. 3.激光熔覆工艺 1) 激光熔覆工艺方法 按熔覆材料的供给方式，激光熔覆可分为预置式激光熔覆和同步送粉式激光熔覆。 （1）预置式激光熔覆：先将熔覆材料预置于基体表面的熔覆部位，然后用激光束扫描熔化熔覆材料和基体表层来实现，预置材料可以是丝、板、粉等状态，最常用的是合金粉末。 • 材料的预置可采用热喷涂和粘接等方法进行。 • 热喷涂方法预置的涂层均匀、效率高、不易剥落，但粉末利用率较低，操作程序较复杂； • 粘接预置法是采用清漆、水玻璃、纤维素、酒精松香溶液、异丙基醇、透明胶等作粘接剂，与合金粉末调成膏状，预涂于熔覆部位并烘干。 • 粘接法经济、方便，但该法存在预置层易剥落，导热性差，需消耗更多的激光能量，粘接剂的分解易对熔覆层造成污染和气孔等缺陷，较难实现大面积涂覆。

41. （2）同步送粉激光熔覆：由送粉器经送粉管将合金粉末定量地直接送入工件表面的激光辐照区。粉末到达熔区前先经过激光束被加热到红热状态，落入熔区后随即熔化，随基材移动和粉末的连续送入，形成熔覆带。（2）同步送粉激光熔覆：由送粉器经送粉管将合金粉末定量地直接送入工件表面的激光辐照区。粉末到达熔区前先经过激光束被加热到红热状态，落入熔区后随即熔化，随基材移动和粉末的连续送入，形成熔覆带。 • 这种方式均匀、可控，具有良好的可靠性和重复性。 1-聚焦镜; 2-出光口; 3-熔覆层; 4-运动方向; 5-工作台; 6-试样; 7-粉末输送管 图6　同步送粉激光熔覆示意图

42. 2) 激光熔覆工艺参数 • 激光熔覆工艺参数包括激光输出功率、光斑尺寸、扫描速度及送粉速度或预置层厚度等。 • 输入的激光能量以合金粉末充分熔化、基材熔化适当为准，实际工艺参数与基材的成分、预热状态、熔覆材料的种类等因素有关，一般以熔覆层的接触角θ的大小进行评价。 • 接触角越大，熔覆材料熔化越充分，稀释率也越高；当θ<90°时，基材未熔化，熔覆材料的熔化状况也不好，熔覆层与基体未焊合。 H-熔覆层髙度； W-熔覆层宽度； θ-接触角； h-基材熔深； A2-熔覆层横截面积； A1-基材熔化区截面 图7　单道激光熔覆层横截面示意图

43. 3) 稀释率 • 它是指在激光熔覆过程中，由于基材元素的混入而引起的熔覆层合金成分的变化，用基材合金在熔覆层中所占的百分比表示。 • 稀释率的测定有实际成分测量计算法和横截面积测量计算法两种。 （1）实际成分测量计算按下式进行： • 稀释率 • 式中，ρP为熔覆合金的密度；ρs为基材密度；XP%为熔覆合金中元素X的质量分数；Xs%为基材中X元素的质量分数；XP+s为整个熔覆层搭接处X元素的质量分数。 （2）横截面积法计算出稀释率： • 稀释率 • 上式简化，可用下式进行计算

44. 4) 大面积及厚覆层的激光熔覆 • 随着更大功率的激光器及宽光斑光束整形装置问世，进行面积较大、覆层较厚的激光熔覆处理变得更加方便，但即便如此，要获得上述熔覆层仍需要进行多道或多层熔覆才能办到。 • 在需要熔覆层较厚的情况下，可通过两种途径实现：一是采用较小光斑、每道熔覆层的厚度较厚，然后进行搭接。由于每道熔覆层较厚，搭接后形成的沟槽较深，平整度较差，但前一道熔覆层受到的热冲击较小，出现裂纹的倾向也较小。 • 另一种方法是采用较大光斑，每一层熔覆的厚度较薄，然后再进行第二层或第三层熔覆。这种方法获得的熔覆层表面平整性较好，但由于第二层熔覆时对前一层形成热冲击容易造成熔覆层开裂，特别是耐热冲击性能较差的Ni基合金应特别注意。

45. 4.　激光熔覆层组织与性能 1) 激光熔覆层组织 • 激光熔覆层的截面分为三个区域：合金化区、热影响区和基体。 • 合金化区的组织为树枝状或胞状的铸态组织，由于激光熔覆冷却速度快，这些组织细小致密，因合金材料各异，枝晶内弥散着细小的化合物，同时，枝晶界也有析出相。当冷却速度提高时，组织更加细小，共晶数量增多，而共晶中析出的化合物量相对减少。 • 合金化区与基材间有一结合带，结合带存在是熔焊加工与喷涂处理的主要区别，激光熔覆处理稀释率低，结合带也较窄，其宽度与熔覆层厚度有关，一般应控制在100μm以内。 • 热影响区组织与激光相变硬化相似，但在激光熔覆时应尽可能抑制马氏体的出现，因为出现硬度较高的淬火层会降低熔履层的结合强度，还容易造成熔覆层开裂。

46. 2) 激光熔覆层性能 • 激光熔覆层优良的性能主要体现在高硬度、高耐磨性和高耐蚀性方面。 • 激光熔覆可以大幅度提高材料的硬度和耐磨性，而且熔覆材料中有许多强化相，这种性能提高的幅度非常明显，特别是一些添加WC等陶瓷相的熔覆层，硬度可达1000Hv以上，耐磨性提高数倍。 • 激光熔覆钴基和镍基等合金，能显著提高材料的耐腐蚀。

47. 5.　激光熔覆的应用 • 随着激光熔覆技术的不断发展，在机械零件的制造、修复及再制造中，激光熔覆得到了越来越广泛的应用。 • 柴油机排气阀密封面和气缸盖阀座采用激光熔覆钴基合金及镍基合金后，与等离子喷熔相比，不仅使用寿命得到了提高，而且合金粉末节约50%以上； • 船舶机械设备中的轴类零件采用激光熔覆修复后不仅恢复了原始尺寸、提高了零件的使用寿命，而且由于基体温度低，避免了工件变形的产生。 • 目前激光熔覆在燃气轮机叶片、汽轮机叶片、阀门及模具等零件上得到了广泛应用。

48. §6-7　金属扣合工艺（Method of Metal Button） 一、概述 1. 概念: • 金属扣合法修复技术是借助高强度合金材料制成的扣合连接件（例如，波浪键），在槽内通过产生间隔性变形把零件的裂纹或断裂处连接起来，使之恢复使用性能的一种修复方法。 • 该方法适于不易焊补的钢件、不允许产生变形的铸件以及有色金属件，尤其对大型铸件的裂纹或折断面的修复效果更为突出。 2. 特点： 1）修复后的零件具有足够的强度和良好的密封性； 2）修复的整个过程在常温下进行，不会产生热变形； 3）波浪槽分散排列，波浪键分层装入，逐片铆击，不产生应力集中； 4）操作简便，使用的设备和工具简单，便于就地操作修理。 5）该方法的局限性是不适于修复厚度在8mm以下的铸件及振动剧烈的工件，此外，修复效率较低。

49. 3. 金属扣合键的材料要求 1）金属扣合键的材料一般要求具有强度高、塑性和韧性好、冷作硬化性能好特点。 2）材料冷加工塑性变形后强度大大提高，且不发脆；受热零件所用的扣合键材料的膨胀系数应略低于或等于零件的膨胀系数。 3）一般可以选用低碳镍铬不锈钢：1Crl8Ni9、1Crl8Ni9Ti等，冷变形后其强度可提高50%；也可选用普通低碳钢10、15、20钢等，冷变形后强度可提高10%~20%。 4）高温零件（如气缸盖）可选用含镍量高并与零件材料膨胀系数相近的高温镍基合金：Ni36、Ni42等，此种材料膨胀系数与铸铁相近，或选用10、15、20钢。密封螺栓材料的选用与扣合键一样。

50. 4. 应用 • 金属扣合法作为修理裂纹与断裂的方法在船机零件的修理中广泛被应用，尤其是对于难于焊补的铸钢件和铸铁件，不允许有变形的零件等，它是一种最佳的修理方法。 • 船用主、副柴油机的机座、机架、气缸体、气缸套和气缸盖以及各种机械的壳体和螺旋桨等的裂纹均可用此法来修理。 • 金属扣合法与胶粘剂配合使用后不仅可以增加连接强度，还可以有利于保证被修复零件的密封性。 • 金属扣合法可分为强固扣合法、强密扣合法、加强扣合法和热扣合法，在修理中应针对船机零件损坏的不同情况、技术要求和具体条件来选用。