激光熔覆技术是可以提升待熔覆材料的性能并可以延长所加工零件可用寿命的先进表面改善技术。为将矿井应用能够更加满足生产需求,实现煤机设备如液压支柱等零件的再制造从而达到在较低成本条件下实现较高效率的目的,应充分利用较先进激光器如半导体激光器的优势,为激光熔覆再制造保驾护航。另一方面,由于煤机设备所处环境的影响使其失效率较大从而造成使用寿命的大幅度缩减,根据统计每年失效的液压支柱数量高达几十万,这也为激光熔覆修复提供了市场前景。用于制作煤矿液压支架的常用材料包括20钢、45钢等。本文选取45钢和20钢为基体材料,分别在基体上熔覆不同含铬量的Ni/Cr涂层、铁基合金粉末涂层以及316L不锈钢涂层,试验采用配有同轴送粉装置的高功率半导体激光器(LDF 4000-100),分析了不同工艺参数对熔覆效果的影响,通过试验对比研究选取最佳工艺参数,为激光熔覆用于修复煤机设备的实际应用提供参考。采用合适的激光功率和扫描速度,可以在中碳钢和低碳钢表面制备表面平整且与基体呈冶金结合的Ni/Cr熔覆层、铁基合金熔覆层以及316L熔覆层。涂层由外向内根据组织不同和性能的差异可分为熔覆区、合金化区、热影响区;从熔覆表面到垂直于所熔覆的基体方向晶体结构也呈现出规律性的变化。本次试验的最佳工艺参数为:在45钢基体上熔覆Ni+Cr熔覆层时,30%含量的Cr粉末,激光功率为2600W,扫描速度为7mm/s;在45钢基体上熔覆铁基粉末涂层时,激光功率为2100W,12mm/s;采用2100W,12mm/s的工艺参数及50%搭接率在20钢管上激光熔覆316L不锈钢涂层达到了良好的效果和工业参考价值。试验发现熔覆层的硬度从整体上相对于基体有很大提高,试验中发现不同材料熔覆层的维氏硬度平均分别可达到基体的3-4倍左右,且硬度变化与不同的参数尤其是激光扫描速度及激光功率有密切的联系;熔覆层的硬度受Cr含量的影响;熔覆层硬度的改善同时也和晶粒结构,固溶强化以及弥散强化有关。熔覆层耐蚀性主要受晶粒结构和强化相等的影响。由于晶粒结构的致密和强化相的产生使熔覆层耐蚀性相对基体有很大提升,根据物相分析熔覆层中含有Cr的氧化物以及硬化相等的存在,能够显著改善熔覆层的耐蚀性。采用失重法对比计算分析熔覆层和基体的耐磨性,结果发现熔覆层的失重率显著低于基体,造成这种现象的原因是316L熔覆层具有较高的硬度、细小的晶粒组成及所含的具有良好耐磨性的Mo元素等的综合影响。选取最佳工艺参数和50%搭接率在液压支架20钢管上多道熔覆316L不锈钢,观察搭接区和非搭接区不同的显微结构,搭接区的显微结构多为不同方向的枝晶和细小的胞晶,这与单道熔覆时规律变化的组织结构有所不同;熔覆层硬度也相对基体钢管有很大提升,从而为激光熔覆修复液压设备提供参考价值和研究意义。
