1.1 激光熔覆的原理
激光熔覆技術(shù)是以不同的填料方式，在被熔覆基材表面上放置被選擇的合金材料，利用高能激光束輻照，與基材表面一薄層同時(shí)快速融化、擴(kuò)展、冷凝，從而形成稀釋率極低(一般小于5%)，與基材形成合金的表面涂層，改善金屬表面耐磨、耐蝕、耐高溫抗氧化特性的技術(shù)工藝方法。
1.2 激光熔覆的特點(diǎn)
激光熔覆技術(shù)與電鍍、噴涂、堆焊和氣相沉積等傳統(tǒng)工藝相比較，其優(yōu)點(diǎn)是：
(1)熔覆層組織均勻致密，微觀缺陷少，與基材結(jié)合強(qiáng)度高，稀釋率可控性好。
(2)激光能量密度高，作用時(shí)間短，冷卻速度快，組織具有快速冷凝的特性，基材熱影響區(qū)小，熱變形量小。
(3)激光熔覆為無(wú)接觸加工，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，能進(jìn)行選區(qū)熔覆。
(4)熔覆厚度可控，單道一次可熔覆可在0.2～2.0 mm范圍內(nèi)。
(5)激光熔覆層硬度高、韌性好、工件使用壽命可提高5～8倍。
(6)具有節(jié)能、環(huán)保等特性。
1.3 可修復(fù)的基本材料和熔覆材料
激光熔覆技術(shù)可修復(fù)低碳鋼、中碳鋼及各類(lèi)合金鋼、不銹鋼、鑄鐵、銅及銅合金、鋁及鋁合金等。
根據(jù)基材的不同性能要求，可選擇不同成分的鐵基、鎳基、鈷基自熔性粉末及復(fù)合粉末。激光熔覆粉末的選擇是決定激光熔覆層質(zhì)量性能的關(guān)鍵因素，鐵基粉末主要有：Fe30、Fe45、Fe60等。鎳基粉末主要有：Ni20、Ni25A、Ni45、Ni60等。鈷基粉末主要有：Co42A、Co42B、Co42C、Co50等。粉末具有良好的靈動(dòng)性、自熔性、潤(rùn)濕性和熔覆性。
1.4 激光熔覆層優(yōu)異性能與顯微組織的關(guān)系
熔覆層底部，組織為逆熱流方向生長(zhǎng)的典型的樹(shù)枝晶，在熔覆層與基體表面處有一狹窄的白亮帶，其組織為平面晶，呈現(xiàn)冶金結(jié)合特征，結(jié)合強(qiáng)度高，見(jiàn)圖1。
圖1 熔覆層底部顯微組織SEM像
激光熔覆過(guò)程的快速凝固能夠獲得良好的樹(shù)枝晶顯微結(jié)構(gòu)，組織致密，原位生成的危險(xiǎn)顆粒增強(qiáng)粒子，如碳、磞或硅化物彌散分布于樹(shù)枝晶內(nèi)，能夠起到顆粒彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用。同時(shí)高溫度梯度下遠(yuǎn)離平衡態(tài)的快速冷卻條件，是凝固組織中形成大量的過(guò)飽和固溶體，晶格產(chǎn)生畸變，因此熔覆層具有硬度高、耐磨性好、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化等綜合性能。
現(xiàn)代港機(jī)驅(qū)動(dòng)部分是由大功率電機(jī)、減速箱等組成，由于受設(shè)備不間斷使用時(shí)間長(zhǎng)，工作環(huán)境惡劣等因素影響，電機(jī)和減速箱長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，各個(gè)部件會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損，嚴(yán)重的會(huì)影響設(shè)備的正常使用。
減速箱傳動(dòng)部位局部摩擦損壞，特別是軸承和殼體接觸面部位殼體內(nèi)孔是容易磨損的部位，處理不當(dāng)會(huì)造成整臺(tái)減速箱報(bào)廢。
2.1 激光熔覆技術(shù)在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸維修中的應(yīng)用
電機(jī)轉(zhuǎn)子軸是電機(jī)的核心部件，承載著電機(jī)組成部件間的尺寸配合與安裝，轉(zhuǎn)子軸在工作過(guò)程中，磨損與撞擊程度通常很?chē)?yán)重。
利用激光熔覆技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子軸軸身端及軸承室危機(jī)進(jìn)行修復(fù)與再造，激光熔覆層與基體為冶金結(jié)合，同時(shí)可較好選取熔覆材料填補(bǔ)較大的溝痕、坑、洞等缺陷，適用于變形較大的軸類(lèi)，熔覆層硬度可達(dá)HRC5以上，是傳統(tǒng)的刷鍍、噴涂、堆焊等維修工藝無(wú)法比擬的。港機(jī)設(shè)備中電機(jī)多為大功率電機(jī)，價(jià)格高昂，維修難度大，利用激光熔覆技術(shù)能對(duì)電機(jī)軸進(jìn)行維修，能有效降低維護(hù)成本。
2.2 激光熔覆技術(shù)在減速箱軸修復(fù)中的應(yīng)用
減速箱經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)后，其高速軸和低速軸會(huì)出現(xiàn)磨損，產(chǎn)生溝槽，與密封圈配合不良，導(dǎo)致漏油。通過(guò)激光熔附技術(shù)修復(fù)減速箱軸的溝槽，同時(shí)更換新油封，能較好地解決減速箱軸端漏油問(wèn)題。
2.3 激光熔覆技術(shù)在減速箱體軸孔修復(fù)中的應(yīng)用
利用激光熔覆技術(shù)，選用耐磨性能大大高于基材的粉末，對(duì)減速箱殼體內(nèi)孔磨損表面進(jìn)行修復(fù)，將受損傷部位恢復(fù)原設(shè)計(jì)尺寸后，硬度達(dá)HRC55以上，且熔覆層與基體為冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，可大幅度提高內(nèi)孔表面的抗磨損能力，使壽命為傳統(tǒng)修復(fù)工藝的5～6倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了原有新件的技術(shù)指標(biāo)，見(jiàn)表1。
表1 激光熔覆技術(shù)與傳統(tǒng)刷鍍工藝對(duì)比
工藝方法環(huán)保結(jié)合方式結(jié)合強(qiáng)度/MPa厚度/mm激光熔覆綠色環(huán)保冶金結(jié)合600～800單層0.2～1.5刷鍍產(chǎn)生含重金屬離子的電鍍廢水及隔離酸霧廢棄機(jī)械結(jié)合易脫落8～12≤0.5
在我國(guó)港口機(jī)械應(yīng)用中，鋼鐵基的金屬材料占主導(dǎo)地位。同時(shí)，金屬材料的失效(諸如腐蝕、磨損、疲勞等)大多發(fā)生零部件的工作表面，需要對(duì)表面進(jìn)行強(qiáng)化。為滿(mǎn)足工件的服役條件而采用大塊的原位自生顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料制造，不僅浪費(fèi)材料，而且成本高。另一方面，從仿生學(xué)的角度考察天然生物材料，其組成為外密內(nèi)疏，性能為外硬內(nèi)韌，且密-疏、硬-韌從外到內(nèi)是梯度變化的，天然生物材料的特殊結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)良的使用性能。根據(jù)工程上材料特殊的服役條件和性能要求，迫切需要開(kāi)發(fā)強(qiáng)韌結(jié)合、性能梯度變化的新型表層金屬基復(fù)合材料。因此，利用激光熔覆方法制備與基材呈冶金結(jié)合的梯度功能原位自生顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料不僅是工程實(shí)踐的迫切需要，也是激光表面改性技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。