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激光熔覆在农机修复强化应用中的研究进展 2021-11-07

我国是世界上屈指可数的农业大国之一,随着改革开放的步伐不断加快,我国开始大规模地推广农业机械化、自动化发展。据统计,在2000年我国农机化程度已经达到了48%。但是由于我国农业机械化制造工艺和水平较低,因此产品可靠性、安全性、耐用性、适应性等与发达国家仍存在较大差距。尤其农业机械关键零部件直接影响了其使用寿命,类似旋耕刀、收割机刀盘、开沟器等刃具类关键耐磨件的失效大大增加了维修成本,同时也严重影响了农业机械的工作效率;现在的大多数农业机械的维修只是简单的拆装和换件,不仅增加了农机企业的经营成本,也阻碍了农业机械化在我国的推广普及。

激光熔覆在农机修复强化应用中的研究进展

对于发展相对缓慢的传统农业,将先进的激光技术应用于农业领域,其中最引人注目当属用于农业机械修复强化的技术。


是一种对基材的表面改性技术。通过预先设定熔覆路径,利用激光辐照使熔覆材料和基体表层在激光经过之处快速熔化成熔池、然后快速凝固成一层具有冶金结合、稀释度低的熔覆层,从而能够对机械零部件进行原位修补,或改善原来基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能的熔覆工艺方法。

激光熔覆在农机修复强化应用中的研究进展

激光熔覆技术与传统的加工工艺相比有以下特点:

  • 熔覆层与基体能形成冶金结合;

  • 基体受到的热影响小,不易变形;

  • 熔覆层的稀释率低,节约昂贵的熔覆材料;

  • 熔覆层的厚度大小可以控制;

  • 可以修复零部件的特定部位及其他方法难以处理的部位。


在对农业机械的零部件进行熔覆修复前,需要对农业机械零部件的表面进行预处理。由于农业机械的工作环境恶劣,农机零部件的表面往往会带有泥土、油污、水分、肥料、农药、铁锈、氧化层等,因而,相较于其他领域的零部件修复更为复杂。针对农业机械的零部件,一般操作是对触土耕作部件要先用水冲去表面泥垢,若受损表面的污垢比较牢固,可以采用机械喷砂的方法进行清理,而对发动机、转轴等零部件则先用清洁剂清洗掉油污。之后将待熔覆面用砂纸打磨后并用丙酮清洗干净,避免在进行激光熔覆时表面污渍进入熔覆层造成缺陷,影响熔覆层的质量和性能。


传统农机修复的主要技术是热处理、渗铬处理、电弧喷等,但它们均难以达到农业机械所需的耐磨、耐腐蚀、无污染等要求。随着激光熔覆技术的不断发展、制备的熔覆涂层性能也越来越优异;因此,学者们开始了激光熔覆技术在农机修复强化中的应用研究。激光熔覆技术除了可以用来对损坏的零件进行修复以外,还能用来对已有的农业机械零部件进行性能强化。


早在2009年,我国研究人员就对旋耕刀表面激光处理进行了探索,通过设计正交试验和进行极差分析,发现影响基体表面强化效果的主要依次是激光功率>扫描速度>光斑直径,材料经激光表面熔覆后,基体组织明显细化,并在熔覆区形成许多较细小高碳马氏体,使得显微硬度上升,从而提高了旋耕刀的抗磨磨损性能。之后通过设计优化实验比较普遍热处理、和激光熔覆单重表面改性技术对割草机刀片使用寿命的延长效果,得到激光熔覆优于前两者。


因此,探索农业机械关键零部件的先进修复技术和性能改进手段,对于改进农机服役性能,延长其使用寿命具有十分重要的实际意义。


与工业机械、航空航天、汽车等高端制造领域相比,农业机械制造总是滞后于它们。为促进农业现代化的发展,需加强激光熔覆技术在农业机械修复与强化上的应用。借鉴其他领域的先进技术研究成果,为农业机械的修复与强化提供研究方向。因此,为提高农业机械在复杂的土壤环境下的可靠性,可以从以下4个方面进行研究:原位修复;提高耐磨性;提高耐腐蚀性;提高硬度。


原位修复:农业机械的使用强度高,工作环境条件差,许多农机零部件在长期使用中处于超负荷运行的状态,因此很容易出现塑性变形、磨损、裂纹、腐蚀等问题。原位修复是指对缺损的零部件进行特定的处理使其恢复原有尺寸,而激光熔覆是主要的原位修复技术之一,由于其修复的零件具有不易变形、冷却速度快、精度高、性能优秀等优点,已经在农业机械修复领域中得到了广泛地应用。比如,齿轮部件在农机运行的过程中,会受到较强的交变应力的影响,容易导致飞边、啃齿、变形等问题,采用激光熔覆技术则可以使缺损的齿轮恢复原有的尺寸。通过实验验证,激光熔覆修复后的齿轮不仅能够正常作业,而且齿轮的抗冲击性能、硬度、耐磨性等性能也得到了较大地提升。


此外,轴类部件也是农业机械中经常需要修复的零部件之一。轴类部件除了会受交变应力的作用,还会受到摩擦磨损的影响,且摩擦磨损的影响更为显著,这也是致使其损坏的主要原因。农机的工作环境较为恶劣,内部的转轴在长期旋转过程中,高硬度的泥沙颗粒渗入其中形成磨损,从而造成区域性深度划痕,划痕增强磨粒的作用,进而加剧损伤进程,形成恶性循环。应用激光熔覆技术对轴承进行原位修复,能够填补划痕并恢复转轴的表面形貌。激光熔覆技术所制备的涂层的厚度较薄,作业人员能有效地对熔覆涂层进行厚度控制,从而保证被修复零部件的几何公差和尺寸精度。


提高耐磨性:农业机械中的磨损一般分为粘附磨损和磨粒磨损,其中磨粒磨损是最常见的。磨粒磨损是零部件表面与相对较硬的磨料颗粒发生摩擦出现的磨损。在耕作过程中直接接触的土壤或沙粒都会造成严重的磨损。提高耐磨性的熔覆材料有很多,其中铁基熔覆材料是农业机械领域内应用最多最广泛的一种。铁基合金因与农机零部件基材成分相近,有良好的冶金结合,且涂层具有较高的耐磨性、较低的成本,得到了广泛地应用。单铁基合金也存在熔点高、合金自熔性差、抗氧化性差、流动性不好、气孔夹渣较多等缺点。后来为了改善铁基合金,添加b和si元素的fe基自熔性合金能进一步提升耐磨性能。另外,在熔覆材料中加入稀土元素能改善熔覆涂层的耐磨性能。将熔覆合金粉末按化学成分ceo2配比进行机械混合,在钢基体表面制备熔覆涂层,得到的熔覆层原位反应生成陶瓷硬质相,组织致密,无气孔和裂纹,耐磨性能得到显著提高。稀土元素能显著改善熔覆层的显微结构,细化枝晶组织,其中把握合理的稀土元素添加量是关键,稀土元素的适量添加才能保证熔覆层耐磨性能的有效提高。


提高耐腐蚀性:农业机械耕作部件经常在农药、化肥、有机肥等潮湿且具有腐蚀性环境中工作,从而加速农机具的损坏。激光熔覆粉末成分将直接影响熔覆层的耐腐蚀性,在耐腐蚀性能的研究探索中,镍基自熔性合金粉末在激光熔覆材料中的研究最为突出,普遍应用于局部要求耐腐蚀构件的修补。随着研究的深入,学者们发现在熔覆过程中外场条件的添加和控制对熔覆层耐腐蚀性能有显著的影响。在45钢表面激光熔覆制备fe60合金涂层,外加机械振动和磁场的复合场装置进行辅助,在复合场作用下涂层中fe-cr固溶体含量得到有效提升,显著提高了涂层的耐腐蚀性,为进一步优化激光熔覆强化农机的工艺提供了指导方向。


提高硬度:因土壤下会存在较大型的石块和植物根茎,旋耕刀、圆盘耙这类耕作部件在翻耕犁地的过程中可能会遇到大的冲击而受到损害,这就对农业机械的硬度有更高的要求。有学者以45钢为基体材料,在硬度方面上对fe60合金和ni60合金的熔覆层进行了比较研究。在同等激光功率及送粉量的条件下,ni60合金熔覆涂层的硬度较高,但存在较多的裂纹缺陷,而fe60合金结合区硬度高,整体硬度分布平缓,形成良好的冶金结合,且无明显缺陷,与镍基合金相比较,铁基合金粉末综合性能理想,更适合45钢的激光熔覆表面处理。后来,对fe60合金的熔覆层的微观组织和性能进行了进一步的研究,单道熔覆的fe60合金熔覆层组织主要由等轴晶、富含ni、cr、si的枝状晶和柱状晶组成。适当的激光熔覆工艺控制实现了熔覆层快速熔化、快速凝固,形成非平衡、亚结晶状态的枝状共晶组织,si原子的固溶强化和激光处理后组织的细晶强化作用,形成了平整、致密、热影响小的优质熔覆层,显著提高了涂层硬度。


激光熔覆硬质相颗粒近年来受到人们的广泛关注,硬质相颗粒包括wc,nbc,tic,tac和vc等。wc颗粒的加入对提高基体的显微硬度有积极的作用。ma等使用激光熔覆技术制备了ni60/wc复合涂层,涂层具有共晶组织特征,并且具有高硬度。硬质增强的金属基复合涂层由于兼具高的硬度和一定的塑性应变能力,已被广泛应用于具有磨损工况的各类机械零件表面。


激光熔覆硬质相颗粒近年来受到人们的广泛关注,硬质相颗粒包括wc,nbc,tic,tac和vc等。wc颗粒的加入对提高基体的显微硬度有积极的作用。ma等使用激光熔覆技术制备了ni60/wc复合涂层,涂层具有共晶组织特征,并且具有高硬度。硬质增强的金属基复合涂层由于兼具高的硬度和一定的塑性应变能力,已被广泛应用于具有磨损工况的各类机械零件表面。


激光熔覆技术经过近半个世纪的研究,在高端制造领域已经积累了大量的实验数据和基础理论。而由于农业机械自身的特点、工作对象的复杂性,其制造、修复和强化手段要滞后于高端制造领域。因此,激光熔覆技术在农业机械修复强化的研究与应用起步较晚,基本处于涂层材料制备工艺和耐磨耐蚀防护性能的初级研究阶段。为实现激光熔覆技术在农业机械修复强化领域的推广应用,今后可以从以下三个方向进行研究:


1.借鉴高端制造业行业积累的研究成果,结合农业机械修复强化的实际生产状况,,改变农业机械设计与制造水平低、发展速度慢的现状。

2.研发适用于农业机械修复与强化的新型复合材料粉末。在已有的材料体系上,结合农业机械的特点,设计出适合不同工况的优质熔覆材料粉末体系。

3.激光熔覆是多种工艺参数共同作用下的结果,选择合适的工艺参数组合才能获得最佳性能的熔覆涂层。因此,研究工艺参数的优化设计有其非常重要的实际意义。


尽管目前激光熔覆技术在农业机械修复与强化的应用还存在一定的困难,但是可以相信,在科研工作者的共同努力下,在不久的将来,激光熔覆技术可以走出实验室,广泛应用于农用机械修复与强化领域,为我国的农业机械化进程提供了强有力的保障。




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