灰鑄鐵裝備表面激光熱修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、目前大型機(jī)械裝備中,灰鑄鐵類鑄件應(yīng)用十分廣泛。由于工況惡劣,鑄件表面易出現(xiàn)裂紋缺陷而導(dǎo)致裝備失效,為避免報(bào)廢、降低成本,如何快速修復(fù)失效部件并實(shí)現(xiàn)高效率的循環(huán)再制造是目前亟待解決的技術(shù)問題,此技術(shù)問題已成為熱修復(fù)領(lǐng)域的重要研究課題。由于大功率激光技術(shù)在材料加工領(lǐng)域具有諸多優(yōu)勢,因此課題提出采用激光熱修復(fù)方法處理灰鑄鐵裝備表面的裂紋失效問題,深入研究并解決激光熱修復(fù)過程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)和問題。主要開展了以下內(nèi)容的研究工作:
　　

2、分析激光、基體和修復(fù)粉末的相互作用,研究其熱流傳遞規(guī)律;采用生死單元技術(shù)實(shí)現(xiàn)修復(fù)粉末動態(tài)添加、提出了新的組合型體熱源的數(shù)學(xué)表達(dá)、利用接觸關(guān)系準(zhǔn)確模擬工作臺對工件的約束,建立灰鑄鐵基體表面的激光熱修復(fù)全過程數(shù)值模型。為連續(xù)激光作用下材料表面熱修復(fù)過程的傳熱和力學(xué)行為規(guī)律進(jìn)定量分析提供研究手段。
　　 為實(shí)現(xiàn)灰鑄鐵表面的裂紋缺陷修復(fù),設(shè)計(jì)激光熱修復(fù)方法及工藝,確定可用于修復(fù)的合金粉末種類,通過實(shí)驗(yàn)研究修復(fù)區(qū)與基體的冶金結(jié)合狀態(tài),明確

3、灰鑄鐵基體的顯微組織特性及轉(zhuǎn)變規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在連續(xù)激光能量作用下,不同合金粉末材料與基體形成了不同結(jié)合狀態(tài),表現(xiàn)出不同的機(jī)械性能,采用合理的加工工藝,在完成修復(fù)的同時(shí)可獲得表面性能的提升。
　　 根據(jù)激光熱修復(fù)區(qū)的形態(tài)特點(diǎn),采用三點(diǎn)彎斷實(shí)驗(yàn)對熱修復(fù)試樣的斷裂性能和修復(fù)層結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行分析,探究激光修復(fù)對基體斷裂韌性和結(jié)合強(qiáng)度的影響規(guī)律,熱修復(fù)區(qū)提高了基體的抗裂能力;試樣由單一的脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檠有院痛嘈越M合的斷裂形式;進(jìn)一步對

4、修復(fù)區(qū)開裂和裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行分析,提出了修復(fù)區(qū)的阻裂過程模型,揭示了其阻裂機(jī)制,發(fā)現(xiàn)激光熱修復(fù)在保持灰鑄鐵基體原有強(qiáng)度的同時(shí),提高了材料的斷裂韌性。
　　 通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究,明確尺寸效應(yīng)、環(huán)境介質(zhì)及其作用方式、激光工藝參數(shù)等各因素的影響規(guī)律。基體尺寸和液態(tài)介質(zhì)分別影響著基體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)以及與外界的熱交換,浸沒式液體環(huán)境能夠有助于獲得較高的表面硬度和耐磨性能;通過實(shí)驗(yàn)調(diào)整修復(fù)工藝,可以獲得具有較高的抗裂韌性和較好的機(jī)加工性能

5、的修復(fù)層。
　　 為了改善修復(fù)層質(zhì)量,提出激光局部自預(yù)熱策略。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)分析不同預(yù)熱工藝對修復(fù)效果的影響,確定配套的預(yù)熱工藝參數(shù),局部自預(yù)熱能有效降低熱拉應(yīng)力水平,殘余應(yīng)力分布更為合理;減少了脆硬相和白口組織,可使組織均勻化并降低石墨尖端的微裂紋萌生機(jī)率。激光局部自預(yù)熱處理提高了修復(fù)質(zhì)量、改善了修復(fù)區(qū)材料性能,較現(xiàn)有方法能夠獲得更理想的預(yù)熱效果,為完善激光熱修復(fù)工藝體系、提高修復(fù)質(zhì)量提供理論支持和靈活高效的技術(shù)手段。

6、r>　　 修復(fù)粉末的輸送和待修復(fù)工件的進(jìn)給是影響激光熱修復(fù)的重要因素,探究激光同軸送粉噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)對粉末焦點(diǎn)及濃度分布的影響,以此為依據(jù)設(shè)計(jì)了可垂直拆卸的同軸送粉噴嘴和送粉裝置,分別適用于載氣和重力送粉,同時(shí)粉末流的焦點(diǎn)軸向位置可調(diào)。采用驅(qū)動精度高、響應(yīng)快的直線電機(jī)驅(qū)動進(jìn)給方式對工作臺進(jìn)行了設(shè)計(jì),確定工作臺的運(yùn)動參數(shù):建立激光熱修復(fù)工作臺的數(shù)字化樣機(jī),通過運(yùn)動仿真驗(yàn)證工作臺運(yùn)動平穩(wěn)。綜合激光同軸送粉裝置的研究和設(shè)計(jì),形成了激光熱修復(fù)