紫外激光熔覆在農(nóng)機(jī)修復(fù)強(qiáng)化應(yīng)用中的研究進(jìn)展
發(fā)布時間：2021-09-04 09:51
對于發(fā)展相對緩慢的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，將先進(jìn)的激光技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，其中最引人注目當(dāng)屬用于農(nóng)業(yè)機(jī)械修復(fù)強(qiáng)化的激光熔覆技術(shù)。激光熔覆是一種對基材的表面改性技術(shù)。通過預(yù)先設(shè)定熔覆路徑，利用激光輻照使熔覆材料和基體表層在激光經(jīng)過之處快速熔化成熔池、然后快速凝固成一層具有冶金結(jié)合、稀釋度低的熔覆層，從而能夠?qū)C(jī)械零部件進(jìn)行原位修補(bǔ)，或改善原來基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等性能的熔覆工藝方法。
早在2009年，我國研究人員就對旋耕刀表面激光處理進(jìn)行了探索，通過設(shè)計正交試驗和進(jìn)行極差分析，發(fā)現(xiàn)影響基體表面強(qiáng)化效果的主要依次是激光功率＞掃描速度＞光斑直徑，材料經(jīng)激光表面熔覆后，基體組織明顯細(xì)化，并在熔覆區(qū)形成許多較細(xì)小高碳馬氏體，使得顯微硬度上升，從而提高了旋耕刀的抗磨磨損性能。之后通過設(shè)計優(yōu)化實驗比較普遍熱處理、激光熱處理和激光熔覆單重表面改性技術(shù)對割草機(jī)刀片使用壽命的延長效果，得到激光熔覆優(yōu)于前兩者。激光熔覆技術(shù)與傳統(tǒng)的加工工藝相比有以下特點：在對農(nóng)業(yè)機(jī)械的零部件進(jìn)行熔覆修復(fù)前，需要對農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件的表面進(jìn)行預(yù)處理。由于農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作環(huán)境惡劣，農(nóng)機(jī)零部件的表面往往會帶有泥土、油污、水分、肥料、農(nóng)藥、鐵銹、氧化層等，因而，相較于其他領(lǐng)域的零部件修復(fù)更為復(fù)雜。針對農(nóng)業(yè)機(jī)械的零部件，一般操作是對觸土耕作部件要先用水沖去表面泥垢，若受損表面的污垢比較牢固，可以采用機(jī)械噴砂的方法進(jìn)行清理，而對發(fā)動機(jī)、轉(zhuǎn)軸等零部件則先用清潔劑清洗掉油污。之后將待熔覆面用砂紙打磨后并用丙酮清洗干凈，避免在進(jìn)行激光熔覆時表面污漬進(jìn)入熔覆層造成缺陷，影響熔覆層的質(zhì)量和性能。
傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)修復(fù)的主要技術(shù)是熱處理、滲鉻處理、電弧噴等，但它們均難以達(dá)到農(nóng)業(yè)機(jī)械所需的耐磨、耐腐蝕、無污染等要求。隨著激光熔覆技術(shù)的不斷發(fā)展、制備的熔覆涂層性能也越來越優(yōu)異；因此，學(xué)者們開始了激光熔覆技術(shù)在農(nóng)機(jī)修復(fù)強(qiáng)化中的應(yīng)用研究。激光熔覆技術(shù)除了可以用來對損壞的零件進(jìn)行修復(fù)以外，還能用來對已有的農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件進(jìn)行性能強(qiáng)化。
因此，探索農(nóng)業(yè)機(jī)械關(guān)鍵零部件的先進(jìn)修復(fù)技術(shù)和性能改進(jìn)手段，對于改進(jìn)農(nóng)機(jī)服役性能，延長其使用壽命具有十分重要的實際意義。與工業(yè)機(jī)械、航空航天、汽車等高端制造領(lǐng)域相比，農(nóng)業(yè)機(jī)械制造總是滯后于它們。為促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，需加強(qiáng)激光熔覆技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械修復(fù)與強(qiáng)化上的應(yīng)用。借鑒其他領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)研究成果，為農(nóng)業(yè)機(jī)械的修復(fù)與強(qiáng)化提供研究方向。因此，為提高農(nóng)業(yè)機(jī)械在復(fù)雜的土壤環(huán)境下的可靠性，可以從以下4個方面進(jìn)行研究：原位修復(fù)；提高耐磨性；提高耐腐蝕性；提高硬度。原位修復(fù)：農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用強(qiáng)度高，工作環(huán)境條件差，許多農(nóng)機(jī)零部件在長期使用中處于超負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)，因此很容易出現(xiàn)塑性變形、磨損、裂紋、腐蝕等問題。原位修復(fù)是指對缺損的零部件進(jìn)行特定的處理使其恢復(fù)原有尺寸，而激光熔覆是主要的原位修復(fù)技術(shù)之一，由于其修復(fù)的零件具有不易變形、冷卻速度快、精度高、性能優(yōu)秀等優(yōu)點，已經(jīng)在農(nóng)業(yè)機(jī)械修復(fù)領(lǐng)域中得到了廣泛地應(yīng)用。比如，齒輪部件在農(nóng)機(jī)運(yùn)行的過程中，會受到較強(qiáng)的交變應(yīng)力的影響，容易導(dǎo)致飛邊、啃齒、變形等問題，采用激光熔覆技術(shù)則可以使缺損的齒輪恢復(fù)原有的尺寸。通過實驗驗證，激光熔覆修復(fù)后的齒輪不僅能夠正常作業(yè)，而且齒輪的抗沖擊性能、硬度、耐磨性等性能也得到了較大地提升。此外，軸類部件也是農(nóng)業(yè)機(jī)械中經(jīng)常需要修復(fù)的零部件之一。軸類部件除了會受交變應(yīng)力的作用，還會受到摩擦磨損的影響，且摩擦磨損的影響更為顯著，這也是致使其損壞的主要原因。農(nóng)機(jī)的工作環(huán)境較為惡劣，內(nèi)部的轉(zhuǎn)軸在長期旋轉(zhuǎn)過程中，高硬度的泥沙顆粒滲入其中形成磨損，從而造成區(qū)域性深度劃痕，劃痕增強(qiáng)磨粒的作用，進(jìn)而加劇損傷進(jìn)程，形成惡性循環(huán)。應(yīng)用激光熔覆技術(shù)對軸承進(jìn)行原位修復(fù)，能夠填補(bǔ)劃痕并恢復(fù)轉(zhuǎn)軸的表面形貌。激光熔覆技術(shù)所制備的涂層的厚度較薄，作業(yè)人員能有效地對熔覆涂層進(jìn)行厚度控制，從而保證被修復(fù)零部件的幾何公差和尺寸精度。提高耐磨性：農(nóng)業(yè)機(jī)械中的磨損一般分為粘附磨損和磨粒磨損，其中磨粒磨損是最常見的。磨粒磨損是零部件表面與相對較硬的磨料顆粒發(fā)生摩擦出現(xiàn)的磨損。在耕作過程中直接接觸的土壤或沙粒都會造成嚴(yán)重的磨損。提高耐磨性的熔覆材料有很多，其中鐵基熔覆材料是農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最多最廣泛的一種。鐵基合金因與農(nóng)機(jī)零部件基材成分相近，有良好的冶金結(jié)合，且涂層具有較高的耐磨性、較低的成本，得到了廣泛地應(yīng)用。單鐵基合金也存在熔點高、合金自熔性差、抗氧化性差、流動性不好、氣孔夾渣較多等缺點。后來為了改善鐵基合金，添加B和SI元素的Fe基自熔性合金能進(jìn)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層的耐磨性能。將熔覆合金粉末按化學(xué)成分CeO2配比進(jìn)行機(jī)械混合，在鋼基體表面制備熔覆涂層，得到的熔覆層原位反應(yīng)生成陶瓷硬質(zhì)相，組織致密，無氣孔和裂紋，耐磨性能得到顯著提高。稀土元素能顯著改善熔覆層的顯微結(jié)構(gòu)，細(xì)化枝晶組織，其中把握合理的稀土元素添加量是關(guān)鍵，稀土元素的適量添加才能保證熔覆層耐磨性能的有效提高。激光熔覆技術(shù)經(jīng)過近半個世紀(jì)的研究，在高端制造領(lǐng)域已經(jīng)積累了大量的實驗數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)理論。而由于農(nóng)業(yè)機(jī)械自身的特點、工作對象的復(fù)雜性，其制造、修復(fù)和強(qiáng)化手段要滯后于高端制造領(lǐng)域。因此，激光熔覆技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械修復(fù)強(qiáng)化的研究與應(yīng)用起步較晚，基本處于涂層材料制備工藝和耐磨耐蝕防護(hù)性能的初級研究階段。為實現(xiàn)激光熔覆技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械修復(fù)強(qiáng)化領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，今后可以從以下三個方向進(jìn)行研究：1.借鑒高端制造業(yè)行業(yè)積累的研究成果，結(jié)合農(nóng)業(yè)機(jī)械修復(fù)強(qiáng)化的實際生產(chǎn)狀況，，改變農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計與制造水平低、發(fā)展速度慢的現(xiàn)狀。2.研發(fā)適用于農(nóng)業(yè)機(jī)械修復(fù)與強(qiáng)化的新型復(fù)合材料粉末。在已有的材料體系上，結(jié)合農(nóng)業(yè)機(jī)械的特點，設(shè)計出適合不同工況的優(yōu)質(zhì)熔覆材料粉末體系。3.激光熔覆是多種工藝參數(shù)共同作用下的結(jié)果，選擇合適的工藝參數(shù)組合才能獲得最佳性能的熔覆涂層。因此，研究工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計有其非常重要的實際意義。
