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        高速動車組車軸激光熔覆再制造填充粉末選型研究

        2020-11-25 04:27:34肖雪峰齊先勝李碩劉和平
        金屬加工(熱加工) 2020年11期

        肖雪峰,齊先勝,李碩,劉和平

        中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東青島 266111

        1 序言

        車軸是高速動車組走行部的關(guān)鍵零件,受到車輪與軌道接觸產(chǎn)生交變疲勞載荷沖擊,其性能優(yōu)劣直接影響行車安全[1,2]。高速動車組每運行一定里程或時間均需對車軸進行檢修,輪座及齒輪座劃傷、軸身磕碰超過檢修標(biāo)準(zhǔn)時需報廢處理。具不完全統(tǒng)計,高速動車組車軸報廢數(shù)量約1000根/a,報廢車軸價值高,資源浪費嚴(yán)重,因此開發(fā)安全、高效的車軸修復(fù)技術(shù)已成為軌道交通行業(yè)亟待解決的問題。

        激光熔覆再制造是以喪失使用價值的損傷、廢舊零部件作為毛坯,利用激光熔覆技術(shù)對其進行批量化修復(fù)和性能升級,所獲得激光再制造產(chǎn)品性能達到或超過新品的加工工藝方法[3,4]。激光熔覆再制造技術(shù)作為再制造領(lǐng)域的核心技術(shù)具有能量密度高,熱影響區(qū)小、界面結(jié)合強度高、工件熱變形小、成形美觀、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點[5-8]。自20世紀(jì)70年代提出以來,受到工程技術(shù)人員的青睞。經(jīng)過近50年的發(fā)展已經(jīng)成功應(yīng)用于航空航天、模具裝備、礦山設(shè)備、機床裝備等機械行業(yè)[9-11],在高速動車組車軸的修復(fù)再制造領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。激光熔覆填充材料選型是車軸再制造重要的基礎(chǔ)支撐,是再制造工藝開發(fā)的先決條件。本文以時速350km高速動車組車軸為研究載體,研究不同成分金屬粉末的激光熔覆工藝性、與車軸基材性能的匹配性,并確定車軸激光熔覆再制造填充材料的選型原則,為激光熔覆再制造填充材料優(yōu)化選型指明方向,為高速動車組車軸激光熔覆再制造技術(shù)開發(fā)做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備。

        2 試驗方法

        2.1 粉末成分

        本項目所涉及的激光熔覆填充粉末分為同質(zhì)增材粉末和異質(zhì)增材粉末。其中同質(zhì)增材粉末以高速動車組車軸基材(EA4T)合金成分為基礎(chǔ),通過調(diào)整B、Si、Ni等自熔性元素含量,制備EA4T、EA4T-1、EA4T-2、EA4T-3系列粉末,其名義化學(xué)成分見表1。異質(zhì)增材粉末選擇彈性模量、熱膨脹系數(shù)、熔點等物理性能與EA4T相近的Fe310粉末和NiCrMo粉末作為研究對象,其名義化學(xué)成分見表2。

        2.2 粉末制備方法

        試驗用粉末采用真空感應(yīng)氣體霧化法(VIGA法)制備,通過VIGA法制備的金屬粉末如圖1所示,由圖1可知,合金粉末粒徑均勻,大部分粉末有良好的球形度,表面光滑完整,個別粉末呈近球形,粉末粒度為53~150μm,適合激光熔覆。

        表1 同質(zhì)增材填充粉末名義化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        表2 異質(zhì)增材填充粉末名義化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        圖1 VIGA法制備的金屬粉末

        2.3 激光熔覆再制造

        采用進口Laserline 4kW半導(dǎo)體-光纖耦合激光器,配合庫卡柔性焊接機器人在EA4T車軸基材上進行激光熔覆,激光熔覆參數(shù)見表3。

        表3 激光熔覆參數(shù)

        2.4 熔覆金屬力學(xué)性能檢測方法

        使用顯微維氏硬度計檢測熔覆金屬的硬度值,加載載荷100g。按照BS EN 10002-1要求制備熔覆金屬拉伸試樣,采用萬能力學(xué)試驗機在室溫條件下進行拉伸試驗。按照BS EN 10045.1要求制備U型缺口熔覆金屬試樣,在室溫條件下進行沖擊試驗。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 工藝性能研究

        EA4T、EA4T-1、EA4T-2、EA4T-3合金粉末熔覆金屬狀態(tài)見圖2。由圖2可知,4種金屬粉末的潤濕性、抗氧化性、抗氣孔裂紋能力均較差。熔覆金屬存在大量的氧化、夾溝、焊瘤、裂紋等缺陷,不符合再制造產(chǎn)品質(zhì)量要求。EA4T金屬粉末工藝性能較差,主要是由于其碳當(dāng)量較高(約為0.6%),焊接性較差,且合金元素中Si、Cr、Ni含量較低,熔覆金屬的抗氧化性和自熔性較差。雖然EA4T-1及EA4T-2粉末增加了自熔性B元素的含量,但由于激光熔覆的熔池冷卻速度較快,B作為脫氧劑生成的硼硅酸鹽來不及浮到熔池表面而殘留在熔覆層內(nèi),無法起到防止熔池氧化的作用。同時,低熔點硼硅酸鹽在熔覆層冷卻過程中形成液態(tài)薄膜加劇了熔覆層的開裂傾向。EA4T-3合金粉末取消了B元素,提高了Ni元素的含量,其抗氧化性能有了一定程度的提升,但其潤濕性仍然較差,熔覆金屬表面依然存在大量的夾溝等缺陷。

        圖2 同質(zhì)增材粉末熔覆金屬宏觀狀態(tài)

        圖3 異質(zhì)增材粉末熔覆金屬宏觀狀態(tài)

        Fe310、NiCrMo合金粉末熔覆金屬狀態(tài)如圖3所示。由圖3可知,F(xiàn)e310粉末和NiCrMo粉末的熔覆工藝性能好,熔覆完成后呈現(xiàn)光亮的金屬光澤。這是由于Fe310粉末和NiCrMo粉末均含有較高的Ni、Cr合金元素,熔覆金屬的抗氧化性強。此外,F(xiàn)e310粉末和NiCrMo粉末熔覆金屬的組織狀態(tài)為奧氏體組織(見圖4),熔覆過程中不易出現(xiàn)裂紋。因此,其熔覆工藝性能較好。

        圖4 異質(zhì)增材粉末熔覆金屬顯微組織狀態(tài)

        3.2 顯微硬度

        EA4T車軸經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理,具有較高的強韌性,硬度為230HV。不同成分填充粉末熔覆金屬顯微硬度對比情況如圖5所示。由圖5可知,EA4T、EA4T-1、EA4T-2粉末熔覆金屬的顯微硬度遠高于車軸基材。這是由于EA4T、EA4T-1、EA4T-2粉末碳當(dāng)量高,激光熔覆過程冷卻速度快,熔覆金屬形成了大量的淬硬馬氏體組織。EA4T-3、Fe310及NiCrMo合金粉末的顯微硬度與車軸基材相當(dāng),這是由于該三種合金粉末Ni含量均較高,Ni作為強奧氏體形成元素,能夠促進熔覆金屬奧氏體組織形成,進而降低硬度。

        圖5 熔覆金屬與基材硬度對比

        3.3 拉伸性能

        不同成分熔覆金屬拉伸性能對比情況如圖6所示。由于EA4T、EA4T-1、EA4T-2粉末的工藝性能較差,熔覆金屬無法制備拉伸力學(xué)性能試樣,因此未檢測其拉伸性能。由圖6可知,NiCrMo和Fe310粉末熔覆金屬的屈服強度、抗拉強度和伸長率均優(yōu)于車軸基材,且滿足BS EN 13261標(biāo)準(zhǔn)要求。EA4T-3粉末的屈服強度、抗拉強度和伸長率低于車軸基材,呈現(xiàn)典型的脆性斷裂,伸長率幾乎可以忽略。這是由于EA4T-3粉末熔覆金屬中存在大量的微裂紋缺陷(見圖7),微裂紋在拉應(yīng)力作用下迅速擴展導(dǎo)脆性斷裂。

        圖6 熔覆金屬拉伸性能對比

        圖7 EA4T-3粉末熔覆金屬裂紋狀態(tài)

        3.4 沖擊性能

        不同粉末熔覆金屬沖擊性能對比如圖8所示。由圖8可知,F(xiàn)e310和NiCrMo粉末熔覆金屬的沖擊性能優(yōu)于車軸基材,且滿足BS EN 13261標(biāo)準(zhǔn)要求。EA4T-3粉末熔覆金屬沖擊吸收能量僅為12J,遠低于車軸基材。

        4 車軸激光熔覆填充材料選型原則

        圖8 熔覆金屬沖擊性能對比

        激光熔覆過程是一個劇烈的、復(fù)雜的物理化學(xué)過程,能量密度高、冷卻速度快,熔覆金屬質(zhì)量和性能影響因素復(fù)雜,控制困難。除激光熔覆工藝窗口優(yōu)化控制外,激光熔覆填充材料的選型成為影響熔覆金屬質(zhì)量和性能的最主要因素。根據(jù)高速動車組車軸使用工況及性能要求,在激光熔覆填充材料設(shè)計及選型時,一般需考慮以下幾方面內(nèi)容。

        4.1 工藝性原則

        車軸激光熔覆再制造填充材料需具有良好的自熔性、潤濕性、抗氧化性和抗裂性,以提高填充材料激光熔覆的工藝性。填充材料合金元素一般應(yīng)包含Ni、Si、稀土元素,Ni作為強奧氏體形成元素,可以有效提高熔覆金屬的韌性、耐沖擊性和抗氧化性;Si元素作為脫氧劑具有造渣功能,優(yōu)先與填充材料或環(huán)境中的氧結(jié)合生成低熔點的硅酸鹽覆蓋在熔池表面,防止液態(tài)金屬過度氧化,從而改善熔覆金屬的自熔性、潤濕性和抗氧化性;填充材料添加適量稀土元素,一方面可增加形核率,細化熔覆金屬組織;另一方面凈化晶界,提高熔覆金屬強韌性。

        4.2 物理性能相近原則

        填充材料的熱膨脹系數(shù)需與車軸基材相近。高速動車組運行環(huán)境復(fù)雜,運行環(huán)境溫度為-25~45℃,填充材料熱膨脹系數(shù)與車軸基材相差過大時,在冷熱交變的運行環(huán)境下,熔覆層易發(fā)生脫落。

        填充材料熔點需與車軸基材相近。填充材料熔點過高時,為保證填充材料完全熔化需提高激光能量,一方面會導(dǎo)致車軸基材熱影響區(qū)增加,擴大車軸基材損傷程度;另一方面會使基材表面過度熔化導(dǎo)致熔覆層稀釋度增大,破壞熔覆層性能。填充材料熔點過低則會造成界面結(jié)合不良。

        4.3 力學(xué)性能相近原則

        高速動車組車軸與車輪連接,使用過程中受到車輪與軌道接觸產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞載荷,使用工況復(fù)雜,對強韌性要求高。為保證再制造車軸的使用性能,熔覆金屬硬度、彈性模量、屈服強度、沖擊韌度等力學(xué)性能需與車軸基材性能相近。熔覆金屬力學(xué)性能過高或過低,均會造成再制造車軸力學(xué)性能不連續(xù)。在性能突變位置易產(chǎn)生位錯等缺陷的堆積進而產(chǎn)生裂紋,使再制造車軸失效。

        5 結(jié)束語

        1)Fe310和NiCrMo異質(zhì)填充粉末自熔性、潤濕性、抗氧化性和抗裂性良好,硬度、抗拉強度、沖擊韌度等力學(xué)性能與車軸匹配,滿足BSEN 13261標(biāo)準(zhǔn)要求,工程應(yīng)用可行。

        2)高速動車組車軸激光熔覆再制造填充材料選型應(yīng)遵守工藝性原則、物理性能相近原則和力學(xué)性能相近原則。即填充材料成分應(yīng)包含Ni、Si或稀土元素,以提高熔覆金屬的工藝性能;填充材料的熱膨脹系數(shù)、熔點等物理性能需與車軸相近;填充材料的硬度、彈性模量、屈服強度、沖擊韌度等力學(xué)性能需與車軸相近。

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