凸輪軸激光增材制造梯度耐磨層研究范文

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《Chinese Journal of Mechanical Engineering》2016年第5期

摘要：

為改善高壓油泵凸輪軸的耐磨性能與工作可靠性，采用5kWCO2激光器、四軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床及載氣式同軸送粉系統(tǒng)等設(shè)備對復(fù)雜形貌高壓油泵凸輪軸進(jìn)行激光增材制造梯度耐磨涂層工藝研究。通過梯度耐磨涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、凸輪邊緣防塌陷工裝研制與凸輪運(yùn)動軌跡控制等關(guān)鍵技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了均勻無缺陷且凸輪邊緣保護(hù)良好的高硬度梯度耐磨涂層的制備。同時，利用掃描電鏡、X射線衍射儀、顯微硬度計(jì)及光學(xué)顯微鏡等分析、測試儀器對梯度耐磨涂層宏觀形貌與微觀組織進(jìn)行表征。利用高壓噴油泵試驗(yàn)臺對激光增材制造與滲碳淬火處理凸輪軸進(jìn)行使用壽命對比考核測試。結(jié)果表明，梯度涂層中主要由γ-Co固溶體、Co3B及M23C6等相組成；其中過渡層與耐磨層還存在WC與W2C形式的增強(qiáng)相，微觀組織主要表現(xiàn)為灰白色共晶組織與深灰色枝晶組織；梯度涂層與基體形成良好的冶金結(jié)合；增材處理后的凸輪表面耐磨損性能明顯提高，使用壽命較滲碳淬火凸輪軸提高約65%。

關(guān)鍵詞：

激光增材制造；凸輪軸；梯度涂層；微觀組織；耐磨性能

0前言

凸輪軸廣泛應(yīng)用于柴油發(fā)動機(jī)，由于節(jié)能減排的需要，新型發(fā)動機(jī)的重量在逐漸減輕，體積逐漸減小，凸輪軸所承受載荷逐漸增大，如常規(guī)車用凸輪軸載荷一般為100～120MPa，但對于新型高功率密度柴油機(jī)的凸輪軸載荷會達(dá)到180MPa，常規(guī)的滲碳淬火工藝已無法滿足其使用需要，短周期內(nèi)會出現(xiàn)粘著磨損、疲勞點(diǎn)蝕與表面剝落等失效形式，從而影響發(fā)動機(jī)的使用壽命。因此，大幅度提高凸輪軸凸輪表面耐磨性能是迫切需要解決的問題。為提高凸輪軸的使用壽命，已有部分研究人員針對其表面強(qiáng)化方法進(jìn)行了研究。如王大承與李雙壽等[1-2]對凸輪軸進(jìn)行了激光相變硬化與激光熔凝處理的研究。盧求元等[3]在發(fā)動機(jī)凸輪表面分別制備類金剛石和CrTiAlN兩種耐磨減摩薄膜。雖然以上研究對凸輪軸凸輪表面性能都實(shí)現(xiàn)了不同程度的改善，但受到材料本身性能與鍍膜厚度的限制，較難實(shí)現(xiàn)凸輪表面性能的大幅提高。采用激光增材制造技術(shù)可在零件表面熔融堆積性能優(yōu)良的金屬材料，使零部件表面性能得到顯著增強(qiáng)[4-10]。同時，由于凸輪表面屬于復(fù)雜回轉(zhuǎn)體曲面，因此在實(shí)現(xiàn)凸輪運(yùn)動軌跡控制與涂層裂紋消除以及涂層厚度均勻性等方面存在難題，并且在增材過程中凸輪邊緣可能出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象，對后續(xù)精加工帶來不利影響。為此，沈斌等[11-12]研究了凸輪激光熔覆的軌跡控制及熔覆層厚度的可控性與均勻性。雖然解決了凸輪熔覆層均勻性的問題，但涂層厚度只有1mm且凸輪輪廓復(fù)雜程度不高。綜上所述，針對凸輪表面激光熔覆處理的研究主要集中在低厚度涂層的制備。有關(guān)凸輪表面激光增材制備高厚度耐磨涂層的研究較少。論文以載荷180MPa高壓油泵凸輪軸為研究對象，研究在復(fù)雜結(jié)構(gòu)凸輪表面增材制造梯度耐磨層，提高凸輪軸耐磨性能與工作可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中具有較大的經(jīng)濟(jì)意義和實(shí)用價值，對其他復(fù)雜曲面零件表面增材加工具有參考價值。

1試驗(yàn)材料及方法

1.1試驗(yàn)材料

凸輪軸材料為40CrMnTi，調(diào)質(zhì)處理，硬度為35HRC，如圖1所示，兩個互呈60°錯開的三角形凸輪為待處理部位。凸輪桃部尺寸單邊減小2.5mm加工，其余部位按原工藝預(yù)留0.2mm余量。試驗(yàn)用Co50合金粉末，粒度為45～109μm，熔點(diǎn)1100℃，其化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：wCr=21.6%，wNi=10.4%，wSi=1.8%，wB=2.55%，wC=0.1%，wW=5.62%，Co余量。Ni/WC粉末粒度為45～109μm。其化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：wC=1.5%～3.0%，wB=1.5%～3.5%，wSi=1.0%～4.0%，wFe<14%，wCr=8.0%～12.0%，wW=5.62%，Ni余量。稀土選用純度為99.9%的CeO2粉末。

1.2激光增材制造裝置及增材過程

增材制造試驗(yàn)在SLC-X15×30型四軸聯(lián)動數(shù)控激光加工機(jī)上進(jìn)行，凸輪軸裝夾在轉(zhuǎn)臺上以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，工作臺實(shí)現(xiàn)X-Y-Z三軸移動，如圖2所示。激光發(fā)生器采用德國RofinDC050型CO2激光器，波長10.6μm，光束模式為TEM00，光束質(zhì)量因數(shù)k≥0.9，激光束經(jīng)反射聚焦后，離焦照射在凸輪表面，光斑直徑4mm。采用同軸送粉頭實(shí)現(xiàn)與激光同軸送粉方式完成增材制造過程。選用兩臺載氣式送粉器為同軸送粉頭供粉，送粉轉(zhuǎn)速0.5～0.9r/s，載粉氣體為氬氣，送粉氣體流量為700L/h，同軸送粉頭通氬氣作為保護(hù)氣體，氣體流量為14L/min。增材制造試驗(yàn)前采用400#砂紙對凸輪表面進(jìn)行毛化處理并用丙酮清洗。為減小增材過程中的開裂傾向，試驗(yàn)開始前將凸輪軸在加熱爐中300～350℃保溫1h。激光增材制造后將凸輪軸再次放入300～350℃的加熱爐中保溫2h后隨爐冷卻至室溫。

1.3激光增材分析試樣的制備及測試方法

將激光增材制造后的凸輪軸經(jīng)切割、鑲嵌、研磨、拋光與腐蝕后制成微觀分析試樣。腐蝕液采用體積比為3∶1的HCl與HNO3溶液。利用ME61光學(xué)顯微鏡拍攝梯度涂層橫截面形貌。在JSM-6510F型掃描電鏡下拍攝梯度涂層的微觀組織形貌，其加速電壓為20kV。采用XRD-6000型X射線衍射儀進(jìn)行物相分析，選用銅靶和石墨濾波片，工作電壓為50kV，工作電流為300mA。顯微硬度測試在MH-60顯微硬度測量儀上進(jìn)行，載荷質(zhì)量200g，加載時間10s。

1.4凸輪耐磨性能分析設(shè)備及測試方法

采用德國BOSCHEPS30kW高壓噴油泵試驗(yàn)臺與法國EFS高壓共軌控制系統(tǒng)對激光增材制造與滲碳淬火凸輪軸進(jìn)行使用壽命對比考核測試。測試以10h為試驗(yàn)周期，停試驗(yàn)臺20min，檢驗(yàn)凸輪磨損情況，若凸輪出現(xiàn)磨損，則立即停止試驗(yàn)，并進(jìn)行檢測與判斷。測試依據(jù)GB/T25365.1-2010柴油機(jī)電控共軌噴油系統(tǒng)總成與GB/T25368-2010柴油機(jī)電控共軌噴油系統(tǒng)高壓供油泵總成。

2激光增材梯度涂層設(shè)計(jì)

激光增材制造高厚度、高硬度耐磨涂層極易產(chǎn)生裂紋及缺陷[13-16]。為此，通過采用材料成分漸變的梯度涂層結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)凸輪表面增材制造無裂紋與缺陷的梯度耐磨層。由于Co50合金粉末具有較高的硬度與耐磨性能且韌性與潤濕性較好，故梯度耐磨涂層采用Co50為主體成分，通過在Co50中添加不同含量的稀土與WC顆粒增強(qiáng)相來實(shí)現(xiàn)梯度過渡。梯度層設(shè)計(jì)為一層0.4mm的連接層、兩層各0.8mm的過渡層及最外一層1mm的耐磨層結(jié)構(gòu)(圖3)。連接層起到實(shí)現(xiàn)增材制造層與基體有效連接的作用，該層直接采用Co50選用30%的大稀釋率來實(shí)現(xiàn)。這樣既可保證增材制造層與基體形成有效牢固的冶金結(jié)合，又因較大的稀釋率可使連接層與基體的熱脹系數(shù)趨于接近，減小開裂傾向。前期研究表明，稀土含量在0.1%左右時，可細(xì)化晶粒并控制涂層無裂紋產(chǎn)生[17]?？紤]30%稀釋率的影響，連接層添加0.14%的稀土元素，進(jìn)一步提高其韌性；兩層過渡層分別采用Co50+0.1%CeO2+3%Ni/WC與Co50+0.1%CeO2+5%Ni/WC兩種成分結(jié)構(gòu)，過渡層b與過渡層c的稀釋率分別選用20%與10%，有效起到承上啟下的作用；最外一層耐磨層采用Co50+0.1%CeO2+10%Ni/WC成分，稀釋率控制在5%以下，采用較小的熱輸入，避免WC顆粒過量熔融降低最外層的耐磨性能并增加涂層開裂傾向。該層設(shè)計(jì)厚度為1mm，以確保在精磨加工后耐磨層厚度在0.5mm以上。經(jīng)工藝優(yōu)化試驗(yàn)得到各層激光增材制造工藝參數(shù)為：連接層，激光功率為2000W，掃描速度為270mm/min，送粉率為3.24g/min；過渡層b，激光功率為1800W，掃描速度為320mm/min，送粉率為5.62g/min；過渡層c，激光功率為1700W，掃描速度為300mm/min，送粉率為5.62g/min；耐磨層，激光功率1900W，掃描速度350mm/min，送粉率7.65g/min。各層工藝光斑直徑均為4mm，搭接率均采用50%。

3凸輪邊緣防塌陷夾具設(shè)計(jì)

增材制造過程中，凸輪邊緣在激光作用下與粉末同時受熱熔化，熔融的金屬液體會向凸輪側(cè)壁下方流動，從而產(chǎn)生邊緣塌陷現(xiàn)象，影響后續(xù)加工與成品使用性能[18]。為解決這一問題，在凸輪兩側(cè)分別安裝材質(zhì)為純銅的保護(hù)套，如圖4所示。由于純銅在增材制造過程中不易與基體和粉末互溶，有效限制了熔融金屬液體的流動性，使其無法流向凸輪側(cè)壁，從而保護(hù)凸輪邊緣形狀完好。該方法簡便易行且保護(hù)效果良好。

4結(jié)果分析

4.1凸輪軸激光增材制造

按前述梯度涂層設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化后的工藝參數(shù)，采用凸輪邊緣防塌陷夾具并根據(jù)凸輪運(yùn)動控制方法在激光加工機(jī)上進(jìn)行激光增材制造試驗(yàn)，如圖7a所示。圖7b為激光增材制造后凸輪軸宏觀形貌，凸輪外形尺寸良好，梯度層表面光潔平整，便于后續(xù)的精磨加工。將圖7b所示凸輪軸表面精磨加工后得到如圖7c所示的凸輪軸成品件。如圖7d所示，梯度涂層均勻性良好，厚度約為2.5mm。

4.2梯度涂層微觀形貌分析

圖8為梯度涂層橫截面形貌，由圖8可見，梯度層無氣孔、裂紋產(chǎn)生。連接層與基體以及各梯度層之間結(jié)合界面良好，其中過渡層與耐磨層中離散分布著多棱角形態(tài)的WC顆粒。精磨加工后形成的凸輪表面位于耐磨層中部，耐磨性能良好。圖9為梯度涂層顯微硬度分布。如圖9所示，顯微硬度由耐磨層表面至基體逐漸下降，耐磨層平均顯微硬度達(dá)690HV，耐磨層表面向下0.6mm處硬度約為720HV。因此，為保證磨削后耐磨層表面具有較高硬度，磨削量應(yīng)控制在0.6mm左右。過渡層與連接層由于WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少以及回火作用，硬度逐漸降低。圖10為基體與連接層交界處微觀組織形態(tài)。連接層與基體結(jié)合界面處形成了一條寬約為4μm的白亮窄帶。連接層由下至上依次形成平面晶、柱狀晶與樹枝晶。由于連接層與基體結(jié)合面位置的熔池過冷度小、溫度梯度G較高且凝固速率R較低，在界面處形成平面晶結(jié)構(gòu)。隨著界面以上的溫度梯度G減小與凝固速率R增大，柱狀晶逐漸形成。隨著G/R值繼續(xù)減小，熔體過冷度不斷增大，晶體結(jié)構(gòu)向樹枝晶轉(zhuǎn)變[19]。圖11為梯度涂層X射線衍射圖譜。經(jīng)標(biāo)定發(fā)現(xiàn)，連接層主要由γ-Co固溶體、Co3B及M23C6等相組成。而過渡層與耐磨層除上述物相外，還發(fā)現(xiàn)了WC與W2C兩相。兩相在耐磨層中的衍射峰強(qiáng)度明顯高于過渡層，說明耐磨層中WC與W2C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于過渡層，說明形成了良好的梯度過渡。W2C主要是由WC部分分解產(chǎn)生，兩相的存在提高涂層硬度的同時，會顯著地提高表層的耐磨性能。圖12為梯度涂層掃描電鏡微觀組織形貌。各梯度層由灰白色共晶與深灰色枝晶組織組成。連接層a、過渡層b和c與耐磨層d中灰白色共晶數(shù)量依次減少。由于WC與CeO2具有阻礙晶粒長大的作用，梯度涂層的晶粒隨各層WC與CeO2含量的增加而逐漸細(xì)化。增材過程中過渡層c對過渡層b產(chǎn)生回火作用，進(jìn)而導(dǎo)致過渡層b出現(xiàn)晶粒粗化現(xiàn)象。圖13為梯度涂層中WC的SEM微觀組織形貌及W元素面掃描圖譜。圖13a為梯度涂層內(nèi)部的WC顆粒以邊緣部分?jǐn)U散熔解的方式存在。由于梯度涂層中WC在高溫下只是部分邊緣熔解，其周圍形成細(xì)小的共晶組織，這樣既保證了WC顆粒在梯度涂層內(nèi)的結(jié)合強(qiáng)度，又有效地起到了耐磨的作用，同時又減小了裂紋開裂傾向。對圖13a中WC顆粒中心及周邊位置的A、B、C點(diǎn)進(jìn)行EDS能譜檢測，其結(jié)果見表2。由表2所示的各元素原子分?jǐn)?shù)可知，圖13a所示的顆粒為WC，邊緣發(fā)生部分熔解，近顆粒區(qū)域(B點(diǎn))除了WC，開始出現(xiàn)Co的分布，稍遠(yuǎn)區(qū)域(C點(diǎn))出現(xiàn)了W2C分布，同時Co的百分比劇增。圖13b為W元素EDS面掃描圖，進(jìn)一步說明WC顆粒在邊緣熔解時W逐漸向涂層區(qū)域擴(kuò)散并與Co元素發(fā)生互溶。彌散分布的WC顆粒與WC、W2C增強(qiáng)相使梯度涂層的耐磨性得到顯著提高。

4.3耐磨性能測試

在高壓噴油泵試驗(yàn)臺上對三對滲碳淬火與激光增材制造凸輪軸進(jìn)行使用壽命對比考核測試，如圖14所示，兩種凸輪軸分別裝在兩臺泵體中，同周期對比考核。輪軸平均使用壽命約為76h，而激光增材制造凸輪軸平均使用壽命約為126h，激光增材制造凸輪軸較滲碳淬火凸輪軸使用壽命提高約65%。三對凸輪軸的考核壽命如圖15所示。表明激光增材制造梯度耐磨層具有優(yōu)異的耐磨性能與承受高載荷的能力。圖16為滲碳淬火與激光增材制造凸輪軸失效后凸輪表面的磨痕形貌對比圖片。由圖16可見，滲碳淬火與激光增材制造凸輪軸凸輪表面均出現(xiàn)條狀磨痕。其中滲碳淬火凸輪軸的凸輪表面磨痕較寬，而激光增材制造的凸輪表面僅有少量窄而淺的磨痕。表明激光增材制造后凸輪軸的使用壽命得到明顯提高。綜上所述，通過多層激光沉積工藝控制與WC耐磨硬質(zhì)顆粒的梯次分布，實(shí)現(xiàn)了激光沉積層顯微硬度的梯度分布，既保證了最外層具有優(yōu)良的耐磨性能、中間過渡層具有良好的承載與承接功能、底層具有優(yōu)異的連接性能，同時又有效解決了高硬度高厚度激光增材制造耐磨層裂紋產(chǎn)生難題。細(xì)密的耐磨層微觀組織與內(nèi)嵌的邊緣部分熔解WC硬質(zhì)顆粒，為使表層具有優(yōu)異耐磨性能提供了可靠與有效的保障。大稀釋率的底層激光沉積工藝，使高硬度的激光增材制造層與低硬度的母材可靠連接。這些相互影響與關(guān)聯(lián)的因素綜合在一起，使激光增材制造梯度耐磨層凸輪軸在后續(xù)的燃油噴射試驗(yàn)臺可靠性測試過程中，表現(xiàn)出優(yōu)異的使用壽命。

5結(jié)論

(1)通過采用梯度涂層結(jié)構(gòu)、凸輪邊緣防塌陷夾具與凸輪運(yùn)動控制方法實(shí)現(xiàn)凸輪表面梯度耐磨涂層的激光增材制造研究。梯度涂層成形良好、厚度均勻且凸輪邊緣未發(fā)生塌陷現(xiàn)象。

(2)梯度涂層中主要由γ-Co固溶體、Co3B及M23C6等相組成。其中過渡層與耐磨層還出現(xiàn)WC與W2C相。微觀組織主要表現(xiàn)為灰白色共晶組織與深灰色枝晶組織。梯度涂層與基體形成良好的冶金結(jié)合。

(3)激光增材制造后的凸輪表面耐磨損性能明顯提高，使用壽命較滲碳淬火凸輪軸提高約65%。

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作者:石巖 李云峰 劉佳 袁振玉 單位:長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院