凸轮轴激光增材制造梯度耐磨层研究范文

本站小编为你精心准备了凸轮轴激光增材制造梯度耐磨层研究参考范文，愿这些范文能点燃您思维的火花，激发您的写作灵感。欢迎深入阅读并收藏。

《Chinese Journal of Mechanical Engineering》2016年第5期

摘要：

为改善高压油泵凸轮轴的耐磨性能与工作可靠性，采用5kWCO2激光器、四轴联动数控机床及载气式同轴送粉系统等设备对复杂形貌高压油泵凸轮轴进行激光增材制造梯度耐磨涂层工艺研究。通过梯度耐磨涂层结构设计、凸轮边缘防塌陷工装研制与凸轮运动轨迹控制等关键技术的研究，实现了均匀无缺陷且凸轮边缘保护良好的高硬度梯度耐磨涂层的制备。同时，利用扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计及光学显微镜等分析、测试仪器对梯度耐磨涂层宏观形貌与微观组织进行表征。利用高压喷油泵试验台对激光增材制造与渗碳淬火处理凸轮轴进行使用寿命对比考核测试。结果表明，梯度涂层中主要由γ-Co固溶体、Co3B及M23C6等相组成；其中过渡层与耐磨层还存在WC与W2C形式的增强相，微观组织主要表现为灰白色共晶组织与深灰色枝晶组织；梯度涂层与基体形成良好的冶金结合；增材处理后的凸轮表面耐磨损性能明显提高，使用寿命较渗碳淬火凸轮轴提高约65%。

关键词：

激光增材制造；凸轮轴；梯度涂层；微观组织；耐磨性能

0前言

凸轮轴广泛应用于柴油发动机，由于节能减排的需要，新型发动机的重量在逐渐减轻，体积逐渐减小，凸轮轴所承受载荷逐渐增大，如常规车用凸轮轴载荷一般为100～120MPa，但对于新型高功率密度柴油机的凸轮轴载荷会达到180MPa，常规的渗碳淬火工艺已无法满足其使用需要，短周期内会出现粘着磨损、疲劳点蚀与表面剥落等失效形式，从而影响发动机的使用寿命。因此，大幅度提高凸轮轴凸轮表面耐磨性能是迫切需要解决的问题。为提高凸轮轴的使用寿命，已有部分研究人员针对其表面强化方法进行了研究。如王大承与李双寿等[1-2]对凸轮轴进行了激光相变硬化与激光熔凝处理的研究。卢求元等[3]在发动机凸轮表面分别制备类金刚石和CrTiAlN两种耐磨减摩薄膜。虽然以上研究对凸轮轴凸轮表面性能都实现了不同程度的改善，但受到材料本身性能与镀膜厚度的限制，较难实现凸轮表面性能的大幅提高。采用激光增材制造技术可在零件表面熔融堆积性能优良的金属材料，使零部件表面性能得到显著增强[4-10]。同时，由于凸轮表面属于复杂回转体曲面，因此在实现凸轮运动轨迹控制与涂层裂纹消除以及涂层厚度均匀性等方面存在难题，并且在增材过程中凸轮边缘可能出现塌陷现象，对后续精加工带来不利影响。为此，沈斌等[11-12]研究了凸轮激光熔覆的轨迹控制及熔覆层厚度的可控性与均匀性。虽然解决了凸轮熔覆层均匀性的问题，但涂层厚度只有1mm且凸轮轮廓复杂程度不高。综上所述，针对凸轮表面激光熔覆处理的研究主要集中在低厚度涂层的制备。有关凸轮表面激光增材制备高厚度耐磨涂层的研究较少。论文以载荷180MPa高压油泵凸轮轴为研究对象，研究在复杂结构凸轮表面增材制造梯度耐磨层，提高凸轮轴耐磨性能与工作可靠性。在实际应用中具有较大的经济意义和实用价值，对其他复杂曲面零件表面增材加工具有参考价值。

1试验材料及方法

1.1试验材料

凸轮轴材料为40CrMnTi，调质处理，硬度为35HRC，如图1所示，两个互呈60°错开的三角形凸轮为待处理部位。凸轮桃部尺寸单边减小2.5mm加工，其余部位按原工艺预留0.2mm余量。试验用Co50合金粉末，粒度为45～109μm，熔点1100℃，其化学成分质量分数为：wCr=21.6%，wNi=10.4%，wSi=1.8%，wB=2.55%，wC=0.1%，wW=5.62%，Co余量。Ni/WC粉末粒度为45～109μm。其化学成分质量分数为：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。稀土选用纯度为99.9%的CeO2粉末。

1.2激光增材制造装置及增材过程

增材制造试验在SLC-X15×30型四轴联动数控激光加工机上进行，凸轮轴装夹在转台上以实现旋转运动，工作台实现X-Y-Z三轴移动，如图2所示。激光发生器采用德国RofinDC050型CO2激光器，波长10.6μm，光束模式为TEM00，光束质量因数k≥0.9，激光束经反射聚焦后，离焦照射在凸轮表面，光斑直径4mm。采用同轴送粉头实现与激光同轴送粉方式完成增材制造过程。选用两台载气式送粉器为同轴送粉头供粉，送粉转速0.5～0.9r/s，载粉气体为氩气，送粉气体流量为700L/h，同轴送粉头通氩气作为保护气体，气体流量为14L/min。增材制造试验前采用400#砂纸对凸轮表面进行毛化处理并用丙酮清洗。为减小增材过程中的开裂倾向，试验开始前将凸轮轴在加热炉中300～350℃保温1h。激光增材制造后将凸轮轴再次放入300～350℃的加热炉中保温2h后随炉冷却至室温。

1.3激光增材分析试样的制备及测试方法

将激光增材制造后的凸轮轴经切割、镶嵌、研磨、抛光与腐蚀后制成微观分析试样。腐蚀液采用体积比为3∶1的HCl与HNO3溶液。利用ME61光学显微镜拍摄梯度涂层横截面形貌。在JSM-6510F型扫描电镜下拍摄梯度涂层的微观组织形貌，其加速电压为20kV。采用XRD-6000型X射线衍射仪进行物相分析，选用铜靶和石墨滤波片，工作电压为50kV，工作电流为300mA。显微硬度测试在MH-60显微硬度测量仪上进行，载荷质量200g，加载时间10s。

1.4凸轮耐磨性能分析设备及测试方法

采用德国BOSCHEPS30kW高压喷油泵试验台与法国EFS高压共轨控制系统对激光增材制造与渗碳淬火凸轮轴进行使用寿命对比考核测试。测试以10h为试验周期，停试验台20min，检验凸轮磨损情况，若凸轮出现磨损，则立即停止试验，并进行检测与判断。测试依据GB/T25365.1-2010柴油机电控共轨喷油系统总成与GB/T25368-2010柴油机电控共轨喷油系统高压供油泵总成。

2激光增材梯度涂层设计

激光增材制造高厚度、高硬度耐磨涂层极易产生裂纹及缺陷[13-16]。为此，通过采用材料成分渐变的梯度涂层结构，来实现凸轮表面增材制造无裂纹与缺陷的梯度耐磨层。由于Co50合金粉末具有较高的硬度与耐磨性能且韧性与润湿性较好，故梯度耐磨涂层采用Co50为主体成分，通过在Co50中添加不同含量的稀土与WC颗粒增强相来实现梯度过渡。梯度层设计为一层0.4mm的连接层、两层各0.8mm的过渡层及最外一层1mm的耐磨层结构(图3)。连接层起到实现增材制造层与基体有效连接的作用，该层直接采用Co50选用30%的大稀释率来实现。这样既可保证增材制造层与基体形成有效牢固的冶金结合，又因较大的稀释率可使连接层与基体的热胀系数趋于接近，减小开裂倾向。前期研究表明，稀土含量在0.1%左右时，可细化晶粒并控制涂层无裂纹产生[17]。考虑30%稀释率的影响，连接层添加0.14%的稀土元素，进一步提高其韧性；两层过渡层分别采用Co50+0.1%CeO2+3%Ni/WC与Co50+0.1%CeO2+5%Ni/WC两种成分结构，过渡层b与过渡层c的稀释率分别选用20%与10%，有效起到承上启下的作用；最外一层耐磨层采用Co50+0.1%CeO2+10%Ni/WC成分，稀释率控制在5%以下，采用较小的热输入，避免WC颗粒过量熔融降低最外层的耐磨性能并增加涂层开裂倾向。该层设计厚度为1mm，以确保在精磨加工后耐磨层厚度在0.5mm以上。经工艺优化试验得到各层激光增材制造工艺参数为：连接层，激光功率为2000W，扫描速度为270mm/min，送粉率为3.24g/min；过渡层b，激光功率为1800W，扫描速度为320mm/min，送粉率为5.62g/min；过渡层c，激光功率为1700W，扫描速度为300mm/min，送粉率为5.62g/min；耐磨层，激光功率1900W，扫描速度350mm/min，送粉率7.65g/min。各层工艺光斑直径均为4mm，搭接率均采用50%。

3凸轮边缘防塌陷夹具设计

增材制造过程中，凸轮边缘在激光作用下与粉末同时受热熔化，熔融的金属液体会向凸轮侧壁下方流动，从而产生边缘塌陷现象，影响后续加工与成品使用性能[18]。为解决这一问题，在凸轮两侧分别安装材质为纯铜的保护套，如图4所示。由于纯铜在增材制造过程中不易与基体和粉末互溶，有效限制了熔融金属液体的流动性，使其无法流向凸轮侧壁，从而保护凸轮边缘形状完好。该方法简便易行且保护效果良好。

4结果分析

4.1凸轮轴激光增材制造

按前述梯度涂层设计方案与优化后的工艺参数，采用凸轮边缘防塌陷夹具并根据凸轮运动控制方法在激光加工机上进行激光增材制造试验，如图7a所示。图7b为激光增材制造后凸轮轴宏观形貌，凸轮外形尺寸良好，梯度层表面光洁平整，便于后续的精磨加工。将图7b所示凸轮轴表面精磨加工后得到如图7c所示的凸轮轴成品件。如图7d所示，梯度涂层均匀性良好，厚度约为2.5mm。

4.2梯度涂层微观形貌分析

图8为梯度涂层横截面形貌，由图8可见，梯度层无气孔、裂纹产生。连接层与基体以及各梯度层之间结合界面良好，其中过渡层与耐磨层中离散分布着多棱角形态的WC颗粒。精磨加工后形成的凸轮表面位于耐磨层中部，耐磨性能良好。图9为梯度涂层显微硬度分布。如图9所示，显微硬度由耐磨层表面至基体逐渐下降，耐磨层平均显微硬度达690HV，耐磨层表面向下0.6mm处硬度约为720HV。因此，为保证磨削后耐磨层表面具有较高硬度，磨削量应控制在0.6mm左右。过渡层与连接层由于WC质量分数逐渐减少以及回火作用，硬度逐渐降低。图10为基体与连接层交界处微观组织形态。连接层与基体结合界面处形成了一条宽约为4μm的白亮窄带。连接层由下至上依次形成平面晶、柱状晶与树枝晶。由于连接层与基体结合面位置的熔池过冷度小、温度梯度G较高且凝固速率R较低，在界面处形成平面晶结构。随着界面以上的温度梯度G减小与凝固速率R增大，柱状晶逐渐形成。随着G/R值继续减小，熔体过冷度不断增大，晶体结构向树枝晶转变[19]。图11为梯度涂层X射线衍射图谱。经标定发现，连接层主要由γ-Co固溶体、Co3B及M23C6等相组成。而过渡层与耐磨层除上述物相外，还发现了WC与W2C两相。两相在耐磨层中的衍射峰强度明显高于过渡层，说明耐磨层中WC与W2C的质量分数高于过渡层，说明形成了良好的梯度过渡。W2C主要是由WC部分分解产生，两相的存在提高涂层硬度的同时，会显著地提高表层的耐磨性能。图12为梯度涂层扫描电镜微观组织形貌。各梯度层由灰白色共晶与深灰色枝晶组织组成。连接层a、过渡层b和c与耐磨层d中灰白色共晶数量依次减少。由于WC与CeO2具有阻碍晶粒长大的作用，梯度涂层的晶粒随各层WC与CeO2含量的增加而逐渐细化。增材过程中过渡层c对过渡层b产生回火作用，进而导致过渡层b出现晶粒粗化现象。图13为梯度涂层中WC的SEM微观组织形貌及W元素面扫描图谱。图13a为梯度涂层内部的WC颗粒以边缘部分扩散熔解的方式存在。由于梯度涂层中WC在高温下只是部分边缘熔解，其周围形成细小的共晶组织，这样既保证了WC颗粒在梯度涂层内的结合强度，又有效地起到了耐磨的作用，同时又减小了裂纹开裂倾向。对图13a中WC颗粒中心及周边位置的A、B、C点进行EDS能谱检测，其结果见表2。由表2所示的各元素原子分数可知，图13a所示的颗粒为WC，边缘发生部分熔解，近颗粒区域(B点)除了WC，开始出现Co的分布，稍远区域(C点)出现了W2C分布，同时Co的百分比剧增。图13b为W元素EDS面扫描图，进一步说明WC颗粒在边缘熔解时W逐渐向涂层区域扩散并与Co元素发生互溶。弥散分布的WC颗粒与WC、W2C增强相使梯度涂层的耐磨性得到显著提高。

4.3耐磨性能测试

在高压喷油泵试验台上对三对渗碳淬火与激光增材制造凸轮轴进行使用寿命对比考核测试，如图14所示，两种凸轮轴分别装在两台泵体中，同周期对比考核。轮轴平均使用寿命约为76h，而激光增材制造凸轮轴平均使用寿命约为126h，激光增材制造凸轮轴较渗碳淬火凸轮轴使用寿命提高约65%。三对凸轮轴的考核寿命如图15所示。表明激光增材制造梯度耐磨层具有优异的耐磨性能与承受高载荷的能力。图16为渗碳淬火与激光增材制造凸轮轴失效后凸轮表面的磨痕形貌对比图片。由图16可见，渗碳淬火与激光增材制造凸轮轴凸轮表面均出现条状磨痕。其中渗碳淬火凸轮轴的凸轮表面磨痕较宽，而激光增材制造的凸轮表面仅有少量窄而浅的磨痕。表明激光增材制造后凸轮轴的使用寿命得到明显提高。综上所述，通过多层激光沉积工艺控制与WC耐磨硬质颗粒的梯次分布，实现了激光沉积层显微硬度的梯度分布，既保证了最外层具有优良的耐磨性能、中间过渡层具有良好的承载与承接功能、底层具有优异的连接性能，同时又有效解决了高硬度高厚度激光增材制造耐磨层裂纹产生难题。细密的耐磨层微观组织与内嵌的边缘部分熔解WC硬质颗粒，为使表层具有优异耐磨性能提供了可靠与有效的保障。大稀释率的底层激光沉积工艺，使高硬度的激光增材制造层与低硬度的母材可靠连接。这些相互影响与关联的因素综合在一起，使激光增材制造梯度耐磨层凸轮轴在后续的燃油喷射试验台可靠性测试过程中，表现出优异的使用寿命。

5结论

(1)通过采用梯度涂层结构、凸轮边缘防塌陷夹具与凸轮运动控制方法实现凸轮表面梯度耐磨涂层的激光增材制造研究。梯度涂层成形良好、厚度均匀且凸轮边缘未发生塌陷现象。

(2)梯度涂层中主要由γ-Co固溶体、Co3B及M23C6等相组成。其中过渡层与耐磨层还出现WC与W2C相。微观组织主要表现为灰白色共晶组织与深灰色枝晶组织。梯度涂层与基体形成良好的冶金结合。

(3)激光增材制造后的凸轮表面耐磨损性能明显提高，使用寿命较渗碳淬火凸轮轴提高约65%。

参考文献：

[1]王大承.HT300摩托车凸轮轴激光表面强化处理研究[J].激光技术，2002，26(6)：474-477.

[2]李双寿，陆劲昆，边庆月等.球墨铸铁凸轮轴的激光表面熔凝处理[J].金属热处理，2005，30(2)：4-8.

[3]卢求元，赵俊平.发动机凸轮表面耐磨减摩薄膜的制备与表征[J].金属热处理，2015，40(6)：171-174.

[5]石岩，张宏，刘双宇，等.高硬度多微孔小型零件激光表面精密熔覆钴基合金涂层提高耐冲蚀性能研究[J].机械工程学报，2011，47(2)：95-101.

[7]张国栋，杨辉，王麒瑜，等.铁素体不锈钢激光熔覆层组织和性能研究[J].机械工程学报，2016，52(12)：37-45.

[8]赵彦华，孙杰，李剑峰，等.KMN钢激光熔覆FeCr合金修复层组织性能及耐磨、耐蚀性研究[J].机械工程学报，2015，51(8)：37-43.

[9]王新洪，张敏，邹增大，等.激光熔覆TiCpNi基合金复合涂层的显微组织与性能[J].机械工程学报，2003，39(2)：37-41.

[11]沈斌，闫广超，吴钢.复杂盘形凸轮表面激光熔覆工艺[J].中国激光，2009，36(1)：244-248.

[12]董世运，张晓东，徐滨士，等.45钢凸轮轴磨损凸轮的激光熔覆再制造[J].装甲兵工程学院学报，2011，25(2)：85-87.

[13]宋建丽，邓琦林，陈畅源，等.宽带激光熔覆高硬度火焰喷涂层组织和裂纹行为[J].机械工程学报，2006，42(12)：169-174.

[14]余廷，邓琦林，董刚，等.钽对激光熔覆镍基涂层的裂纹敏感性及力学性能的影响[J].机械工程学报，2011，47(22)：25-30.

[15]陈列，陶然，刘顿，等.斜齿面激光熔覆的开裂倾向分析及控制研究[J].中国激光，2014，41(11)：1-7.

[17]张栋栋.高硬度激光熔覆层裂纹的产生机理及控制方法研究[D].长春：长春理工大学，2013.

[18]陈列，谢沛霖.齿面激光熔覆中的防边缘塌陷工艺研究[J].激光技术，2007，31(5)：518-521.

[19]袁庆龙，冯旭东，曹晶晶，等.激光熔覆镍基合金涂层微观组织研究[J].中国激光，2010，37(8)：2116-2120.

作者:石岩 李云峰 刘佳 袁振玉 单位:长春理工大学机电工程学院