【摘 要】
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煤矿开采常用的液压支架立柱长期处于复杂的工作环境中,易发生磨损失效和腐蚀失效。目前常用的电镀技术、热喷涂技术以及传统激光技术均存在着一定的局限性,由此兴起了一种新型高效环保的技术——激光高速熔覆技术。该技术熔覆速率极快,并且将热影响区缩小了 10倍,涂层厚度可控制在25μm～250μm之内,稀释率在5%以内。本研究基于实验室自主研发的“光内送粉”熔覆喷头,针对液压支架立柱常用的27SiMn钢材进行
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煤矿开采常用的液压支架立柱长期处于复杂的工作环境中,易发生磨损失效和腐蚀失效。目前常用的电镀技术、热喷涂技术以及传统激光技术均存在着一定的局限性,由此兴起了一种新型高效环保的技术——激光高速熔覆技术。该技术熔覆速率极快,并且将热影响区缩小了 10倍,涂层厚度可控制在25μm～250μm之内,稀释率在5%以内。本研究基于实验室自主研发的“光内送粉”熔覆喷头,针对液压支架立柱常用的27SiMn钢材进行涂层的制备,研究并分析涂层的工艺与组织性能变化规律,为激光高速熔覆技术在工业上的应用提供参考。基于中空环形激光建立光路分布理论模型,得到不同离焦量下光斑的形状和直径,将模型导入Tracepro软件对焦点处能量进行仿真并分析;建立粉末分布密度模型;对比不同粉管材质和粉管长度对粉束发散角和粉末分布密度的影响;针对实际工作环境选用高铬铁基合金粉末,对比不同粒径下的熔覆粉末对涂层的影响,确定最佳光粉耦合形式,作为激光光内送粉高速熔覆理论基础。通过单因素基础工艺实验,研究激光功率、离焦量、扫描速度、送粉量、偏移量对熔覆层形貌和稀释率的影响,采用正交试验探究各因素的交互影响,优化得到最佳工艺参数为:激光功率5000W、离焦量+3mm、扫描速度0.6m/s、送粉速率12.6g/min、偏移量0.22mm;在最佳工艺参数下所制备的涂层冶金结合良好,内部无明显孔洞、裂纹等缺陷,熔覆效率为0.62m2/h,平均面粗糙度Sa为8.9μm,涂层稀释率约为3.93%。对比激光高速熔覆涂层和传统熔覆涂层组织与性能的差异,涂层主要由体心立方结构的α-Fe组成,同时存在着Fe-Cr固溶体、（Fe,Ni）固溶体以及Ni-Cr-Fe固溶体。其中高速熔覆涂层整体组织更加细小,成分更为均匀,硬度约为传统熔覆涂层的1.2倍。经过摩擦磨损试验得到高速熔覆涂层的磨损机理主要为磨粒磨损,磨损率为0.248×10-5mm3/（N·m）,抗摩擦磨损性能优于传统熔覆涂层和27SiMn钢基材;采用电化学法检测耐腐蚀性能,结果表明两种工艺下的涂层耐腐蚀性能均优于27SiMn钢基材,而高速熔覆涂层的腐蚀电位约为0.040V,腐蚀电流密度为3.379×10-7A/cm2,容抗弧半径最大,耐腐蚀性能最好。研究结果表明,激光高速熔覆技术有效地提高了涂层的耐摩擦磨损性能和耐腐蚀性能。
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