材料工程  2019, Vol. 47 Issue (11): 43-52   PDF    
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001149
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张斌, 陈岁元, 梁京, 刘常升, 崔彤, 王玫
ZHANG Bin, CHEN Sui-yuan, LIANG Jing, LIU Chang-sheng, CUI Tong, WANG Mei
短应力线轧机激光再制造现状及发展趋势
Current status and development trend of laser remanufacturing of short stress path rolling mill
材料工程, 2019, 47(11): 43-52
Journal of Materials Engineering, 2019, 47(11): 43-52.
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001149

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收稿日期: 2018-09-29
修订日期: 2019-07-20
短应力线轧机激光再制造现状及发展趋势
张斌1 , 陈岁元1 , 梁京1 , 刘常升1 , 崔彤1 , 王玫2     
1. 东北大学 材料科学与工程学院 材料各向异性与织构教育部重点实验室, 沈阳 110819;
2. 沈阳大陆激光技术有限公司, 沈阳 110136
摘要: 短应力线轧机是钢铁制造行业大规模使用的机电一体化设备。我国是世界上废旧轧机保有量最大的国家,大部分轧机都因在高温、高湿、微动磨损恶劣环境下服役而导致轧机系统精度下降,失效报废。同时,废旧报废状态的轧机占用企业大量的存储和场地资源,闲置轧机的自然腐蚀将会造成严重的环境污染。激光再制造技术是一种新型高效绿色的轧机修复再制造技术,本文总结了短应力线轧机主要失效方式和激光再制造技术的应用概况。从轧机工况分析、失效机理、材料设计等方面详细评述了短应力线轧机激光再制造存在的主要问题,以及针对这些问题开展的国内外相关研究工作和最新发展动态。在此基础上,指出设计轧机激光再制造专用材料、研发激光再制造过程的实时监测和反馈系统、建立激光再制造后轧机服役性能评价标准、拓展轧机整机激光再制造领域将是未来的主要发展方向。
关键词: 短应力线轧机    激光再制造    失效分析    材料设计    微动磨损   
Current status and development trend of laser remanufacturing of short stress path rolling mill
ZHANG Bin1, CHEN Sui-yuan1 , LIANG Jing1, LIU Chang-sheng1, CUI Tong1, WANG Mei2    
1. Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials(Ministry of Education), School of Materials Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. Shenyang Dalu Laser Technology Co., Ltd., Shenyang 110136, China
Abstract: The short-stress-path rolling mill is a mechatronics equipment which is widely used in the steel manufacturing industry. China has the largest number of used rolling mills in the world. Most of the rolling mills are served under the harsh environment of high temperature, high humidity and fretting wear, which leads to the decrease of rolling mill system accuracy and failure scrap. At the same time, the rolling mills in the scrapped state occupy a large amount of storage spaces and site resources of the factories. Furthermore, the natural corrosion of the idle rolling mill will cause serious environmental pollution. Laser remanufacturing is a new type of technology for high-efficiency green rolling mill repairing and remanufacturing. The main failure modes of short-stress-path rolling mills and the application of laser remanufacturing technology on short-stress-path rolling mills were summarized in this paper. From the aspects of mill condition analysis, failure mechanism and material design, the main problems in laser remanufacturing of short-stress-path rolling mill and related research work and latest developments on these issues were reviewed. On this basis, it was pointed out that the main development direction in the future is to design special materials for laser remanufacturing of rolling mill, develop real-time monitoring and feedback system for laser remanufacturing process, and establish evaluation standards for service performance of rolling mill after laser remanufacturing, and to expand the field of laser remanufacturing of rolling mill.
Key words: short-stress-path rolling mill    laser remanufacturing    failure analysis    material design    fret-ting wear   

绿色制造是人类社会可持续发展战略和循环经济模式在现代制造业中的具体体现,也是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020年)》中关于制造业领域发展的三大思路之一。绿色制造是21世纪的制造业可持续发展模式,是解决制造业资源消耗和环境污染问题、实现生态环境恶化源头控制的根本方法和关键途径之一。它不仅仅是中国制造业必需的转向,也是全球制造业升级转型逐步推进的方向[1]。绿色制造技术能够解决清洁能源、降低能源和资源消耗、把污染物和废物转化为再生资源、产品输出最大化、环境影响最小化以及过程优化等问题。

短应力线轧机是钢铁制造行业广泛使用的核心机电一体化装备,是我国《循环经济促进法》中支持再制造的产品之一,具有很高的回收利用价值和再制造价值潜力。目前,我国是世界上废旧短应力线轧机保有量最大的国家,其中役龄接近使用极限的短应力线轧机超过数万台套,近20%正处于报废、闲置或超期服役状态。因此,研究对短应力线轧机传统制造模式进行变革,提高行业自主创新能力,开发节省能源、减少排放的绿色再制造短应力线轧机,研发其关键零件微动损伤工况下产业化应用新材料、工艺与装备等成套共性绿色制造技术,建设发展激光再制造短应力规模化生产与应用产业,实现资源循环利用,对于振兴我国短应力线轧机制造业和相关机电产品行业具有重要战略意义[2]

短应力线轧机是螺纹钢、圆钢和盘条等型材生产中最重要的机械装备之一,在国民经济建设中发挥着举足轻重的作用。短应力线轧机装备中的拉杆、辊箱、机架、横梁、压板等五大类关键部件中的25种零件因服役环境恶劣,受高温及工作介质冲刷、腐蚀,极易发生腐蚀工况下的微动磨损,导致轧机系统精度下降。而系统精度丢失是短应力线轧机主要失效形式,事实上,微动磨损在新机运行时间超过2个月时就会普遍发生,并随着时间累积磨损量迅速扩大。由于系统精度的丧失,往往短应力线轧机在远未达到服役期限的条件下就被迫报废。针对上述问题,大部分企业采取将加工精度不足的短应力轧机从“精轧生产线”向“粗轧生产线”转移,或者简单的拆卸后将还能够使用的零部件换装到其他机器上继续使用,剩下不能使用的零部件只能闲置报废,造成巨大的资源浪费。

截止到2016年,按照钢铁粗轧生产线2倍备用量、精轧生产线3倍备用量计算,我国实际短应力线轧机市场保有量超过60000台。由于以前生产企业粗糙地采取精轧区投入新的轧机用以保持精度,而精轧区的旧轧机经过简单的修理后向粗中轧区移动使用的模式,导致粗中轧区积累了大批量的轧机,因此我国短应力线轧机有相当大一部分已处于使用寿命的边缘。按照设计高精度使用寿命3年、每年16%报废淘汰率计算,目前每年将有近10000台短应力线轧机面临报废、技术性或功能性淘汰局面,损失的经济规模每年达到3亿元。每年废旧淘汰下来的大约10000台大中小型轧机会占用企业的存储和场地资源,明显增加管理成本,轧机因闲置自然腐蚀造成的环境问题也日益严重[3]。因此,如何通过再制造将每年10000台左右的废旧轧机变废为宝,已成为众多棒、线材生产企业亟待解决的问题。

激光再制造技术作为中国新世纪重点发展起来的新方向,以节约资源、节省能源、保护环境为特色,充分体现了具有循环经济、节能减排和绿色可持续发展的特点[4]。到2017年,我国激光再制造产业的国内市场已经达到1500亿元,再制造实际上就是国家层面所提倡的循环经济的一种体现,此技术在国外非常普遍,而且发展了很多年,以汽车行业为例,日本汽车零部件再制造使用率能够达到96%,欧洲能够达到80%~90%,而美国则可以达到80%左右。日美欧的再制造业十分成熟,而我国的再制造行业才刚刚起步,与国外相比差距还很大。激光再制造可使废旧资源中蕴含的价值得到最大限度的开发和利用,缓解资源短缺与资源浪费的矛盾,减少大量的失效、报废产品对环境的危害,是废旧机电产品资源化的最佳形式和首选途径,是节约资源的重要手段[5-6]

短应力线轧机往往都需要承受高温氧化,热疲劳与应力变形,钢液和各种渣氛导致的化学腐蚀,以及拉坯牵引等操作对其产生的摩擦与磨损,要求轧机设备表面具有高的机械强度、良好的导热性以及较好的耐磨性和耐腐蚀性能[7]。借助激光再制造技术,可以使轧机设备不断得到技术改造,延长其寿命和报废期限,从而降低新产品制造过程中造成的能源消耗和环境污染,大量减少废弃产品对环境的污染以及处理工业固体垃圾的费用,节能节材降低污染和创造更多的利润,同时减少设备维修和停机时间,提高生产效率。

1 短压力线轧机失效方式及原因分析 1.1 短应力线轧机工作环境

短应力轧机是型材、棒材、高速线材生产中最重要的轧制设备,轧机性能的好坏直接影响到轧钢生产过程和产品质量的稳定性。随着钢厂轧制品种的多样化,对产品质量提出更高的轧制要求,轧机能否连续、高精度轧制对冶金行业尤为重要,所以短应力线轧机需要高精度、高刚度和长寿命[8-9]

短应力线轧机处在高温高湿的工作环境中,轧机车间日平均温度在35℃以上,日平均湿度最高达到58%,这样的工作环境对短应力线轧机各部件都产生很严重的损坏(表 1)[10]。可以看出,轧钢厂的厂房工作气氛中含有多种腐蚀气体,如SO2,NOX,HCl等。

表 1 轧机车间的工作气氛[10] Table 1 Working atmosphere of the rolling mill workshop[10]
Type Working atmosphere
Hot rolling Soot, sulfur dioxide(SO2) and nitrogen oxides(NOX)
Cold rolling Oil mist, sulfur dioxide(SO2), nitric acid mist, mixed acid mist(HNO3+HCl)

表 2为轧机车间腐蚀性介质的浓度[10]。由表 2中数据可见,对轧机部件最具破坏性的是腐蚀性较强的SO2,浓度均值达1.3mg·m-3,局部极值达5.4mg·m-3。对轧机部件表面层的渗透和破坏力较强的NOX浓度均值为0.64mg·m-3,局部极值达到1.12mg·m-3。环境中大量的SO2,NOX及盐离子等腐蚀介质,在环境湿度升高时,部件表面出现结露,遇结露水珠即发生溶解等反应,使结露水珠变成富含腐蚀性介质的小液珠,加速对轧机金属部件产生腐蚀和涂层破坏[10-11]

表 2 轧机车间腐蚀性介质浓度[10] Table 2 Corrosive medium concentration of the rolling mill workshop[10]
Corrosive medium Maximum value/ (mg·m-3) Mean value/ (mg·m-3)
SO2 5.40 1.30
NOX 1.12 0.64
1.2 短应力线轧机失效方式

由于短应力线轧机在高温高湿、充满腐蚀性气氛的严酷环境下工作,导致工作一段时间后不可避免地发生某些部位的失效[12]。短应力线轧机主要的失效方式:(1)高温高湿高腐蚀性的工作环境和恶劣的轧机工况,导致轧机裸露在外面的部件很快产生腐蚀,而具有微动特征的锈蚀表面正是轧机的配合工作面,随着轧机工作的进行,工作面会逐渐超出精度范围,直至最终磨损、断裂失效;(2)轧机防尘密封的损坏,造成大量的氧化铁皮粉尘落入一些旋转和滑动部位使之产生剧烈磨损,严重时导致这些部位粘连、卡死、断裂。总的来说,微动磨损情况下的腐蚀是引起轧机失效的主要原因。

1.3 短应力线轧机微动磨损

微动磨损经常发生在轧机紧密配合的部件之间。短应力线轧机各部件之间虽然没有发生宏观上的相对位移,但在外部变动载荷和振动的影响下产生微动,微动振幅约为10-2μm数量级。接触表面之间因存在小振幅相对振动或者往复运动而产生微动磨损或微动腐蚀[13-15]。轧机实际工况下的微动磨损过程非常复杂,零件的材料、结构以及零件间的装配方式、工作环境等都会对微动磨损的损伤类型产生影响。通常可以将微动磨损分为黏着、部分滑移磨损和完全滑移磨损三个阶段。

黏着阶段对轧机部件的损伤较小,部分滑移磨损阶段容易产生微裂纹,完全滑移阶段则以磨损为主[16]。在研究中发现,部分滑移过程中产生微裂纹对材料的疲劳寿命影响最为严重。部分滑移阶段的摩擦副与试样接触边缘产生塑性形变,塑性变形逐渐累积形成微裂纹。这些微裂纹扩展、生长并且汇集形成主裂纹,直至主裂纹扩展失效,使轧机部件突变失效,明显降低轧机部件的寿命。

图 1是微动磨损、摩擦力分布、微动疲劳裂纹萌生及扩展示意图。可知微动疲劳裂纹可分为三个阶段:第一阶段,部件表层受到微动作用产生的切向力而发生局部塑性形变,局部塑性形变累积形成萌生裂纹;第二阶段,萌生的微裂纹在微动切向力、正向力的共同作用下,以一定的角度向基体方向生长;第三阶段,随着裂纹扩展深度的增加,微动切向力、正向力的影响变小,轴向循环疲劳载荷的影响越来越大,裂纹扩展方向发生偏转,向与轴向力垂直(与表面约成90°)的方向扩展,直至断裂[17]

图 1 微动磨损(a),球/平面接触的摩擦力分布(b)和微动疲劳裂纹萌生及扩展示意图(c)[17] Fig. 1 Schematic diagrams of fretting wear(a), friction force distribution of ball/plane contact(b) and fretting fatigue crack initiation and propagation(c)[17]
2 短应力线轧机激光再制造材料 2.1 激光再制造高温耐磨耐蚀材料

目前,激光再制造技术已经成功在机器零部件表面上制备出具有高硬度的激光熔覆涂层,可以大幅度提高机械零件的耐磨损性能。与此同时,采用激光熔覆的方法在材料表面制备结构致密、高耐蚀性的熔覆涂层,能够显著提高工件的耐腐蚀性能,延长工件的使用寿命。但是,对于满足短应力线轧机高温微动磨损等复杂工况下耐磨耐蚀的熔覆涂层还有待进一步的研究。

2.1.1 激光再制造耐磨材料

激光再制造材料的耐磨性能主要取决于熔覆层中增强相的种类、大小、含量以及分布形态。现在激光再制造耐磨材料主要为自熔性合金材料和复合材料两大类。自熔性合金粉末材料主要有Fe基、Co基和Ni基[18-19]。而复合材料是在自熔性合金的基础上通过成分设计、梯度设计、纳米级别的颗粒设计、热障涂层等制备的高硬度耐磨涂层。王瑞雪等[20]设计了30%~70%(质量分数)不同Mo含量的Mo-Ni混合粉末,通过添加少量ZrO2形成梯度复合合金粉末,采用激光直接沉积技术在3Cr2W8V钢板上制备Mo-Ni-ZrO2高温耐磨复合合金梯度涂层。研究表明,涂层的主要相是MoNi和Mo1.24Ni0.76。添加一定量ZrO2后,合金梯度涂层硬度提高,裂纹气孔缺陷明显减少。Li等[21]在碳钢基板上激光熔覆不同成分的Al2O3-TiB2-TiC粉末,研究表明,当Al2O3的含量增加到30%时,陶瓷熔覆层组织致密,具有良好的成形质量,且与钢基体冶金结合。黑色的Al2O3、白色颗粒状TiB2和分布在Fe基体上的TiC显著增加了显微硬度和耐磨性。

2.1.2 激光再制造耐蚀材料

激光再制造耐蚀材料主要是Ni基、Co基自熔合金或不锈钢以及金属陶瓷复合材料等,具有优良的抗腐蚀性能。Ni基合金粉末具有优良的耐蚀性能,而Co基合金在抗热气蚀和冲蚀能力方面性能优良。

Diao等[22]通过在钛合金TC2上激光熔覆Ti/TiC/TiB2制备TiC/TiB2复合涂层,在质量分数为3.5%的氯化钠溶液中进行腐蚀实验发现,激光熔覆试样的腐蚀性能明显优于基材。Chen等[23]在Q235钢基体上进行高功率多层激光熔覆C22涂层,涂层的微观结构从顶部表面的等轴晶粒过渡到树枝状晶,并成60°的角度,激光熔覆层的腐蚀电流仅为10-7A/cm2,明显提高基体的抗腐蚀能力。

2.2 激光再制造材料设计方法

激光再制造是复杂的快速凝固、物理冶金过程,其中的影响因素很多,比如工艺、设备、材料等。激光再制造材料是影响激光再制造成形件质量和性能的主要因素。图 2展示了激光再制造材料设计思路。激光再制造采用的材料体系一般沿用商品化的热喷涂材料。首先,激光再制造技术和热喷涂技术的原理不同,这就导致二者在进行材料设计时的侧重点不同;其次,热喷涂材料在设计时就有很宽的凝固温度区间,是为了防止热喷涂时熔融的金属颗粒因温度的微小变化而发生流淌[24-25]。同时,激光再制造快速凝固的特性,也导致直接沿用热喷涂的材料体系是不科学的。所以,必须进行激光再制造材料体系的重新设计。

图 2 激光再制造材料设计思路 Fig. 2 Design ideas of laser remanufacturing materials

在进行激光再制造材料体系设计时,为了使激光再制造后的工件具有满足工况的优良成形性能、力学性能和成形工艺性能,需要考虑以下要求:

(1) 激光熔覆层材料应满足特定工作条件下所需要的特殊使用性能。短应力线轧机工作在高温高湿、腐蚀气氛下,这就要求激光熔覆层在高温下性能稳定,能够耐高温磨损和腐蚀。

(2) 激光再制造材料与基体材料的界面匹配性关系是激光再制造的关键问题[26]。因为基体与激光熔覆层的化学成分、显微结构、强硬度等力学性能不同。激光熔覆层与基体的结合强度以及熔覆层的开裂、脱落等问题都与界面匹配性密切相关。另外,由于基体中存在热影响区,热影响区产生的裂纹可能向界面及熔覆层中扩展,导致熔覆层开裂。特别是一些导热性较差的合金钢、高温合金,以及脆性较大铸铁材料基体,往往在热影响区产生裂纹。

① 热膨胀系数相近原则

激光再制造材料与基体材料的热膨胀系数应尽量接近。若熔覆材料和基体间的热膨胀系数差异很大,则在熔覆层中容易产生裂纹、开裂甚至导致熔覆层的剥落。两者的热膨胀系数满足下列关系式[26]

(1)

式中:ΔT为熔覆温度与室温之差;Δα为激光再制造材料与基体材料的热膨胀系数之差;Eν分别为熔覆层的弹性模量和泊松比;σ1σ2分别为熔覆层,基体的抗拉强度。

② 湿润性原则

熔覆材料与基体以及熔覆材料中高熔点陶瓷相硬质颗粒与基体之间应当具有良好的湿润性。为提高熔覆材料中高熔点陶瓷颗粒与基体间的湿润性,可对陶瓷表面进行预处理,也可以在设计熔覆材料时适当添加某些合金元素。Zhang等[27]将TiC-Ti质量比为1:3的混合TiC和Ti粉末放在TC4-Ti合金上,然后用激熔覆处理,结果表明,加入Ti粉后熔覆层与基体润湿性得到改善,并且裂纹倾向明显减少。

③ 熔点相近原则

熔覆材料与基体二者的熔点不能相差太大。如果两者相差太大,则难以形成与基体良好冶金结合且稀释率小的熔覆层,给激光熔覆工艺带来困难[28-30]。若熔覆材料熔点较高,加热时材料熔化少,会使熔覆层表面粗糙度过高,或者基体表面过度熔化,熔覆层稀释率增大,严重污染熔覆层;反之,若熔覆材料熔点过低,则易使熔覆层过烧,与基体间产生气孔、夹杂,或者基体金属表面不能很好熔化,难以形成良好冶金结合。因此,激光熔覆中一般选择熔点与基体相接近的熔覆材料。

(3) 激光熔覆陶瓷/金属复合粉末设计时应注意[31-32]:陶瓷粉末材料与金属基体黏结材料的热物理性能(如热膨胀系数、弹性模量及导热系数等)差别较大;激光熔覆金属陶瓷技术是通过外加陶瓷相的方法形成的颗粒相,这给熔覆工艺带来了一定的难度,特别是当外加陶瓷相含量较高时,很难获得理想的熔覆层。除了激光工艺参数外,硬质陶瓷相和黏结金属的类型是影响涂层组织与性能的重要因素;由于激光熔池中的高温作用,陶瓷相在熔池中不可避免熔化、分解,熔池中不同部位的熔化、分解不均匀,形成的熔覆层的成分、组织和性能也存在差异。

3 短应力线轧机激光再制造 3.1 激光再制造技术

激光再制造技术是一种新型的修复技术,它集先进高能激光技术、先进数控技术和计算机、CAD/CAM(计算机辅助设计/计算机辅助制造)技术、先进材料技术为一体,不仅使具有使用价值的损伤、废旧零部件恢复原有或近形尺寸,而且使性能达到或超过新产品。激光再制造技术的技术基础就是激光熔覆[33-35]。以激光熔覆为修复平台,加上现代先进制造、快速成形等技术,则发展为激光再制造技术。激光再制造是以金属粉末为材料,在具有零部件原型的CAD/CAM软件支持下,在修复部位逐层熔覆,生成与原型零件近形的三维实体,如图 3所示。

图 3 典型的激光再制造系统 Fig. 3 Typical laser remanufacturing system

激光再制造与其他再制造技术的对比见表 3[36-38],可以发现激光再制造具有以下优点:(1)激光再制造属于典型的急冷急热快速凝固,激光束产生的热影响区域小,对基板的损伤很小;(2)激光再制造对材料表面要求不高,能精确地对零部件所需要位置进行修复,耗材少、成本低、可操作性很强;(3)激光再制造后的熔覆层内晶粒都非常细小且均匀弥散分布,不易产生缺陷,从而可以提高材料表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀等性能;(4)激光再制造对材料表面要求不高,可以对各种金属基合金进行再制造,同时可以灵活调整合金成分和添加适当强化相,得到优良的再制造熔覆层综合力学性能[39]

表 3 激光再制造与其他再制造技术对比[37-38] Table 3 Comparison of laser remanufacturing and other remanufacturing techniques[37-38]
Technical method Combination with the substrate Bonding strength Input energy Heat affected zone/mm Dilution rate/% Maximum thickness of coating/mm Residual stress
TIG surfacing Metallurgical bonding Related to the strength of the base metal or cladding layer Low 2-3 10-20 Coating thickness is not limited Maximum
Thermal spraying Mechanical+ physical combination Lower Low temperature rise of substrate,≤150℃ ≤1
Laser remanu- facturing Metallurgical bonding Related to the strength of the base metal or cladding layer Lower ≤1 ≤5 Coating thickness is not limited Low
3.2 激光再制造在钢铁冶金行业应用现状

我国是钢铁第一大国,也是制造业大国,每年有着数万亿的制造设备,这一基数很大,因此,每年因腐蚀、磨损造成价值超过千亿元的设备报废,钢铁冶金行业尤为严重。钢铁冶金行业的大部分生成设备常年工作在高温高湿、高交变热应力的恶劣环境下,不可避免地发生表面的腐蚀和磨损,采用激光再制造技术可以使废旧的设备重新恢复工作能力,提高其工作性能,延长使用寿命,节省成本高达60%以上,同时也为设备升级、产业革新提供了一个新的途径[40-42]

3.2.1 轧辊的激光再制造

由于受高温、高速的坯料冲击,轧辊工作时其工作面快速磨损达到一定程度,导致无法使用而作废品处理。因此,为提高轧辊的使用寿命,需要采用高效率、低成本的轧辊表面处理新技术。孙丽萍等[43]将轧辊为主要对象,研究激光熔覆工艺在棒材轧辊表面的应用,并对激光熔覆工艺参数进行了讨论。在高速钢基材上预涂Ni45粉末,用高功率CO2激光器进行熔覆处理,进行工艺参数的优化。效果跟踪发现,熔覆后的轧辊熔覆层搭接比较均匀,无明显夹杂、气孔、凸起感凹陷缺陷,表面硬度和厚度分布均匀,表面平滑,表观质量较好。轧辊表面熔覆后在线作业轧钢量达到了理想的效果,其中单槽轧钢量较熔覆前提高了近l倍。

为了延长液芯大压下轧机轧辊的使用寿命,提高厚板连铸连轧生产效率,从提高轧辊抗热冲击性出发,燕山大学孙登月等[44-45]采用在轧辊表面激光熔覆ZrO2-8%Y2O3热障涂层的方法来提高轧辊抗热冲击性。图 4展示了轧辊热冲击实验前后试样形貌[44]。原始轧辊试样从第一次热冲击循环开始,每一次热循环都会掉下一层氧化铁皮;具有ZrO2-8%Y2O3热障涂层的轧辊试样经过32次热循环后,等离子喷涂涂层发生大面积剥落;激光重熔ZrO2-8%Y2O3热障涂层的轧辊试样经过94次热循环,涂层才发生明显剥落。研究发现:激光熔覆涂层气孔、裂纹等缺陷明显减少,涂层与轧辊基体结合强度显著增强, 抗热冲击性较单纯等离子喷涂涂层轧辊提高了2.94倍。

图 4 热冲击实验前后试样形貌[44] (a), (d)原始轧辊;(b), (e)具有ZrO2-8%Y2O3热障涂层的轧辊;(c), (f)激光重熔ZrO2-8%Y2O3热障涂层的轧辊 Fig. 4 Topographies of the samples before and after thermal shock test[44] (a), (d)roll; (b), (e)roll with ZrO2-8%Y2O3 thermal barrier coating; (c), (f)roll with laser remelting ZrO2-8%Y2O3 thermal barrier coating

Ray等[46]针对连续板坯连铸机的侧向辊中的高温磨损和腐蚀问题,在侧向辊上激光熔覆三种不同成分且具有不同耐磨性和耐腐蚀性的铬、钼、硼和铌的镍基粉末。研究表明,熔覆层的微观结构是两相胞树枝晶,镍铬树枝晶被硬质沉淀相所包围;在含硼的粉末中,硬度高的铬硼化物沉淀物的形成有助于提高硬度和高耐磨性;提高铬含量可以提高耐蚀性能,添加钼和钨元素,除了固溶强化外,还可以和镍、铬元素一起提高合金的耐腐蚀性能。在工厂实验期间发现,侧向辊的使用性能明显提高,生命周期得到延长。

3.2.2 轴类等零件激光再制造

轴类零件长期工作在负重、摩擦环境下,直接受到各种周期性变化的压力、惯性力与扭矩的复合作用。长期服役的轴类零部件很容易发生轴面的磨损、剥落以及由外界环境导致的锈蚀,导致轴面尺寸精度的损失,进而使零件表面失效[47-48]。针对该类零件的修复问题,山东大学封慧等[49]针对曲轴在长期的运转过程中,轴颈会出现磨损和裂纹,采用热喷涂技术修复后曲轴基体与涂层之间存在界面结合强度弱、涂层内有孔隙等问题,在45钢曲轴连杆轴颈表面进行激光熔覆Fe基自熔性合金粉末实验。曲轴连杆轴颈的激光熔覆过程轨迹曲线、表面熔覆层以及磨削加工后的轴颈表面如图 5所示。研究表明,熔覆试样块中熔覆层和基体形成了良好的冶金结合,熔覆层的组织致密无缺陷,熔覆层硬度是基体的2~3倍。为了使曲轴在绕主轴颈旋转情况下对多拐曲轴连杆轴颈进行激光熔覆,提出了在连杆轴颈表面获得连续均匀熔覆层应满足的条件,并在满足这些条件的前提下,推导出了激光熔覆曲轴连杆轴颈过程中激光束与转动轴颈的运动轨迹和相对速度之间的关系模型,实验验证了轨迹模型的可行性。

图 5 激光熔覆过程轨迹曲线(a), 曲轴连杆轴颈表面熔覆层(b)和磨削加工后的轴颈表面(c)[49] Fig. 5 Trajectory curves during laser cladding(a), cladding layers on the crankshaft rod journal(b) and surface after grinding(c)[49]

Wilson等[50]基于新的半自动几何重建算法和激光直接沉积工艺,成功修复了涡轮机翼型中的缺陷空隙。原始缺陷模型和最终重建模型之间的布尔值差用修复零件体积的几何参数来表示。该方法的实验结果证明了激光再制造的有效性以及该技术适应各种零件的修复。

3.3 短应力线轧机激光再制造存在的问题

短应力线轧机的附加值高,激光再制造性强,目前已经有一些短应力线轧机零部件的修复和激光再制造成功的案例[51-52]。但随着短应力线轧向着更高刚度和精度的方向发展,对耐磨性能、耐腐蚀性能、抗热疲劳性能等要求越来越苛刻,现有的短应力线轧机激光再制造依然需要攻克一些瓶颈性的难题:

(1) 缺乏短应力线轧机激光再制造过程的实时监测和反馈系统。监测和反馈系统控制是决定产品或者零件的材料性能好坏及成型精度的一个直接因素[53],若对激光工艺参数进行优化实现闭环控制,可以通过实时监测熔覆层或者涂层的厚度及熔池的检测来实现,不过在激光熔池监测以及监控方面的软硬件等问题都亟待解决。

(2) 短应力线轧机激光再制造专用材料有待研发。目前,大多数零部件的激光再制造所采用的粉末都是借用冶金的合金粉末或者热喷涂使用粉末,所以激光再制造的重中之重就是应根据零部件的工作环境、需要满足的性能要求、激光和材料交互作用机理等研发与之对应的激光再制造专用材料[54]

(3) 缺乏激光再制造后短应力线轧机服役性能评价标准。轧机激光再制造主要目标在于尺寸恢复和性能提升,激光再制造后的短应力线轧机除能够保证恢复其关键行为尺寸外,其耐磨性、耐蚀性、耐热疲劳性能等综合服役性应能够达到或超过新轧机性能[55]。在缺少再制造轧机服役性能评价标准的情况下,激光再制造后短应力线轧机的性能难以保证,进而使其应用前景受限。

(4) 针对短应力线轧机的整机再制造的研究有待加强。目前仅仅是对短应力线轧机的一部分零部件进行了激光再制造,但对于短应力线轧机的整机再制造关注比较少。研制并量产具有“高精度、高性价比、高绿色化率”的激光再制造短应力线轧机,突破批量再制造和整机再制造是短应力线轧机激光再制造产业化发展的关键问题。

4 结束语

目前,在我国短应力线轧机修复再制造行业,激光再制造技术仍处于产业发展初期,轧机的修复仍然以替换和简单维修为主,针对轧机的整机激光再制造的研究较少。但是,激光再制造技术已经产生了良好的市场、社会和环境效益,发展潜力巨大。未来,如何快速实现短应力线轧机激光再制造产业化应用,提高激光再制造技术在钢铁冶金行业的应用范围,将激光再制造技术由单一零部件的再制造向整个钢铁冶金行业整体再制造方向发展,是科研人员的首要任务。为此,针对短应力线轧机激光再制造的研究和应用发展,应从以下六个方面予以重点突破:(1)基于激光整机再制造的思想,研究先进快速失效分析与评估方法,建立针对不同工况下轧机再制造的分析与评估数据库和短应力线轧机等的零部件的失效分析数据库。在对轧机进行激光再制造时,首先需要对各类零件及设备进行失效分析,以此才能进行相关激光再制造实验,汇总归类建立轧机各零部件失效分析机理及应对方法的数据库;(2)目前,激光再制造大多使用热喷涂粉末,所以必须从激光和材料交互作用的快速凝固特点出发,设计短应力线轧机激光再制造高温耐磨耐蚀专用材料,建立“成分-组织-性能”的材料数据库;(3)建立“轧机工况-激光再制造专用材料-激光再制造工艺”三位一体的轧机激光再制造成套技术。将轧机每一个零部件的失效机理、激光再制造材料、激光再制造工艺整理汇总成数据库,以便将轧机的再制造进行工业化应用;(4)研究零件再制造技术设计方法,构建激光再制造零件3D形貌重建的三维网格模型,开发激光再制造软件系统与工艺信息平台,实现对受损零件的精确修复和再制造;(5)突破制约短应力线轧机再制造零件易变形开裂的激光熔覆控形控性关键工艺,解决激光再制造零件一次成品率低于75%的问题,使激光再制造短应力线整机的一次产品率提高到95%;(6)创新建设短应力线轧机“服役—再制造—再服役”的契合循环经济要求的使用新模式,满足轧机再制造重大需求。

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