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激光熔覆排气阀装配运行后的结构与性能的研究
摘要 对喷涂在高负载船用柴油机排气阀头上的钴基激光熔层进行了研究.喷涂了激光熔覆层的阀头曾经成功地在Dar MlodzieZy 船舶柴油机中为服务了3000小时。将阀头从气缸盖卸下，然后对表面进行全面检查。测试了表面形貌和粗糙度。微观结构的截面上用配备了EDS直接翻译成能谱仪扫描电子显微镜(SEM)进行观察。此外测定了熔覆层的显微硬度。复杂的运行环境导致形成有不同的厚度及趋于开裂和剥落的裂纹。硬度在降低，但仍有比钢基体更硬的覆盖层存在。这一类型复合层经历了密集的实验室检查，其中包含有在不同温度和腐蚀废气的氧化实验。长时间的在实验室发动机试用并成功在船上使用3000个小时。在这种经验后，激光熔覆钴基层可被推荐为延长阀头使用寿命和对轻微磨损的阀头再制造的一种可行的技术。
关键词︰排气阀、激光熔覆、钴合金、服务磨损
介绍 排气阀用于重型船用柴油机，其功能是使燃烧室压力增大。这些排气阀工作在高温的环境中，因此他们需要良好的耐磨性和耐热性。排气阀长期受到高温热应力，机械应力和化学腐蚀应力的联合作用。阀门表面受到高频负荷，高温热侵蚀以及腐蚀气体的作用。阀门表面也将会获得侵蚀和磨料磨损，这些因素综合起来甚至导致气阀的开裂。高温将会降低材料的屈服应力。屈服强度良好的材料在重复周期的接触影响下会引起材料变形和材料疲劳，排气气体腐蚀速度加快也会导致疲劳裂纹的扩张和产品产生磨粒磨损。排气阀在这种条件下运行，对材料得各项性能是非常不利的，并可能导致永久失效。在过去二十多年，船用柴油发动机额定功率显著增加时燃油质量恶化的情形被人类注意到了。这已经导致排气阀处在更高的热负荷和更加严重得磨蚀环境。使用重油的柴油机最常见的故障形式是鼓风通过阀表面上的通道造成敲击的形成。 当代在工业应用中主要的预防方法是是制备特殊的涂层。这一涂层应该在排气气阀表面上提供适当的热阻、耐腐蚀性和耐磨性等各项性能。该种涂层技术也被应用与对已磨损的气阀表面的再制造中，因此良好的技术也是重要的财富。 有一些涂层技术例如热喷涂技术、转化的等离子弧(PTA)技术、窄焊道焊接等。所有的这些技术在质量和生产成本上都有着各自的优缺点。新工业上使用的方法之一就是高功率激光熔覆。激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是一种重要的材料表面强化与加工技术，它是利用高能量密度激光束（104～106 W/cm2）在金属表面辐照，通过迅速熔化、扩展和迅速凝固（冷却速度通常达到102～106 ℃/s），在基材表面形成与其为冶金结合的，具有特殊的物理、化学或力学性能的材料，从而显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能。与其他表面强化技术相比，激光熔覆技术具有如下特点：冷却速度快(高达106 ℃/s)，组织为典型的快速凝固特征。热输入和畸变较小，涂层稀释率低（一般小于8%），且与基体呈冶金结合。粉末选择没有太多限制，特别是可以在低熔点金属表面熔覆高熔点合金。熔覆表面区域的可精确选择，材料消耗少，具有较好的性价比。熔覆过程容易实现自动化。因此，激光熔覆技术已引起了广泛的关注和重视，并已得到广泛的应用。评价熔覆层质量的好坏，主要从两个方面来考虑：一是从宏观上，考察熔覆道形状、表面平整度、裂纹、气孔及稀释率等；二是从微观上，考察是否形成良好的组织，能否提供所需要的性能。目前研究工作的重点是熔覆设备的研制与开发、熔池动力学、合金成分的设计、裂纹的形成机理和控制方法、以及熔覆层与基体之间的结合力等。激光熔覆技术面临的主要问题是：激光熔覆层质量不太稳定性。在激光熔覆过程中，加热和冷却的速度极快，再加上熔覆层和基体材料在温度梯度和热膨胀系数等性能上的差异从而使熔覆层中容易产生多种缺陷，主要包括气孔、裂纹、变形和表面不平度等，导致激光熔覆技术在国内还未实现完全产业化。激光熔覆过程的在线检测和自动化控制还不太成熟。熔覆层脆性高，裂纹倾向大。激光熔覆层的开裂敏感性，仍然是困扰国内外研究者的一个难题，也是工程应用及产业化的主要障碍之一。目前，虽然已经对熔覆层的裂纹形成机理和控制方法进行了较多的研究，但控制效果还有待进一步提高。
激光辅助的沉积层的形成是通过对底物沉积的材料冶金粘结材料添加剂为主的生产过程。由于它各种材料的粘合能力，它在小尺度[4]零件修复上成为非常有吸引力的技术。
钴基合金茧丝优良的抗氧化和有吸引力的力学性能（强度、韧性和抗蠕变性）。这些属性与包覆层微观组织相连接。在从液态冷却过程中形成的第一阶段富钴树突被覆面立方(fcc)晶体结构。剩余的液体是由共晶反应凝固成面心立方相、MI2C枝晶间，亲密的层状混合物(C06W6C)和M23C6取决于合金成分和冷却条（Cr23C6）共晶碳化物。这些增强硬度和耐磨性的激光处理的钴基堆焊合金涂层已与在奥氏体基体[5-7]这些硬碳化物的形成相关联。
实验 在这项工作中检查察了钴基复合层。它们被应用在船用柴油机排气阀头表面是为了延长排气阀的使用寿命。这个基层材料是A-R-HlOS2M(X40CrSiMolO-2)钢。熔覆涂层是通过了具有生成的电子束功率2.5千瓦高功率二极管HDPL ROFIN SINAR DL 020照射而形成的。合金粉末被直接传递到熔池。过程的参数选择如下︰激光电源1.0千瓦，激光扫描率0.2m/min，粉料率-5.0g/min，层厚度1.0m m，宽度6毫米。每个涂层包含有具有两个曲目的三个子层。这个后续轨道了重叠率30-40%。这些粉末被直接送到熔池。这种化学成分的粉末被用于创建熔覆层，化学成分如表1。
表1 这些粉末的化学成分（质量比%）
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元素 |
|||||||
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C |
Si |
Cr |
W |
Ni |
Mo |
Fe |
Co |
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1.55 |
1.21 |
29.7 |
9.0 |
2.0 |
0.01 |
1.7 |
其余 |
熔覆后涂层层经历了转动，可以获得适当的几何形状。准备对这单向阀头进行实际工况实验，使用'Dar Mlodziezy'柴油发动机类型8A20 运行3000小时。运行3000小时后，从气缸盖头移下来的气阀头的表面在光学下被观察。经过清洗并切断蒸汽供应后，气阀头被切成各种试样便于详细的观察。第一步是自然表面的观察特别是注意上述的粗糙度和沉积物。下一步，是表面地形和形貌变化的分析。用于分析这些试样的特征的工具有光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、能源谱仪(EDS)和x 射线粉末衍射(XRD)。首先根据激光熔覆的特点，在考虑了材料热物性参数、换热系数、相变潜热随温度变化的因素，应用ANSYS 的参数化设计语言建立了激光熔覆过程中连续移动三维温度场有限元模型，并分析了激光熔覆工艺参数对温度场的影响[11]。结果表明：与激光功率相比，激光扫描速度对试样温度场的影响较小。实验结果较好地验证了模拟结果，表明所建立的温度场计算模型是正确和可靠的。接着利用ANSYS 有限元软件中的间接热力耦合方法，在激光熔覆温度场基础上，建立了热力耦合应力场有限元行了分析[12]。通过该计算模型，可以掌握激光重熔以及冷却过程中应力场随时间的变化规律。在应力场分析的基础上，进一步讨论了激光重熔层中裂纹形成的机理及影响因素，并提出了一些防止重熔层裂纹产生的方法。最后在单道激光熔覆温度场模型基础上建立了多道搭接激光熔覆温度场有限元模型。温度场的分析结果表明：由于激光扫描的热积累效应，重熔过程中试样的温度越来越高，熔池也越来越大，各扫描道之间存在明显的差异，因此不能获得熔化均匀且稀释率低的高质量重熔层。采用逐道减小激光功率或增大扫描速度的策略可以获得大体相同的各扫描道熔池；采用预热试样法同样可以有效的减小各扫描道之间熔池的差异温度场的分析结果表明：当陶瓷涂层厚度较大时，受到陶瓷材料导热系数较低的影响，激光重熔时无法使整个陶瓷层实现完全重熔；采用较低的激光重熔功率和较低的扫描速度更易获得厚度较大的重熔区和烧结区。试验结果表明：熔覆后的陶瓷涂层形成了晶粒细小的等轴晶重熔区、团絮状烧结区和片层状残余等离子喷涂区，并且重熔区和烧结区厚度的计算值和试验值吻合较好。在进行了扫描电镜加速电压范从15-30千伏在背散射和二次电子成像模式。
硬度测量GOST 7865-86手动显微硬度仪。测试对垂直于表面的横向分段表面精细抛光进行了层，满负荷的200g加载时间20s。
结果 表面没有巨大的损伤，但存在一些磨损和沉淀物。上图1是参与装配运行后的典型表面。
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图1 对表面经过3000小时的服务示例面扫描电镜显微镜用于表面状态的分析及结果被显示在图2和3上。表面上被覆盖层所覆盖。这种涂层拥有不同厚度和趋于开裂和剥落。这些划痕也不均匀，但包含有很多子涂层，在图3上了很好的说明。图2 在运行3000小时后气阀表面形貌 A：几乎清晰金属表面；B，C：规模层径向截面，气阀表面的横截面通过金相手段对它进行抛光。徕卡赖MEF4M光学显微镜（OP)环境扫描电子显微镜飞利浦飞XL30环境扫描电镜用于检查在未侵蚀和蚀刻条件下截面。扫描电镜图像允许检查的影响长时间的博览会，在工作条件下，对表面复合层的显微组织地区和深部的包层。图4给出了连续和厚厚的划痕层没有可见缺陷。它的组成是由EDS描述的质量分析，并提出关于图5。在下模那里没有实质性的变化，仍然给出了典型的复合层散装树突状结构没有任何损害。
高架和可变温度下的长时间运行可能会导致更多的微妙变化微观结构，例如分解的坚硬的碳化物。分析不同区域的涂层的化学成分发现，在靠近表面铬元素明显减少，而在所有不同厚度的剥落物中，铁含量明显增多，铁的存在可能是从铁基扩散到表面的。末中初始铬元素含量达到29.7％，使用一段时间后，表面区域的铬元素含量只有23％.。铬因为足够坚硬可以防止表面被腐蚀。碳化物是铬元素的主要来源，它对于表面形成氧化铬至关重要，氧化铬能防止涂层进一步被氧化和脱落。测量硬度比显微分析更能够反映其力学性能，因为在热处理的过程中，硬度的变化更加明显。由于硬度的测量数值高度不同，四个显微硬度数值被采用以提高数据在统计学上的意义的平均值作为熔敷层的测量的五个系列被放置的形式。
图3，图2显示的薄与厚氧化物子层的细节
涂层经过3000小时使用之后横截面的形态 A-是涂层的EDS化学成分分析的点
图 5.经过3000小时使用后涂层的化学成分 A点是测量点
图6涂层的显微硬度：3000小时运行之后
涂层的不均匀性是由于多层的生产过程和涂层的结构导致的。由于产生枝晶结构导致硬度不同，也可以归咎于碳的形态不同。 在长时间不同温度和不同排放气体的工作环境下运行也能导致涂层硬度的改变。 硬度的数值在减小，但涂层的硬度仍然比钢基体的要高。
4结论
这种类型的复合层经历了密集的实验室检查，其中包含有排气阀在不同温度 [10] 和腐蚀氧化实验 [11]，在实验室柴油机 [12]上长时间陈列和成功结束在船上3000小时的运行。
在这个实验中钴基合金表面激光熔覆可以用来延长阀门寿命或修复已经损坏的阀。两个问题至关重要——评估阀表面硬化方法，选择最合适的材料来适应相应的工作环境。
激光熔覆制备的复合的层包含比铁基体还要硬的精制凝固结构。得到的涂层能和钢铁很好的熔融结合，而且没有裂纹，孔隙度也较小，缺乏裂纹和孔隙度和变形小的材料粘接按此工艺生产。也指出了很小的稀释。 也有可能产生合适厚度的合金层，所以转而以获得适当的几何形状减少废料的产生。
组成摩擦反应产物的分析结果表明，0、C、S、Ca 检测到在除了包含金属的阀门规模，可能的氧化物和硫化物通俗地说，在表面形成不同厚度。这种规模往往裂缝和剥落时得越来越厚。但这个反应产物还创建对防止磨损的影响阀门的面孔。然而，它增加平均Rmax。有任何的内部腐蚀的痕迹图层。Tau;ms 特殊合金具有较高的碳含量 (1.55%)，是必要的增加的碳化物在更高的热硬度和耐磨性能。
5参考文献
[1] Qixian, S. Yan, S. Development of Laser Cladding Stellite F Alloy on Valve Face, Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress, Seou1, Korea 2000.
[2] Sch1ager, D., Theiler, C., Kohn, H. , Protection against high temperature corrosion with laser welded claddings, applied and tested on exhaust valve discs of large diesel engines burning heavy fuel oil, Materials and Corrosion , Vol. 53, pp. 103-110, 2002.
[3] Nando, S. K., Roskilly, A. P. , Exhaust valve failure under residual
fuel operation, Journal of Marine Design and Operations, No. B2, pp.
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