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、四軸聯動數控機床及載氣式同軸送粉系統等設備對復雜形貌高壓油泵凸輪軸進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構設計、凸輪邊緣防塌陷工裝研制與凸輪運動軌跡控制等關鍵技術的研究，實現了均勻無缺陷且凸輪邊緣保護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、顯微硬度計及光學顯微鏡等分析、測試儀器對梯度耐磨涂層宏觀形貌與微觀組織進行表征。利用高壓噴油泵試驗臺對激光增材制造與滲碳淬火處理凸輪軸進行使用壽命對比考核測試。結果表明，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形式的增強相，微觀組織主要表現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

凸輪軸廣泛應用于柴油發動機，由于節能減排的需要，新型發動機的重量在逐漸減輕，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的凸輪軸載荷會達到180MPa，常規的滲碳淬火工藝已無法滿足其使用需要，短周期內會出現粘著磨損、疲勞點蝕與表面剝落等失效形式，從而影響發動機的使用壽命。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化方法進行了研究。如王大承與李雙壽等[1-2]對凸輪軸進行了激光相變硬化與激光熔凝處理的研究。盧求元等[3]在發動機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現了不同程度的改善，但受到材料本身性能與鍍膜厚度的限制，較難實現凸輪表面性能的大幅提高。采用激光增材制造技術可在零件表面熔融堆積性能優良的金屬材料，使零部件表面性能得到顯著增強[4-10]。同時，由于凸輪表面屬于復雜回轉體曲面，因此在實現凸輪運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塌陷現象，對后續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，研究在復雜結構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。在實際應用中具有較大的經濟意義和實用價值，對其他復雜曲面零件表面增材加工具有參考價值。

1試驗材料及方法

1.1試驗材料

凸輪軸材料為40CrMnTi，調質處理，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留0.2mm余量。試驗用Co50合金粉末，粒度為45～109μm，熔點1100℃，其化學成分質量分數為：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。其化學成分質量分數為：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

增材制造試驗在SLC-X15×30型四軸聯動數控激光加工機上進行，凸輪軸裝夾在轉臺上以實現旋轉運動，工作臺實現X-Y-Z三軸移動，如圖2所示。激光發生器采用德國RofinDC050型CO2激光器，波長10.6μm，光束模式為TEM00，光束質量因數k≥0.9，激光束經反射聚焦后，離焦照射在凸輪表面，光斑直徑4mm。采用同軸送粉頭實現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氣體，氣體流量為14L/min。增材制造試驗前采用400#砂紙對凸輪表面進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行，載荷質量200g，加載時間10s。

1.4凸輪耐磨性能分析設備及測試方法

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

2激光增材梯度涂層設計

激光增材制造高厚度、高硬度耐磨涂層極易產生裂紋及缺陷[13-16]。為此，通過采用材料成分漸變的梯度涂層結構，來實現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顆粒增強相來實現梯度過渡。梯度層設計為一層0.4mm的連接層、兩層各0.8mm的過渡層及最外一層1mm的耐磨層結構(圖3)。連接層起到實現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%的大稀釋率來實現。這樣既可保證增材制造層與基體形成有效牢固的冶金結合，又因較大的稀釋率可使連接層與基體的熱脹系數趨于接近，減小開裂傾向。前期研究表明，稀土含量在0.1%左右時，可細化晶粒并控制涂層無裂紋產生[17]。考慮30%稀釋率的影響，連接層添加0.14%的稀土元素，進一步提高其韌性；兩層過渡層分別采用Co50+0.1%CeO2+3%Ni/WC與Co50+0.1%CeO2+5%Ni/WC兩種成分結構，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。該層設計厚度為1mm，以確保在精磨加工后耐磨層厚度在0.5mm以上。經工藝優化試驗得到各層激光增材制造工藝參數為：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計

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壁下方流動，從而產生邊緣塌陷現象，影響后續加工與成品使用性能[18]。為解決這一問題，在凸輪兩側分別安裝材質為純銅的保護套，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壁，從而保護凸輪邊緣形狀完好。該方法簡便易行且保護效果良好。

4結果分析

4.1凸輪軸激光增材制造

按前述梯度涂層設計方案與優化后的工藝參數，采用凸輪邊緣防塌陷夾具并根據凸輪運動控制方法在激光加工機上進行激光增材制造試驗，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、裂紋產生。連接層與基體以及各梯度層之間結合界面良好，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，磨削量應控制在0.6mm左右。過渡層與連接層由于WC質量分數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。連接層與基體結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構。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值繼續減小，熔體過冷度不斷增大，晶體結構向樹枝晶轉變[19]。圖11為梯度涂層X射線衍射圖譜。經標定發現，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，還發現了WC與W2C兩相。兩相在耐磨層中的衍射峰強度明顯高于過渡層，說明耐磨層中WC與W2C的質量分數高于過渡層，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化。增材過程中過渡層c對過渡層b產生回火作用，進而導致過渡層b出現晶粒粗化現象。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為梯度涂層內部的WC顆粒以邊緣部分擴散熔解的方式存在。由于梯度涂層中WC在高溫下只是部分邊緣熔解，其周圍形成細小的共晶組織，這樣既保證了WC顆粒在梯度涂層內的結合強度，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點進行EDS能譜檢測，其結果見表2。由表2所示的各元素原子分數可知，圖13a所示的顆粒為WC，邊緣發生部分熔解，近顆粒區域(B點)除了WC，開始出現Co的分布，稍遠區域(C點)出現了W2C分布，同時Co的百分比劇增。圖13b為W元素EDS面掃描圖，進一步說明WC顆粒在邊緣熔解時W逐漸向涂層區域擴散并與Co元素發生互溶。彌散分布的WC顆粒與WC、W2C增強相使梯度涂層的耐磨性得到顯著提高。

4.3耐磨性能測試

在高壓噴油泵試驗臺上對三對滲碳淬火與激光增材制造凸輪軸進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耐磨硬質顆粒的梯次分布，實現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生難題。細密的耐磨層微觀組織與內嵌的邊緣部分熔解WC硬質顆粒，為使表層具有優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。這些相互影響與關聯的因素綜合在一起，使激光增材制造梯度耐磨層凸輪軸在后續的燃油噴射試驗臺可靠性測試過程中，表現出優異的使用壽命。

5結論

(1)通過采用梯度涂層結構、凸輪邊緣防塌陷夾具與凸輪運動控制方法實現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生塌陷現象。

(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WC與W2C相。微觀組織主要表現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:長春理工大學機電工程學院