“两步法”工艺再制造液压支架立柱研究

材料后认为，高硬度涂层不利于立柱表面的后续加工。因此，将该公司专门研制的JG-3铁基合金粉末熔覆于立柱表面，可以获得硬度不高却具有较好耐磨性、耐蚀性的熔覆层。然而，采用此方法会导致涂层厚度不均匀，所以，单边厚度需达到1.3～2 mm才能满足工艺要求。同时，在后续加工中，还要去除大部分涂层，单边厚度保留在0.5 mm左右。这种做法不仅会浪费材料、消耗时间，还会在很大程度上影响整体的生产效率。

针对上述问题，本文提出采用“两步法”工艺对液压支架立柱表面进行再制造，即先以高效能超音速等离子喷涂设备将JG-3铁基合金粉末喷涂于液压支架立柱表面上，形成均匀、致密的涂层，然后再用激光熔覆设备对涂层进行熔覆，进一步提高涂层的结合强度。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料和设备

喷涂粉末为山东能源机械集团大族再制造有限公司专门研制的JG-3铁基合金粉末，粉末粒度为160～320目，其主要的化学成分如表1所示，粉末形貌如图1所示。试样选用尺寸分别为25 mm×16 mm×5 mm（用于检测涂层增厚）和300 mm×400 mm×5 mm（用于检测沉积效率）的45#钢，还有φ90 mm×500 mm的废旧液压支架立柱（用于涂层熔覆）。喷涂设备采用自主研发的高效能超音速等离子喷涂系统，如图2所示。在喷涂前，要用丙酮清洗试样，去除表面的污染物，然后再作喷砂处理，提高基体的清洁度、表面粗糙度和涂层的结合强度。

1.2 喷涂方法

固定喷涂主气Ar的流量为110 L/min，次气为H2，送粉量为50 g/min，送粉气为Ar，喷枪移动速度为50 m/min。在整个过程中，采用正交设计原理，选择JG-3铁基合金粉末的喷涂工艺参数，包括喷涂电流、喷涂电压和喷涂距离，每个参数分别选取3个水平值，根据L9（34）正交表建立正交设计方案，如表2所示。对25 mm×16 mm×5 mm的试样做喷涂试验，每个试样喷涂10个井比较涂层的厚度。

采用Spray Watch CCD在线测试系统检测优化好的参数下的喷涂粒子的速度、温度；采用优化好的喷涂参数喷涂300 mm×400 mm×5 mm的试样，检测涂层的沉积效率。在此，具体的做法是：预先在送粉器内装100 g的粉末材料，将参数调至最优值，并喷涂已称重的试样。待粉末喷涂完毕后，计算试样的增重，增重与所喷涂粉末的质量之比为涂层的沉积效率。

1.3 熔覆方法

采用优化好的喷涂参数喷涂经表面处理后的φ90 mm×500 mm废旧液压支架立柱，从而得到不同厚度的涂层，并对涂层进行激光熔覆。其固定熔覆功率为3 kW，光斑直径为12 mm，采用正交设计原理选择涂层的熔覆工艺参数，包括涂层厚度、熔覆线速度和熔覆步距，每个参数分别选取3个水平值，并根据L9（34）正交表建立正交设计方案，比较熔覆层的表面形貌，如表3所示。同时，要将熔覆后的试样切下一小片制样，通过显微硬度计检测熔覆层和基体的显微硬度，通过扫描电镜观察和分析熔覆层的剖面显微形貌。

2 试验结果和分析

2.1 喷涂试验

表4为喷涂工艺三因素三水平的正交试验表。试验结果表明，影响JG-3铁基合金涂层沉积的喷涂工艺参数的主次顺序为喷涂距离>喷涂电流>喷涂电压。获得最优涂层厚度的工艺参数为电流420 A、电压160 V、喷涂距离80 mm。

高效能超音速等离子喷涂的速度为400～700 m/s，温度为2 000～3 000 ℃。由图3可知，JG-3铁基合金粉末粒子的速度在350 m/s左右，温度在3 000 ℃左右，速度相对较慢，温度相对偏高。这主要是因为JG-3铁基合金粉末粒径在100 μm左右，并且密度也相对较大，导致单个粒子的质量相对较大，加速能力相对较差，所以，速度相对较慢。由于粒子的速度相对较慢，在射流中飞行的时间相对较长，加热时间也相对较长，因此，粒子温度相对较高。

由表4可知，喷涂距离越近、喷涂电流越大，涂层增厚越大，涂层增厚会随着电压的上升呈先增大后减小的发展趋势。这是因为JG-3铁基合金粉末粒子的粒径相对比较大，在飞行过程中，其加速能力相对有限，喷涂距离越近，其速度越大，涂层的增厚越大。当喷涂距离继续缩短时，射流会烧损涂层及其基体，因此，可将喷涂距离定为80 mm。电流对喷涂主、次气有电离作用，电流越大，气体电离程度越大，膨胀程度也越大，有利于提高粒子的速度，所以，电流越大，涂层增厚越大。此次试验以H2为次气，通过调节H2的量来调节电压。H2对等离子射流的温度影响比较大——当H2的量增大时，有利于提高粒子的温度；当H2的量达到一定程度时，粒子将出现过融现象，进而影响粒子的沉积。由此可见，涂层厚度会随着电压的升高而呈现先增大后减小的情况。

利用表4中优化好的喷涂参数检测JG-3铁基合金粉末的沉积效率，测得其沉积效率在75%左右。

2.2 熔覆试验

表5为熔覆工艺三因素三水平的正交试验表。试验结果表明，影响JG-3铁基合金涂层表面形貌的熔覆工艺参数的主次顺序为涂层厚度>熔覆线速度>熔覆步距。由表5可知，涂层越厚，熔覆线速度越快，熔覆层越容易开裂，如图4所示。出现这种情况的原因是，涂层厚度越大，熔覆过程中需消耗的能量越多；熔覆线速度越快，为涂层提供的能量越少；当二者都比较大时，涂层得不到足够的熔覆能量，进而导致涂层与基体难以充分融合。此外，在熔覆过程中，因为热量集中会产生比较大的拉应力，所以，在拉应力的作用下，熔覆层结合不充分的部位就会出现开裂的情况。

图5为不同厚度熔覆层的显微形貌，其熔覆参数如表6所示。由图5可知，熔覆层均匀致密，几乎没有孔隙，与基体结合紧密，缺陷较少，并且其形貌与基体极为相似，不依靠界面缺陷是很难将熔覆层与基体区分开来的。另外，在检测熔覆层和基体的显微硬度时，测得熔覆层的显微硬度在600 HV左右，基体的显微硬度在300 HV左右。

综上所述，不同厚度的涂层在不同的熔覆线速度和熔覆步距下可以制备性能比较好的熔覆层。经过综合考虑，熔覆工艺的相关参数值为：涂层厚度为0.7 mm，熔覆线速度为12 mm/s，熔覆步距为10.5 mm。采用这种工艺的原因是，熔覆层表面比较粗糙，需对其进行一定的磨削加工。如果熔覆层比较薄，很可能会将熔覆层磨掉，磨出基体，影响产品质量；如果熔覆层比较厚，则会浪费一定的材料；如果熔覆线速度比较慢，则会延长熔覆时间，增加成本，导致工件受热变形；如果线速度比较快，则会导致熔覆层开裂。由于激光光斑宽度仅为12 mm，如果步距比较长，则会影响熔覆层的搭接效果；如果步距比较短，则会延长熔覆时间。

总而言之，本试验仅初步探索了“两步法”再制造液压支架立柱的相关情况，并为今后的相关工作提供参考依据，但是，其喷涂工艺和熔覆工艺还需进一步完善。

3 结论

影响JG-3铁基合金涂层增厚的高效能超音速等离子喷涂工艺参数的主次顺序为喷涂距离>喷涂电流>喷涂电压。在喷

涂过程中，因为JG-3铁基合金粉末粒子的速度快和温度高，所以，能够保证涂层的质量。

影响JG-3铁基合金熔覆层表面形貌的激光熔覆工艺参数的主次顺序为涂层厚度>熔覆线速度>熔覆步距。涂层越厚、熔覆线速度越快，涂层越容易开裂。

“两步法”制备的熔覆层均匀致密、结合较好、缺陷较少，有较高的质量。

参考文献

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〔编辑：白洁〕

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