市場背景
與工業(yè)機械、航空航天、汽車等高端制造領(lǐng)域相比，農(nóng)業(yè)機械制造總是滯后于它們。為促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，需加強激光熔覆技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械修復(fù)與強化上的應(yīng)用。借鑒其他領(lǐng)域的先進技術(shù)研究成果，為農(nóng)業(yè)機械的修復(fù)與強化提供研究方向。因此，為提高農(nóng)業(yè)機械在復(fù)雜的土壤環(huán)境下的可靠性，可以從以下4個方面進行研究：原位修復(fù);提高耐磨性;提高耐腐蝕性;提高硬度。
原位修復(fù)：農(nóng)業(yè)機械的使用強度高，工作環(huán)境條件差，許多農(nóng)機零部件在長期使用中處于超負荷運行的狀態(tài)，因此很容易出現(xiàn)塑性變形、磨損、裂紋、腐蝕等問題。原位修復(fù)是指對缺損的零部件進行特定的處理使其恢復(fù)原有尺寸，而激光熔覆是主要的原位修復(fù)技術(shù)之一，由于其修復(fù)的零件具有不易變形、冷卻速度快、精度高、性能優(yōu)秀等優(yōu)點，已經(jīng)在農(nóng)業(yè)機械修復(fù)領(lǐng)域中得到了廣泛地應(yīng)用。比如，齒輪部件在農(nóng)機運行的過程中，會受到較強的交變應(yīng)力的影響，容易導(dǎo)致飛邊、啃齒、變形等問題，采用激光熔覆技術(shù)則可以使缺損的齒輪恢復(fù)原有的尺寸。通過實驗驗證，激光熔覆修復(fù)后的齒輪不僅能夠正常作業(yè)，而且齒輪的抗沖擊性能、硬度、耐磨性等性能也得到了較大地提升。
此外，軸類部件也是農(nóng)業(yè)機械中經(jīng)常需要修復(fù)的零部件之一。軸類部件除了會受交變應(yīng)力的作用，還會受到摩擦磨損的影響，且摩擦磨損的影響更為顯著，這也是致使其損壞的主要原因。農(nóng)機的工作環(huán)境較為惡劣，內(nèi)部的轉(zhuǎn)軸在長期旋轉(zhuǎn)過程中，高硬度的泥沙顆粒滲入其中形成磨損，從而造成區(qū)域性深度劃痕，劃痕增強磨粒的作用，進而加劇損傷進程，形成惡性循環(huán)。應(yīng)用激光熔覆技術(shù)對軸承進行原位修復(fù)，能夠填補劃痕并恢復(fù)轉(zhuǎn)軸的表面形貌。激光熔覆技術(shù)所制備的涂層的厚度較薄，作業(yè)人員能有效地對熔覆涂層進行厚度控制，從而保證被修復(fù)零部件的幾何公差和尺寸精度。
提高耐磨性：農(nóng)業(yè)機械中的磨損一般分為粘附磨損和磨粒磨損，其中磨粒磨損是最常見的。磨粒磨損是零部件表面與相對較硬的磨料顆粒發(fā)生摩擦出現(xiàn)的磨損。在耕作過程中直接接觸的土壤或沙粒都會造成嚴重的磨損。提高耐磨性的熔覆材料有很多，其中鐵基熔覆材料是農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最多最廣泛的一種。鐵基合金因與農(nóng)機零部件基材成分相近，有良好的冶金結(jié)合，且涂層具有較高的耐磨性、較低的成本，得到了廣泛地應(yīng)用。單鐵基合金也存在熔點高、合金自熔性差、抗氧化性差、流動性不好、氣孔夾渣較多等缺點。后來為了改善鐵基合金，添加B和SI元素的Fe基自熔性合金能進一步提升耐磨性能。另外，在熔覆材料中加入稀土元素能改善熔覆涂層的耐磨性能。將熔覆合金粉末按化學(xué)成分CeO2配比進行機械混合，在鋼基體表面制備熔覆涂層，得到的熔覆層原位反應(yīng)生成陶瓷硬質(zhì)相，組織致密，無氣孔和裂紋，耐磨性能得到顯著提高。稀土元素能顯著改善熔覆層的顯微結(jié)構(gòu)，細化枝晶組織，其中把握合理的稀土元素添加量是關(guān)鍵，稀土元素的適量添加才能保證熔覆層耐磨性能的有效提高。
提高耐腐蝕性：農(nóng)業(yè)機械耕作部件經(jīng)常在農(nóng)藥、化肥、有機肥等潮濕且具有腐蝕性環(huán)境中工作，從而加速農(nóng)機具的損壞。激光熔覆粉末成分將直接影響熔覆層的耐腐蝕性，在耐腐蝕性能的研究探索中，鎳基自熔性合金粉末在激光熔覆材料中的研究最為突出，普遍應(yīng)用于局部要求耐腐蝕構(gòu)件的修補。隨著研究的深入，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)在熔覆過程中外場條件的添加和控制對熔覆層耐腐蝕性能有顯著的影響。在45鋼表面激光熔覆制備Fe60合金涂層，外加機械振動和磁場的復(fù)合場裝置進行輔助，在復(fù)合場作用下涂層中Fe-Cr固溶體含量得到有效提升，顯著提高了涂層的耐腐蝕性，為進一步優(yōu)化激光熔覆強化農(nóng)機的工藝提供了指導(dǎo)方向。
提高硬度：因土壤下會存在較大型的石塊和植物根莖，旋耕刀、圓盤耙這類耕作部件在翻耕犁地的過程中可能會遇到大的沖擊而受到損害，這就對農(nóng)業(yè)機械的硬度有更高的要求。有學(xué)者以45鋼為基體材料，在硬度方面上對Fe60合金和Ni60合金的熔覆層進行了比較研究。在同等激光功率及送粉量的條件下，Ni60合金熔覆涂層的硬度較高，但存在較多的裂紋缺陷，而Fe60合金結(jié)合區(qū)硬度高，整體硬度分布平緩，形成良好的冶金結(jié)合，且無明顯缺陷，與鎳基合金相比較，鐵基合金粉末綜合性能理想，更適合45鋼的激光熔覆表面處理。后來，對Fe60合金的熔覆層的微觀組織和性能進行了進一步的研究，單道熔覆的Fe60合金熔覆層組織主要由等軸晶、富含Ni、Cr、Si的枝狀晶和柱狀晶組成。適當?shù)募す馊鄹补に嚳刂茖崿F(xiàn)了熔覆層快速熔化、快速凝固，形成非平衡、亞結(jié)晶狀態(tài)的枝狀共晶組織，Si原子的固溶強化和激光處理后組織的細晶強化作用，形成了平整、致密、熱影響小的優(yōu)質(zhì)熔覆層，顯著提高了涂層硬度。
激光熔覆硬質(zhì)相顆粒近年來受到人們的廣泛關(guān)注，硬質(zhì)相顆粒包括WC，NbC，TiC，Tac和Vc等。WC顆粒的加入對提高基體的顯微硬度有積極的作用。Ma等使用激光熔覆技術(shù)制備了Ni60/WC復(fù)合涂層，涂層具有共晶組織特征，并且具有高硬度。硬質(zhì)增強的金屬基復(fù)合涂層由于兼具高的硬度和一定的塑性應(yīng)變能力，已被廣泛應(yīng)用于具有磨損工況的各類機械零件表面。
激光熔覆技術(shù)經(jīng)過近半個世紀的研究，在高端制造領(lǐng)域已經(jīng)積累了大量的實驗數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)理論。而由于農(nóng)業(yè)機械自身的特點、工作對象的復(fù)雜性，其制造、修復(fù)和強化手段要滯后于高端制造領(lǐng)域。因此，激光熔覆技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械修復(fù)強化的研究與應(yīng)用起步較晚，基本處于涂層材料制備工藝和耐磨耐蝕防護性能的初級研究階段。
為實現(xiàn)激光熔覆技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械修復(fù)強化領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，今后可以從以下三個方向進行研究：
1.借鑒高端制造業(yè)行業(yè)積累的研究成果，結(jié)合農(nóng)業(yè)機械修復(fù)強化的實際生產(chǎn)狀況，，改變農(nóng)業(yè)機械設(shè)計與制造水平低、發(fā)展速度慢的現(xiàn)狀。
2.研發(fā)適用于農(nóng)業(yè)機械修復(fù)與強化的新型復(fù)合材料粉末。在已有的材料體系上，結(jié)合農(nóng)業(yè)機械的特點，設(shè)計出適合不同工況的優(yōu)質(zhì)熔覆材料粉末體系。
3.激光熔覆是多種工藝參數(shù)共同作用下的結(jié)果，選擇合適的工藝參數(shù)組合才能獲得最佳性能的熔覆涂層。因此，研究工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計有其非常重要的實際意義。
盡管目前激光熔覆技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械修復(fù)與強化的應(yīng)用還存在一定的困難，但是可以相信，在科研工作者的共同努力下，在不久的將來，激光熔覆技術(shù)可以走出實驗室，廣泛應(yīng)用于農(nóng)用機械修復(fù)與強化領(lǐng)域，為我國的農(nóng)業(yè)機械化進程提供了強有力的保障。
來源： 焊接之家