冯显磊，率秀清，王忠，王孟，谢玲珍，李中元

山推工程机械股份有限公司 山东济宁 272073

激光增材技术为一种绿色环保技术，目前主要集中用在航空航天、汽车等领域[1]，未来在工程机械行业领域具有较大推广价值及应用前景。

目前，电镀工艺因环保问题，已被逐步淘汰。针对大功率推土机需要镀铬的工件面临无厂家可加工的瓶颈问题。

同时，大功率推土机作业环境极其恶劣，尤其是弹簧筒局部暴露在腐蚀环境中，同时承受较大摩擦及碰撞问题，镀铬层极易脱落，难以保证使用寿命，需要新的工艺替代。

利用激光高功率密度束，在基体表面形成很薄的微熔层，同时以预置或同步方式添加特定成分的直熔合金粉，如镍基、钴基、铁基合金等，使它们以熔融状态均匀地铺展在零件表面，与微熔基体层形成良好的冶金结合，并且两者之间有很小的稀释度，在随后的快速冷却过程中，在零件表面形成与基体不同的、具有预定特殊性能的熔覆层，可以获得极高的耐磨、耐腐蚀、耐高温等特性[2]。

1 大功率弹簧筒激光增材方案

激光增材区域设计：根据产品工作状态要求，如图1粗实线部位为激光增材区域，尺寸φ400mm×400mm。

激光增材设备采用西安光机所的6000kW激光器，光斑尺寸为5mm×30mm。

弹簧筒加工流程设计：铸造→正火→调质→粗加工→激光增材→磨削加工→检测→成品。

设备采用全自动化，生产过程中弹簧筒绕轴心自动旋转，激光器同步送粉增材熔覆。

2 激光增材参数设计

增材合金粉末主要成分配比：wC=0.14%，wCr=16.9%，wNi=2.6%，wB=3.16%。粒度0.048～0.075mm（200～300目）。

激光增材技术要求：表面硬度52～60HRC，增材硬化层设计要求：≥1.1mm。激光器工艺参数设置见表1。

图1 大功率推土机弹簧筒激光增材区域

表1 激光器工艺参数设置

3 激光增材样件检测与分析

对激光增材的样件进行检测，图2为表面硬度检测，结果见表2。对激光增材层不同熔覆状态层的硬度梯度检测，如图3所示，A面为搭接区，B面为未搭接区，两个面的硬度梯度检测结果分别如图4、图5所示。

图2 激光增材层表面硬度检测

由硬度梯度检测结果来看，激光增材并磨削加工后，剖检硬化层均在1.1mm以上，达到预定设计要求。

对试验样件剖检，激光增材层金相检测如图6、图7所示，图8为激光增材层与基体熔合区金相。

激光增材层硬度梯度及金相组织检测结果分析：在检测A面试样制样时，宏观A面表层增材层白亮与热影响区有明显的界限，热影响区域与过渡区、基体有较明显的色差。说明熔覆层与基材互溶性极小，热影响区发生了明显的组织变化。微观金相分析：50倍下可见4区的明显差别，增材区白亮厚度1.11mm；热影响区1.5mm，过渡区1.5mm。500倍下热影响区为条块状铁素体+块状分布珠光体，未见魏氏组织。A面为激光增材搭接区，由于前道激光增材层未来得及冷却，已进行重叠增材，造成热影响区吸收热量过多，而冷却又缓慢导致。从宏观检测来看与硬度梯度检测完全吻合。

表2 激光增材表面硬度检测表

图3 激光增材层不同熔覆状态层的硬度梯度检测

图4 激光增材未搭接区（B面）硬度梯度

图5 激光增材搭接区（A面）硬度梯度

图6 激光增材层A面金相检测

图7 激光增材层B面金相检测

图8 激光增材层与基体熔合区

在检测B面试样制样时，宏观B面表层涂覆层白亮，与淬硬区有明显的界限，淬硬区域与热影响区、过渡区色差不明显，说明熔覆层与基材互溶性极小，淬硬区域到基体为逐步过渡。微观金相分析：50倍下可见熔覆区白亮厚度0.94mm；淬硬区1.2mm，热影响区0.57mm、过渡区0.91mm。100倍下硬化区可见羽毛状贝氏体，贝氏体由粗大状逐步转向短羽毛状。热影响区主要是部分贝氏体+细化后未熔铁素体+珠光体的混合组织。基体网状铁素体+索氏体6级以上。500倍下淬硬区为明显的羽毛贝氏体。B面为激光熔覆区，由于基体加热迅速、冷却适中，淬硬区形成大量贝氏体，其检测结果和硬度梯度吻合。

激光熔覆过程中存在叠加区域，从检测结果及侧剖面验证了推测A、B两面性。在轴向表现为基体的软硬交替性，但熔覆层由于散热较快，加上金属粉末中添加了一定的硼元素等促进淬透性元素，快热、快冷淬硬效果较好。即熔覆层硬度完全达到技术要求，在轴向不存在交替现象。A面由于热影响区的存在，使其硬度梯度在该交界处发生了急剧降低情况，而且热影响区的硬度低于基体硬度；B面由于淬硬区的存在，硬度缓慢下降、逐步过渡。激光增材层与基体熔合率≤5%。

电镀试样镀层厚度58μm，镀层硬度为700HV，经检测附着力1级，磨损试验0.024mg/次，镀层孔隙率5.12%；激光增材试样，增材层厚425μm，镀层硬度700HV，经检测附着力0级，磨损量0.009mg/次，镀层孔隙率1.09%。试验结果表明，激光增材明显优于电镀镀铬工艺。

目前，该技术已批量在大功率推土机弹簧筒上成功应用，替代镀铬工艺，如图9所示。

图9 弹簧筒激光增材批量生产产品

4 结束语

大功率推土机弹簧筒等产品采用激光增材替代镀铬+前期感应热处理工艺，可提升大功率推土机弹簧筒的寿命3倍以上，提升了大功率推土机在国际工程机械行业中的竞争力。激光增材技术为绿色环保、低耗能、高密度的现代加工手段，目前在国内高精端设备制造中起着举足轻重的作用，解决了常规加工手段难以解决的技术难题。本次在大功率推土机上的成功应用，将为该技术向工程机械领域拓展起到示范作用。