一种用于车轴的激光熔覆的修复粉末及其修复方法与流程
本发明属于车轴修复的技术领域，特别是涉及一种用于车轴的激光熔覆的修复粉末及其修复方法。
背景技术：
目前，我国高铁、动车等铁路机车的车轴都是国外进口，在火车运行或者更换车轮时都会导致车轴的划伤或刮伤。车轴承载着车厢的重量，尤其在高速运行的高铁中，还受到不同频率的振动。为此，对车轴的质量和性能要求特别高，当车轴磨损小于某一范围时，例如：1mm，可以通过机械磨削的方式，去除划痕。但超过该深度后就得报废处理。因此，每年我国需要从国外进口成千上万的车轴维护正常运营，耗资巨大。
对于报废的车轴，目前过内没有维修技术和能力，为运行车辆的正常运行，必须更换新的车轴。
技术实现要素：
本发明为解决上述背景技术中存在的技术问题，提供一种用于车轴的激光熔覆的修复粉末及其修复方法。
本发明采用以下技术方案：一种用于车轴的激光熔覆的修复粉末，以重量百分数计，包括以下组分：c：0.08～0.12％；
nb：3.15～4.15％；
ti：0.25～0.55％；
cr：20.0～23.0％；
mn：0.4～0.6％；
ni：余量。
在进一步的实施例中，以重量百分数计，还包括以下组分：
si：0.4～0.6％；
p：0.014～0.016％；
s:0.014～0.016％；
mo：8.0～10.0％；
co：0.8～1.2％；
al：0.25～0.55％；
fe：4～6％；
cu：0.06～0.08％。
使用如上所述的用于车轴的激光熔覆的修复粉末对车轴进行激光熔覆的修复方法，具体包括以下步骤：
步骤1、对待修复的车轴进行预处理
将待修复的车轴通过机械加工，去除疲劳层，作为半成品；
步骤2、对半成品进行清洗
对车轴上的待熔覆区域进行清理；在清洗时，使用喷壶将把酒精或丙酮清洗液喷在车轴的表面及表面缺陷处，并用棉纺布擦净；
步骤3、粉末烘干
将上述粉末混合均匀后，置于150℃-170℃的高温环境下2-3小时，烘干；并自然冷却至室温；
步骤4、激光熔覆
根据缺陷熔覆层的厚度需求，设置激光熔覆的工艺参数，根据步进参数，对应在车轴的缺陷处执行激光熔覆，将缺陷处填满并覆盖；
步骤5、机械加工
将熔覆后的产品，车轴原有的尺寸，利用车床和磨床加工将零件加工成最终尺寸，然后按照产品表面要求，利用抛光设备将产品表面抛光，确保缺陷经激光熔覆后使得车轴加工成原有尺寸；
步骤6、交付车轴投入使用。
在进一步的实施例中，具体包括以下步骤：所述车轴为低碳合金钢。
在进一步的实施例中，所述步骤3中粉末烘干工艺前，对首次清洗后的半成品进行预热处理，预热环境为：200-300℃，预热时间为1小时。
在进一步的实施例中，所述步骤4中激光熔覆工艺前，对熔覆粉末进行预处理、对待加工的车轴进行二次处理，其包括如下步骤：
步骤401、将熔覆粉末装入送粉器中，通过多次送粉、称量、标定，检测送料器的送粉速度的稳定性；
步骤402、车轴的夹紧固定，将待加工的车轴定位并固定安装在待加工区域，然后通过易挥发性清洗剂清洗待缺陷及其附近的表面。
在进一步的实施例中，所述步骤5中机械加工工艺前，对已经激光熔覆的车轴通过机械手段去除或减少由激光熔覆带来的应力，具体包括以下几种手段：热处理、超声或机械振动；
机械加工工艺前，通过热处理对已经激光熔覆的车轴通过机械手段去除或减少由激光熔覆带来的应力，所述热处理的过程为：加热到900-950℃，保持30-45分钟，然后降温1.5-2h；通过热处理去除激光焊接在x、y、z方向上不同类型，不同程度的应力。
在进一步的实施例中，所述激光熔覆的工艺参数包括：所述激光熔覆的工艺参数包括：激光功率1000～3000w，光斑直径2-5mm，扫描速度5-30mm/s，送粉速度10-25g/min，送粉气体为氩气，送粉气体的流量10～15l/min，保护气体为氩气，保护气体的流量为20l/min，步进0.3-0.7光斑直径。
在进一步的实施例中，所述送粉气体用于输送粉末，所述保护气体用于在熔覆时对缺陷的表面进行保护防止氧化，激光射出的时间位于出保护气体和出送粉气体之后，所述保护气体与所述出粉气体之间无先后顺序。
在进一步的实施例中，在激光涂覆过程中，当送粉速度恒定时，其涂覆层厚度d，符合如下经验公式：
本发明的有益效果：本发明的目的在于突破技术壁垒，以激光熔覆的优势，为我国铁路车辆的车轴提供一种用于车轴的激光熔覆的修复粉末及其修复方法，采用该工艺对受损的车轴进行可修复处理。
经修复后的车轴的力学等性能均能满足使用标准：使得其表面具有更强的硬度、耐磨性和耐腐蚀性；并通过调节出粉气体、保护气体与激光之间的喷射时间，保证保护气体先于激光达到缺陷的表面，起到防止表面被氧化的效果。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图2为本发明车轴的结构示意图。
图2中的各标注为：轴座1、轴肩2。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了方便理解本发明所述的用于车轴的激光熔覆的修复粉末及其修复方法的技术方案，本发明首先对车轴的结构和目前车轴的现状做出简要介绍：如图2所示，所述车轴包括轴座1和轴肩2。轴座位置会安装车轮或制动系统，当拆卸车轮和制动系统的时候轴座和轴肩经常被划伤。微小的划痕在高速运行的高铁中，会形成裂纹源，随着振动和服役的加剧，会不断扩大，甚至导致车轴的断裂。在现有技术中的划痕本文阐述成缺陷，正常情况下车轴的半径为190毫米，当缺陷的深度不超过1毫米时，可以通过机械磨削的方式去除划痕；但是当缺陷的深度超过1毫米时，则做报废处理，耗资巨大。为此发明人通过本方案来实现对缺陷深度在1毫米至4毫米之间的车轴进行有效的修复，并最终能够正常运行，增加车轴重复使用率和降低报废量。当缺陷深度超过4毫米之后，则无修复的必要可直接更换新的车轴。
首先，为了修复后的车轴的疲劳强度不受影响，保证车轴的服役寿命和安全，故本方案采用了镍基合金粉末作为修复填料。所述修复粉末以重量百分数计，包括以下组分：c：0.08～0.12％、mn：0.4～0.6％、cr：20.0～23.0％、nb：3.15～4.15％、ti：0.25～0.55％、si：0.4～0.6％、p：0.014～0.016％、s:0.014～0.016％、mo：8.0～10.0％、co：0.8～1.2％、al：0.25～0.55％、fe：4～6％、cu：0.06～0.08％、ni：余量。
在上述配方中，强化熔覆层表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀能力。由于车轴为合金钢材料，通常为ea4t低碳合金钢，具有较强的抗疲劳性能、硬度高、抗拉强度强、韧性好、耐磨性和耐腐蚀能力。为了增加车轴基体与熔覆粉末之间的粘结强度，并强化表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀能力。其中，c元素有助于提高熔覆层的硬度。一方面，由于c元素本身就具备超强的硬度，在其表面镀铬，以提高熔覆表面的耐腐蚀性能，另一方面，在激光熔覆过程中，车轴基材表面会形成少量的fe熔液，容易与cr元素形成cr-fe合金相，使得熔覆层的硬度、耐磨性性能提高。ni和mn元素有助于提高熔覆层的耐腐蚀性能。
在进一步的实施例中，基于上述所述的用于车轴的激光熔覆的修复粉末的修复方法，具体包括以下步骤：
步骤1、对待修复的车轴进行预处理
将待修复的车轴通过机械加工，去除疲劳层，作为半成品；疲劳层的厚度根据车轴的使用时间选择，可去除的厚度范围控制在0.5-4毫米。
步骤2、对半成品进行清洗
对车轴上的待熔覆区域进行清理；在清洗时，使用喷壶将把酒精或丙酮清洗液喷在车轴的表面及表面缺陷处，并用棉纺布擦净；
步骤3、粉末烘干
将上述粉末混合均匀后，置于150℃-170℃的高温环境下2-3小时，烘干；并自然冷却至室温；
步骤4、激光熔覆
根据缺陷熔覆层的厚度需求，设置激光熔覆的工艺参数，根据步进参数，对应在车轴的缺陷处执行激光熔覆，将缺陷处填满并覆盖；
步骤5、机械加工
将熔覆后的产品，车轴原有的尺寸，利用车床和磨床加工将零件加工成最终尺寸，然后按照产品表面要求，利用抛光设备将产品表面抛光，确保缺陷经激光熔覆后使得车轴加工成原有尺寸；
步骤6、交付车轴投入使用。
在进一步实施例中，所述步骤3中粉末烘干工艺前，对首次清洗后的半成品进行预热处理，预热环境为：200-300℃，预热时间为1小时。
采用上述工艺：减小激光熔覆表面的冷却速度，避免产生淬硬组织和减小焊接应力与变形，它是防止产生焊接裂纹的有效方法。
在进一步实施例中，所述步骤4中激光熔覆工艺前，对熔覆粉末进行预处理、对待加工的车轴进行二次处理，其包括如下步骤：
步骤401、将熔覆粉末装入送粉器中，通过多次送粉、称量、标定，检测送料器的送粉速度的稳定性；
步骤402、车轴的夹紧固定，将待加工的车轴定位并固定安装在待加工区域，然后通过易挥发性清洗剂清洗待缺陷及其附近的表面。
采用上述工艺：由于本发明的熔覆工艺的基础为激光涂覆过程中送粉速度的恒定，因此本发明在每次使用送粉器时，需要对送粉器进行标定，以检测送料器的送粉速度的稳定性，进而提高涂覆的精准性。
在进一步的实施例中，
机械加工工艺前，通过热处理对已经激光熔覆的车轴或通过机械手段去除或减少由激光熔覆带来的应力，所述热处理的过程为：加热到900-950℃，保持30-45分钟，然后降温1.5-2h；通过热处理去除激光焊接在x、y、z方向上不同类型，不同程度的应力。在激光焊接过程中，应力分为拉应力和压应力，在不同的方向上，应力的大小和类型均不相同。同时受到材料各项性等因素的影响，各个方向上应力的变化趋势也不同。因此，如何去除各项异性的应力，是非常重要的，为此对热处理工艺进行改进。
例如，在一个实施例中，x方向为拉应力，而z方向为压应力，而且变化趋势不同，应力积累量也不同。如何采用一个工艺，去除不同性质的应力，是工艺上的难点。
采用上述工艺：通过热处理、超声、机械等手段去除或减少由激光熔覆带来的应力。
在进一步的实施例中，所述激光熔覆的工艺参数包括：激光功率1000～3000w，光斑直径2-5mm，扫描速度5-30mm/s，送粉速度10-25g/min，送粉气体为氩气，送粉气体的流量10～15l/min，保护气体为氩气，保护气体的流量为20l/min，步进0.3-0.7光斑直径。
采用上述工艺，可以提高涂覆层的稳定性，减小后期抛光厚度。在激光涂覆过程中，当送粉速度恒定时，其涂覆层厚度d，符合如下经验公式：
在进一步的实施例中，所述送粉气体用于输送粉末，所述保护气体用于在熔覆时对缺陷的表面进行保护防止氧化，激光射出的时间位于出保护气体和出送粉气体之后，所述保护气体与所述出粉气体之间无先后顺序。
采用上述工艺，可以保证镍基粉末在熔覆过程中，车轴中的合金组分的稳定性。首先氩气作为保护气体，在激光熔覆过程中，与保护气体配合，在粉末周围形成暂时的气氛层，避免基材和粉末在熔液状态时与空气接触，发生氧化反应、氮化反应，引入其它组分，然后激光在随后抵达缺陷的表面处。
下面结合实施例，对本发明作进一步说明，所述的实施例的示例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
本实施例提供一种用于车轴的激光熔覆的修复粉末及其修复方法，包括如下步骤：
步骤1、对待修复的车轴进行预处理
将待修复的车轴通过机械加工，去除疲劳层，作为半成品；所述车轴为低碳合金钢，控制去除的疲劳层的厚度为0.5-1毫米之间。
步骤2、对半成品进行清洗
通过使用棉纺布、喷壶，在清洗时，喷壶将把酒精或丙酮清洗液喷在车轴的表面及表面缺陷处，即对车轴上的待熔覆区域进行首次清理；对首次清洗后的半成品进行预热处理，预热环境为：250℃，预热时间为1小时。减小激光熔覆表面的冷却速度，避免产生淬硬组织和减小焊接应力与变形，它是防止产生焊接裂纹的有效方法
步骤3、粉末烘干
将c：0.10％、mn：0.5％、cr：21.5％、nb：3.85％、ti：0.30％、si：0.5％、p：0.015％、s:0.015％、mo：9.0％、co：1.0％、al：0.40％、fe：5％、cu：0.07％、ni：余量粉末混合均匀后，置于160℃的高温环境下2.5小时，烘干；并自然冷却至室温；
步骤4、激光熔覆
对熔覆粉末进行预处理、对待加工的车轴进行二次处理，其包括如下步骤：步骤401、将熔覆粉末装入送粉器中，通过多次送粉、称量、标定，检测送料器的送粉速度的稳定性；步骤402、车轴的夹紧固定，将待加工的车轴定位并固定安装在待加工区域，然后通过易挥发性清洗剂清洗待缺陷及其附近的表面；
根据缺陷熔覆层的厚度需求，设置激光熔覆的工艺参数，根据步进参数，对应在车轴的缺陷处执行激光熔覆，将缺陷处填满并覆盖；
步骤5、机械加工
对已经激光熔覆的车轴通过机械手段去除或减少由激光熔覆带来的应力，
机械加工工艺前，通过热处理对已经激光熔覆的车轴去除或减少由激光熔覆带来的应力，所述热处理的过程为：加热到900-950℃，保持30-45分钟，然后降温1.5-2h；
将熔覆后的产品，车轴原有的尺寸，利用磨床加手段将零件加工成最终尺寸，然后按照产品表面要求，利用抛光设备将产品表面抛光，其中粗磨粗的糙度达到0.2mm，精磨的糙度达到0.1mm，确保缺陷经激光熔覆后使得车轴加工成原有尺寸；
步骤6、交付车轴投入使用。
其中所述激光熔覆的工艺参数包括：激光功率2000w，光斑直径5mm，扫描速度11mm/s，送粉速度20g/min，送粉气体为氩气，送粉气体的流量12.5l/min，保护气体为氩气，保护气体的流量为20l/min，步进0.5mm。
进一步的，所述送粉气体用于输送粉末，所述保护气体用于在熔覆时对缺陷的表面进行保护防止氧化，激光射出的时间位于出保护气体和出送粉气体之后，所述保护气体与所述出粉气体之间无先后顺序。
在实施例1的基础上，对镍基粉末的配比进行调整如实施例2至实施例12。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：将c：0.12％、mn：0.4％、cr：22.1％、nb：4.10％、ti：0.41％、si：0.48％、p：0.014％、s:0.014％、mo：8.2％、co：1.1％、al：0.36％、fe：4.2％、cu：0.06％、ni：余量粉末混合均匀后，置于160℃的高温环境下2.5小时，烘干；并自然冷却至室温。其他步骤均相同。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于：将c：0.12％、mn：0.4％、cr：18.9％、nb：3.85％、ti：0.30％、si：0.5％、p：0.015％、s:0.015％、mo：9.0％、co：1.0％、al：0.40％、fe：5％、cu：0.07％、ni：余量粉末混合均匀后，置于160℃的高温环境下2.5小时，烘干；并自然冷却至室温。其他步骤均相同。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于：将c：0.12％、mn：0.4％、cr：21.5％、nb：3.85％、ti：0.30％、si：0.5％、p：0.015％、s:0.015％、mo：9.0％、co：1.0％、al：0.40％、fe：5％、cu：0.07％、ni：余量粉末混合均匀后，置于160℃的高温环境下2.5小时，烘干；并自然冷却至室温。其他步骤均相同。
实施例5
本实施例与实施例1的不同之处在于：将c：0.05％、mn：0.4％、cr：25.6％、nb：3.85％、ti：0.30％、si：0.5％、p：0.015％、s:0.015％、mo：9.0％、co：1.0％、al：0.40％、fe：5％、cu：0.07％、ni：余量粉末混合均匀后，置于160℃的高温环境下2.5小时，烘干；并自然冷却至室温。其他步骤均相同。
实施例6
本实施例与实施例1的不同之处在于：将c：0.15％、mn：0.4％、cr：25.6％、nb：3.85％、ti：0.30％、si：0.5％、p：0.015％、s:0.015％、mo：9.0％、co：1.0％、al：0.40％、fe：5％、cu：0.07％、ni：余量粉末混合均匀后，置于160℃的高温环境下2.5小时，烘干；并自然冷却至室温。其他步骤均相同。
实施例7
本实施例与实施例1的不同之处在于：将c：0.10％、mn：0.2％、cr：25.6％、nb：3.85％、ti：0.30％、si：0.5％、p：0.015％、s:0.015％、mo：9.0％、co：1.0％、al：0.40％、fe：5％、cu：0.07％、ni：余量粉末混合均匀后，置于160℃的高温环境下2.5小时，烘干；并自然冷却至室温。其他步骤均相同。
实施例8
本实施例与实施例1的不同之处在于：将c：0.10％、mn：1.0％、cr：25.6％、nb：3.85％、ti：0.30％、si：0.5％、p：0.015％、s:0.015％、mo：9.0％、co：1.0％、al：0.40％、fe：5％、cu：0.07％、ni：余量粉末混合均匀后，置于160℃的高温环境下2.5小时，烘干；并自然冷却至室温。其他步骤均相同。
实施例9
本实施例与实施例1的不同之处在于：将c：0.10％、mn：0.5％、cr：25.6％、nb：2.57％、ti：0.30％、si：0.5％、p：0.015％、s:0.015％、mo：9.0％、co：1.0％、al：0.40％、fe：5％、cu：0.07％、ni：余量粉末混合均匀后，置于160℃的高温环境下2.5小时，烘干；并自然冷却至室温。其他步骤均相同。
实施例10
本实施例与实施例1的不同之处在于：将c：0.10％、mn：0.5％、cr：25.6％、nb：4.96％、ti：0.30％、si：0.5％、p：0.015％、s:0.015％、mo：9.0％、co：1.0％、al：0.40％、fe：5％、cu：0.07％、ni：余量粉末混合均匀后，置于160℃的高温环境下2.5小时，烘干；并自然冷却至室温。其他步骤均相同。
实施例11
本实施例与实施例1的不同之处在于：将c：0.10％、mn：0.5％、cr：25.6％、nb：3.85％、ti：0.13％、si：0.5％、p：0.015％、s:0.015％、mo：9.0％、co：1.0％、al：0.40％、fe：5％、cu：0.07％、ni：余量粉末混合均匀后，置于160℃的高温环境下2.5小时，烘干；并自然冷却至室温。其他步骤均相同。
实施例12
本实施例与实施例1的不同之处在于：将c：0.10％、mn：0.5％、cr：25.6％、nb：3.85％、ti：0.16％、si：0.5％、p：0.015％、s:0.015％、mo：9.0％、co：1.0％、al：0.40％、fe：5％、cu：0.07％、ni：余量粉末混合均匀后，置于160℃的高温环境下2.5小时，烘干；并自然冷却至室温。其他步骤均相同。
其具体配比和相关的力学性能测试数据如下表所示(耐磨性：在试验压力240n/往复频率为2hz，试验时间为2h，检测熔覆层的磨损损失量)。
实施例13
一种用于车轴的激光熔覆的修复粉末及其修复方法，包括如下步骤：
步骤1、对待修复的车轴进行预处理
将待修复的车轴通过机械加工，去除疲劳层，作为半成品；所述车轴为低碳合金钢，控制去除的疲劳层的厚度为0.5-4毫米之间。
步骤2、对半成品进行清洗
通过使用棉纺布、喷壶，在清洗时，喷壶将把酒精或丙酮清洗液喷在车轴的表面及表面缺陷处，即对车轴上的待熔覆区域进行首次清理；对首次清洗后的半成品进行预热处理，预热环境为：250℃，预热时间为1小时。减小激光熔覆表面的冷却速度，避免产生淬硬组织和减小焊接应力与变形，它是防止产生焊接裂纹的有效方法
步骤3、粉末烘干
将c：0.10％、mn：0.5％、cr：21.5％、nb：3.85％、ti：0.30％、si：0.5％、p：0.015％、s:0.015％、mo：9.0％、co：1.0％、al：0.40％、fe：5％、cu：0.07％、ni：余量粉末混合均匀后，置于160℃的高温环境下2.5小时，烘干；并自然冷却至室温；
步骤4、激光熔覆
对熔覆粉末进行预处理、对待加工的车轴进行二次处理，其包括如下步骤：步骤401、将熔覆粉末装入送粉器中，通过多次送粉、称量、标定，检测送料器的送粉速度的稳定性；步骤402、车轴的夹紧固定，将待加工的车轴定位并固定安装在待加工区域，然后通过易挥发性清洗剂清洗待缺陷及其附近的表面；
根据缺陷熔覆层的厚度需求，设置激光熔覆的工艺参数，根据步进参数，对应在车轴的缺陷处执行激光熔覆，将缺陷处填满并覆盖；
步骤5、机械加工
将熔覆后的产品，车轴原有的尺寸，利用磨床加手段将零件加工成最终尺寸，然后按照产品表面要求，利用抛光设备将产品表面抛光，确保缺陷经激光熔覆后使得车轴加工成原有尺寸；
步骤6、交付车轴投入使用。
其中所述激光熔覆的工艺参数包括：激光功率2000w，光斑直径5mm，扫描速度11mm/s，送粉速度20g/min，送粉气体为氩气，送粉气体的流量12.5l/min，保护气体为氩气，保护气体的流量为20l/min，步进0.5mm。
进一步的，所述送粉气体用于输送粉末，所述保护气体用于在熔覆时对缺陷的表面进行保护防止氧化，激光射出的时间位于出保护气体和出送粉气体之后，所述保护气体与所述出粉气体之间无先后顺序。
实施例14
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤5、机械加工
对已经激光熔覆的车轴通过机械手段去除或减少由激光熔覆带来的应力，
机械加工工艺前，针对焊缝区域进行振动。使得振源与结构发生稳定的共振。利用稳定共振产生的变载应力，使焊缝区产生塑性变形。达到消除焊接应力的目的。不锈钢金属结构使用振动法消除应力效果较好。
将熔覆后的产品，车轴原有的尺寸，利用磨床加手段将零件加工成最终尺寸，然后按照产品表面要求，利用抛光设备将产品表面抛光，其中粗磨粗的糙度达到0.2mm，精磨的糙度达到0.1mm，确保缺陷经激光熔覆后使得车轴加工成原有尺寸；
即实施例13、实施例14与实施例1相比，缺少了对加工后的车轴进行机械去应力的处理，并对实施例1和实施例13、实施例14的成本进行表面残余应力的检测，其检测结果如下表所示。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
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