【科普系列】超高强钢300M激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层温度场数值模拟研究

 起落架300M超高强钢为什么要熔覆耐磨防腐自润滑涂层？

    起落架是飞机起飞和降落过程中唯一支撑飞机的部件，尤其是在飞机降落阶段，其承载的载荷不仅仅来自机身质量，还有飞机垂直方向巨大的冲击载荷。频繁的起降滑行，起落架减震支柱内筒裸露于大气环境中，使其容易受环境中的腐蚀性气体、灰尘、颗粒等的影响，当支柱内外筒相对运动接触时摩擦力增加，同时在巨大冲击载荷的作用下，减震支柱容易发生表面点蚀和支撑环磨损、变形等。为满足减震支柱恶劣的使用环境，减震支柱选用综合力学性能优良的超高强合金钢300M，超高强度钢可分为低合金、中合金和高合金3类，飞机起落架用的300M钢材，是典型的低合金钢，对“氢脆”很敏感，真空高温冶炼需要高纯净度。钢铁冶炼凝固过程中，残留在钢铁内的氢原子会主动寻找位错，向金属中缺陷附近不断集中，到室温时，原子氢在缺陷处结合成分子氢，从而产生巨大的内应力，使金属产生看不见的裂纹，也就是“氢脆”。此外，该材料抗磨损和耐蚀性能较差。因此，为了满足飞机的安全运行，迫切需要长寿命和高可靠性的机械零件。有必要对起落架易磨损、腐蚀部位采取有效措施以提高其耐磨性、耐腐蚀性。为了提高300M超高强钢表面的耐磨和耐蚀性能，传统的方法是在飞机起落架减震支柱上镀硬铬，但镀硬铬方法容易产生铬层微裂纹、气密性差和易形成氢脆，且该方法制备的涂层在飞机服役过程中，镀层经常出现腐蚀、镀层被划伤和镀层脱落等失效导致减震支柱出现泄露和掉压等故障，且镀层失效会诱发高强钢减震支柱腐蚀开裂，降低其强度，影响飞机的安全运营。由于传统方法的不足，一些专家学者采用超音速火焰喷涂方法在减震支柱表面制备耐磨防腐蚀涂层，但超音速火焰喷涂方法制备的涂层易出现剥落、剥离、起皮和裂纹等缺陷，且涂层与基体结合力差。由于激光功率密度高、能量精细可控、热影响区极小、激光熔覆形成的熔覆层组织致密、熔覆层和基体结合力强等优点，采用激光熔覆方法在起落架减震支柱300M超高强钢材料表面制备耐磨防腐自润滑涂层的研究克服了涂层与基体结合力差、产生裂纹等力学性能的缺陷。耐磨防腐自润滑涂层的润滑原理是随着涂层的磨损，不断暴露出新的润滑剂，持续不断地为涂层表面润滑，从而使起落架减震支柱300M在工作时具有减磨抗磨性能，改善了300M超高强钢材料的耐磨性，使其更适于重载荷、长时间工况下安全使用。

 起落架图片（图片来自“今日关注”）

 起落架300M超高强钢激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层的影响因素

    现有研究表明激光熔覆自润滑涂层具有硬度高、摩擦磨损性能良好的特点，但在300M超高强钢材料表面制备耐磨防腐自润滑涂层的关键环节是参数优选，从而保证实现耐磨、耐腐蚀材料和自润滑材料都能熔化，但又不会形成过渡熔化。此外，影响涂层综合性能的关键因素是涂层质量问题，当涂层中含有气孔、裂纹等缺陷时将严重影响熔覆层的耐磨和耐腐蚀的综合性能。目前，激光熔覆技术的发展日渐成熟，但激光熔覆层的裂纹缺陷问题仍未得到很好的解决，这严重影响了产品的质量和寿命。研究表明，导致激光熔覆层产生裂纹的因素较多，其中主要与熔覆材料以及熔覆工艺参数选择的匹配度密切相关。当材料选择不合理以及成形工艺匹配不佳时，在激光作用下，熔覆层表面与基材间会产生很大的温度梯度。由于基体材料和涂层的物理性质存在差异， 在随后快速冷却的情况下，温度梯度易造成熔覆层内部以及熔覆层与基材间的胀缩不一致，导致熔覆过程中容易在熔覆层的表面、内部以及熔覆层与基体的界面处形成裂纹。在激光熔覆过程中，工艺参数对熔覆层形貌、熔覆质量、裂纹和润滑相的形成有决定性作用， 因此需要寻求最佳的激光工艺参数(激光功率、激光扫描速率等)，但采用激光熔覆技术制备耐磨防腐自润滑涂层涉及多参数优化，实验探索存在实验周期长、实验耗材多、人为因素复杂等因素的影响。数值模拟方法可以有效地评价多参数涂层制备过程中激光热源的温度场演化、熔池的演变、温度梯度的变化等。

01

激光功率

    激光功率越大，熔覆金属熔化的量越多。随着激光功率增加，熔覆深度增加，熔池中液态金属剧烈波动，熔池动态凝固结晶，使气孔数量逐渐减少甚至得以消除，裂纹也逐渐减少。根据激光作用在材料表面的能量密度大小的不同，涂层的厚度各异。由于涂层熔化需要的能量存在临界值，当激光作用在涂层的能量密度高于临界值时，涂层才能熔化。当外界环境一致时，同样的激光能量密度所能熔化的涂层厚度应当不变。所以激光能量密度大于涂层熔化的临界值，此时激光功率密度作用在涂层上，熔覆的粉末熔化的深度达到极限深度后，激光对涂层的作用主要体现在基体上，激光辐照使基体表面温度升高，当达到基体熔化的临界值时，基体熔化与涂层熔化的金属形成冶金结合带。但激光功率过大时，基体表面温度剧增，变形和开裂现象加剧。而激光功率过小，仅表面涂层熔化，基体未熔，此时熔覆层表面出现局部起球、空洞等，达不到表面熔覆的目的。

    伴随激光功率的增加，熔池的宽度和高度均增加(图1)，且激光熔覆的熔池高度伴随激光功率增加其增加率先降低再增加。激光熔覆的熔池高度包括同步送粉粉末被熔化的高度及其基体被熔化的高度，本工作是通过控制粉末被熔化的高度保持不变，熔化的高度变化主要体现在基体被熔化的深度，伴随激光功率的增加，激光熔覆的熔池高度和基体被熔化的高度变化趋势一致。熔池高度增加率的变化主要是由于增加的激光功率作用在同步送粉的粉末上，升高了粉末形成的熔池的温度，高温粉末通过热传导传导到基体的能量一部分被基体热扩散消耗掉，只有部分能量被用于加热基体，当增加的能量没有达到基体熔化能量临界值时，基体熔化高度不会改变。由于基体材料熔化需要达到熔化的能量临界值及基体对能量的热扩散损耗等综合作用，导致激光熔覆过程熔凝层高度伴随激光功率的增加其增加速率先降低后增加。

    伴随激光功率的增加，冷却速率越高(图1)，这是因为导体传热存在一定的滞后现象，随着激光功率的增加不能对基体温度产生显著影响，在相同时间内同一激光熔覆区域的能量增加，最高温度增加，熔覆区域与基材间的温差增加，冷却驱动力增加，所以最大冷却速率增加。

图1 激光功率对熔覆过程熔池及冷却速率的影响

    伴随激光功率的增加，Z方向温度梯度逐渐增加(图2)。激光功率越大，激光能量密度越高，激光输入能量越多。由于激光的快速加热，能量主要集中在激光熔覆区域，导致熔覆区域与基体的温差增加，温度梯度增大。

图2 不同功率Z方向温度梯度等值线图  (a)1500 W;(b)1800 W;(c)2100 W;(d)2400 W

02

激光扫描速率

    激光扫描速率与激光功率有相似的影响。激光扫描速率过高，合金粉末不能完全熔化，不能起到优质的熔覆效果；激光扫描速率太低，熔池存在时间过长，粉末过烧，合金元素损失，同时基体的热量输入过大，会增加基体的变形量。

    随着激光扫描速率的增大，熔池高度及宽度逐渐减小(图3)。随激光扫描速率的增加，单位面积上激光输入能量降低导致熔覆层降低速率先小后大。降低的熔池温度使通过热传导传递的能量降低及当温度没有降低到熔点以下熔池依然存在等综合影响，导致熔池的高度随激光扫描速率的增加，其变化速率不同。

    伴随激光扫描速率的增加，最大冷却速率有降低趋势(图3)，这是因为激光扫描速率增加，相同时间内同一激光熔覆区域的能量减少，最高温度降低，熔覆区域与基材的温差减小，冷却动力减小，所以最大冷却速率降低。

图3 激光扫描速率对熔覆过程熔池及冷却速率的影响

    激光扫描速率提高，温度梯度值随之减小(图4)。这是由于温度梯度的大小与空间的温度分布差值密切相关，随激光扫描速率提高，单位区域激光输入能量降低，导致激光熔覆区域总的温度降低。由于激光的快速加热和凝固，能量降低对温度的影响和速率增加对温度的均匀性降低有一个竞争关系，当温度降低对温度梯度的影响大于温度均匀性降低对温度梯度的影响时，就会出现伴随激光扫描速率的提高，温度梯度值随之减少。

图4 不同速率Z方向温度梯度等值线图

(a)4 mm/s;(b)6 mm/s;(c)8 mm/s;(d)10 mm/s

 存在的问题及展望（激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层方面）

    激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层的制备是在基体表面添加单一或者复合金属(Cu、Ag)，合金(MoS₂、WS₂、CaF₂)、陶瓷相(TiC、TiB₂₎组元，通过激光熔覆技术工艺技术，使基体金属与润滑相冶金结合成具有耐磨减摩的涂层。由于润滑功能主要来源于润滑相本身，在选择润滑相时应考虑润滑相与基体金属之间的物理、化学性质及结构是否相匹配，选择适宜的润滑相。此外，在高能激光的作用下，润滑相可能存在氧化、分解、飞溅、上浮及下沉等现象，使润滑相在涂层中保留下来较少，影响涂层的润滑功能。这也是在制备激光熔覆自润滑耐磨涂层时需要考虑的问题。

    激光熔覆自润滑涂层最初主要应用于航空发动机某些在高温高压氧化性气体中工作的特殊零件, 但随着航空航天、海洋工程、极地探索、核工程等相关领域的发展, 迫切要求自润滑涂层能够适应其他极端工况环境。因此，针对特定的使用环境，应展开其使用环境下耐磨、耐腐蚀等性能研究。目前，激光熔覆自润滑耐磨复合涂层在超高温 (>1000 ℃) 、低温、重载、变速、辐射、真空以及酸碱等环境下使用，但是在特定环境下摩擦磨损、耐腐蚀等性能评价研究尚少；另外，综合考量涂层耐磨性和减摩性的协调问题，合理选择润滑相，设置润滑材料和其他材料的配比尚不成体系；再加上研究人员在激光熔覆过程中，对熔覆层内部应力演变、裂纹形成机理等问题认识尚存在不足。针对这些问题，接下来的工作应立足于现有合金相图，探索新型合金性能， 探求新型润滑材料、新配方，从根源上减少熔覆缺陷，提升自润滑涂层性能。

 参考文献

[1] 李寒松,王栋梁,朱增伟, 等. 300M钢表面无裂纹电镀硬铬的显微硬度和耐腐蚀性研究[J]. 电加工与模具, 2015 (2):61-65.

[2] 周克崧,邓春明,刘敏.超音速火焰喷涂WC涂层替代电镀硬铬:疲劳和摩擦磨损性能[J]. 中国工程科学, 2009, 11(10):48-54.

[3] 张智慧.300M钢超音速火焰喷涂WC涂层工艺分析[J]. 航空制造技术, 2015(增刊2):135-137.

[4] 刘丰刚,林鑫,宋衍. 等. 激光修复300M钢的组织及力学性能研究[J]. 金属学报, 2017, 53(3):325-334.

[5] LIU F , LIN X , SONG M , et al. Effect of tempering temperature on microstructure and mechanical properties of laser solid formed 300M steel[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2016, 689:225-232.

[6] 钟平,肖葵. 超高强度钢组织、性能与腐蚀行为[M].北京: 科学出版社, 2014

[7] LIU X B,MENG X J Meng, LIU H Q. Development and characterization of laser clad high temperature self-lubricating wear resistant composite coatings on Ti-6Al-4V alloy[J]. Materials and Design, 2014,55 :404-409. 

作者：庞铭，博士，研究员，中国民航大学机场学院，主要从事结构强度评估、激光与材料的相互作用及新型涂层制备方面的研究，

E-mail:[e-mail]

刘全秀，中国民航大学机场学院，油气储运专业研究生，研究方向为激光制备新型涂层仿真和实验

原文出处：

300M钢激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层温度场数值模拟研究

庞铭, 刘全秀

2020, 40(2): 35-42   

doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2019.000051