激光熔覆在车轮和电机轴修复的应用

激光熔覆，也称为激光金属沉积，是将一种材料添加到另一种材料表面的技术。激光熔覆技术可以实现材料的精确、选择性沉积，并且对基体的热输入极小。该工艺能够改善零件表面的性能，包括更好的耐磨性，并可以修复损坏或磨损的表面。

 

激光熔覆作业近景

 

激光熔覆技术原理和特点

激光熔覆采用金属丝材（包括热丝和冷丝）或金属粉末作为熔覆材料。工作时，激光束在工件表面形成熔池，同时将金属丝或粉末送入熔池。虽然激光作为热源功率很高，但由于作用时间极短，因此熔覆层的凝固和冷却速度非常快。

这种工艺形成的冶金结合层特点包括，结合强度高于热喷涂工艺，相比硬铬电镀工艺更安全环保。该技术的优势在于：可混合两种或多种粉末，并能独立控制每种粉末的送粉速率；能够制造异种材料组件或功能梯度材料；由于熔池中的局部熔融和混合作用，可在微观结构层面设计材料梯度分布；可根据具体应用的功能需求定制熔覆材料性能。

激光熔覆通过制备抗磨损、耐腐蚀的防护层，显著提升工业产品的性能表现。该技术可助力节约自然资源——工程师可采用普通合金作为基体材料，仅在需要部位熔覆高合金材料，即可获得所需的性能特征。此外，激光熔覆还是修复和再制造高价值零部件的关键技术，不仅能精确复原零件几何形状，更能通过选用比原件更具耐磨特性的熔覆材料，延长使用寿命并提升性能指标。

激光熔覆技术最显著的特性是超高精度和极低热影响，这使得工件熔覆区域的几何特征几乎不受影响。相较于其他熔覆工艺，该技术所需的二次精加工更少。通常仅需单层熔覆即可达到目标性能，而其他高稀释率工艺往往需要两层以上。
近年来，激光熔覆技术的创新主要聚焦在保持核心工艺特性的同时，提升生产效率：

● 热丝激光熔覆通过向加工区域送入预热金属丝，释放更多激光能量用于基体材料熔合，从而实现更高送丝速率。

● 高速激光熔覆使添加剂粉末在抵达基材前于激光束中充分熔化，熔融粉末通过热传导与固态基体实现冶金结合。

● 大光斑激光熔覆通过扩大工件表面激光光斑尺寸，在避免基材过度熔化和稀释率增加的前提下实现更高激光功率的运用。

● 同轴激光熔覆采用与工件垂直的送料方式（通常为金属丝），激光束以同轴方式环绕送料丝投射。这种工艺能确保不同行进方向下的加工条件一致性，该技术当前主要面向三维激光金属沉积领域进行重点开发。

 

在地铁车轮性能提升中的应用

铁路运输因其高效性与大运量优势，已成为缓解城市交通拥堵的重要解决方案。尽管尚未发生重大安全事故，但随着工业发展和科技进步，列车运行安全的重要性日益凸显。作为地铁车辆关键部件，车轮的工况环境比高铁更为复杂。频繁启停制动易导致车轮损伤，而激光熔覆技术能有效提升其耐磨性与使用寿命。

地铁车轮常见损伤类型包括轮缘磨损、踏面划伤、踏面磨损、踏面剥离及轮缘剥离等。此外，在车轮维护过程中，轮轨间的相对运动也可能导致轮辋表面磨损。研究车轮滑动摩擦性能对保障列车运行安全至关重要。

在车轮滑动摩擦性能研究中的应用

激光熔覆技术通过在基体表面熔覆金属合金层，在汽车工业、高附加值零部件修复等领域具有广泛应用前景，其熔覆层展现出优异的抗磨损与抗滚动接触疲劳裂纹性能。

该技术能显著强化基材性能，使工件表面获得卓越品质。学界普遍认为，激光熔覆与激光焊接技术可通过选用不同合金粉末，制备出兼具耐磨、减摩、耐蚀、抗疲劳及抗氧化特性的复合涂层。

合金粉末的选型对激光熔覆工艺至关重要。轨道与车轮结构常采用铁基与镍基粉末，这两种粉末在成分、功能及特性上存在显著差异：

 

地铁轮毂修复中镍/铁合金干滑动摩擦磨损性能分析

据悉，华东交通大学研究人员针对地铁车轮修复，对比研究了镍基与铁基合金涂层的性能差异。采用激光熔覆技术在铁路车轮ER9材料表面制备镍基/铁基合金涂层，所得涂层结构致密，无缺陷、裂纹或气孔。

 

激光熔覆修复电机轴

研究团队通过能谱仪、扫描电镜、三维光学形貌仪及X射线衍射仪系统分析了涂层的微观组织、界面元素及物相类型。利用MFT-EC4000往复式电化学磨损摩擦试验机与维氏显微硬度计，测试涂层力学性能。实验选用含（Ni、Fe）、Cr23C6及Cr7C3相的γ镍基涂层，以及由Fe、（Fe-Cr-Ni）和（Fe、Ni）固溶体相组成的γ铁基涂层。

研究发现，镍基合金中铬元素的沉积增强了原子间结合力，产生固溶强化效应；同时，熔覆层组织中硬质碳化物相与固溶体的存在，显著提升了材料的抗压强度与抗拉强度。当粘着磨损为主要磨损机制时，镍基涂层在摩擦磨损试验后期会出现更严重的氧化现象。铁基涂层硬度达715 HV0.7，是基材硬度的2.86倍；而镍基涂层的最大硬度为268.4 HV0.7。

 

激光熔覆修复车轮

此外，镍基涂层的摩擦系数低于铁基涂层。在耐磨性能方面，镍基涂层的耐久度约为铁基涂层的4倍。铁基涂层因固溶体相的存在呈现固溶强化效应。由于熔覆涂层的预热作用导致局部淬火，进一步提升了组织的硬度和耐磨性。

研究表明，镍基涂层在高温环境下表现优异，其硬度和摩擦系数相对较低，但镍基合金的经济性较差。实验证实，激光熔覆技术可显著提升车轮的硬度和耐磨性。同时研究发现，当合金涂层与基体材料相同时，合金粉末能带来更显著的性能提升。鉴于轮轨系统的最佳磨损匹配关系，以及涂层本身的高耐磨性和高硬度特性，铁基涂层并不适用于车轮熔覆修复。

 

在电机轴修复上的应用

在电机的维护保养和修理过程中，不时会出现零部件局部尺寸不符合的情况，如电机轴的轴承位变小，轴承窒尺寸变大等事实，特别是对于维保和修理单位，又不具备零部件加工更换的客观条件，因而局部的修补技术就显得特别重要。

刷镀、堆焊和冷焊接工艺，在电机零部件修补中比较常见，而激光熔覆作为近年来关注度较高的金属材料修复技术，是通过同步或预置材料的方式，将外部材料添加至基体并经激光辐照，外部材料与基体材料共同快速凝固，在基体表面形成包覆层的一种工艺方法。

采用激光熔覆技术修复电机轴，已成为中国电机维修设备厂商的普遍共识。相较于传统修复工艺，激光熔覆具有不可替代的三大核心优势：热影响区小，修复过程零变形；熔覆层结合强度高，实现冶金结合；单边熔覆厚度可达3mm，无脱落风险。

该方法能使添加材料与基体呈冶金结合方式，两者结合牢固的同时，具有较强的防腐蚀、抗氧化性能，耐热性、耐磨性都很好，因而被广泛应用到零部件的修复及表面改性领域，而且特别适宜于薄层组织的修复，诸如电机轴承系统配合面的修复，目前在一些好的电机维修单位得到较好的应用。

目前，市面上有普通速率和超高速率的激光熔覆系统，相比较，超高速激光熔覆在的高速下进行激光熔覆，粉末大多在空间被激光熔化，激光在基体材料上形成的熔池尺寸更浅、更小，具有超快的冷却速率。随着熔覆速率的增加，熔覆道之间的搭接率逐渐提高，可以建立多薄层搭接结构，涂层会更均匀，对基体的残余应力会更小，有效防止了基体变形。

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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