市場(chǎng)背景
與工業(yè)機(jī)械、航空航天、汽車等高端制造領(lǐng)域相比，農(nóng)業(yè)機(jī)械制造總是滯后于它們。為促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，需加強(qiáng)激光熔覆技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械修復(fù)與強(qiáng)化上的應(yīng)用。借鑒其他領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)研究成果，為農(nóng)業(yè)機(jī)械的修復(fù)與強(qiáng)化提供研究方向。因此，為提高農(nóng)業(yè)機(jī)械在復(fù)雜的土壤環(huán)境下的可靠性，可以從以下4個(gè)方面進(jìn)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(jī)械的使用強(qiáng)度高，工作環(huán)境條件差，許多農(nóng)機(jī)零部件在長(zhǎng)期使用中處于超負(fù)荷運(yùn)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(duì)缺損的零部件進(jìn)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(diǎn)，已經(jīng)在農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)運(yùn)行的過程中，會(huì)受到較強(qiáng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jī)械中經(jīng)常需要修復(fù)的零部件之一。軸類部件除了會(huì)受交變應(yīng)力的作用，還會(huì)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(jī)的工作環(huán)境較為惡劣，內(nèi)部的轉(zhuǎn)軸在長(zhǎng)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(qiáng)磨粒的作用，進(jìn)而加劇損傷進(jìn)程，形成惡性循環(huán)。應(yīng)用激光熔覆技術(shù)對(duì)軸承進(jìn)行原位修復(fù)，能夠填補(bǔ)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(duì)熔覆涂層進(jìn)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(jī)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(duì)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(huì)造成嚴(yán)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(jī)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(jī)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(diǎn)高、合金自熔性差、抗氧化性差、流動(dòng)性不好、氣孔夾渣較多等缺點(diǎn)。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(jìn)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(jìn)行機(jī)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(xì)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(jī)械耕作部件經(jīng)常在農(nóng)藥、化肥、有機(jī)肥等潮濕且具有腐蝕性環(huán)境中工作，從而加速農(nóng)機(jī)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(bǔ)。隨著研究的深入，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)在熔覆過程中外場(chǎng)條件的添加和控制對(duì)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(jī)械振動(dòng)和磁場(chǎng)的復(fù)合場(chǎng)裝置進(jìn)行輔助，在復(fù)合場(chǎng)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(jìn)一步優(yōu)化激光熔覆強(qiáng)化農(nóng)機(jī)的工藝提供了指導(dǎo)方向。
提高硬度：因土壤下會(huì)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(huì)遇到大的沖擊而受到損害，這就對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)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(duì)Fe60合金和Ni60合金的熔覆層進(jìn)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(duì)Fe60合金的熔覆層的微觀組織和性能進(jìn)行了進(jìn)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(dāng)?shù)募す馊鄹补に嚳刂茖?shí)現(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(qiáng)化和激光處理后組織的細(xì)晶強(qiáng)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(duì)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(qiáng)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(jī)械零件表面。
激光熔覆技術(shù)經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的研究，在高端制造領(lǐng)域已經(jīng)積累了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)理論。而由于農(nóng)業(yè)機(jī)械自身的特點(diǎn)、工作對(duì)象的復(fù)雜性，其制造、修復(fù)和強(qiáng)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(jī)械修復(fù)強(qiáng)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(hù)性能的初級(jí)研究階段。
為實(shí)現(xiàn)激光熔覆技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械修復(fù)強(qiáng)化領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，今后可以從以下三個(gè)方向進(jìn)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(jī)械修復(fù)強(qiáng)化的實(shí)際生產(chǎn)狀況，，改變農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)械修復(fù)與強(qiáng)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(jī)械的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(jì)有其非常重要的實(shí)際意義。
盡管目前激光熔覆技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械修復(fù)與強(qiáng)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(shí)驗(yàn)室，廣泛應(yīng)用于農(nóng)用機(jī)械修復(fù)與強(qiáng)化領(lǐng)域，為我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程提供了強(qiáng)有力的保障。
來源： 焊接之家