激光熔覆技术在半浸桨装置中的应用

王森金 刘 兵 桑为上 刘振宇

（1.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082；2.上海申苏船舶修造有限公司，上海 200949）

0 引言

半浸式螺旋桨（简称半浸桨，又称表面桨），是一种在高速运转时一半桨叶浸入水中而能正常工作的螺旋桨。半浸桨推进装置是一种使用半浸式螺旋桨进行工作的高速船用驱动装置，在高航速和浅吃水航行的船舶中得到广泛应用。

1 激光熔覆技术相关内容概述

激光熔覆技术是基于激光这一能量体发展而来的技术，其发展过程伴随着激光器具的发展，经历了固体YAG有色宝石激光器—CO2气体激光器—半导体激光器几个发展阶段。其工作原理如下：将激光束作为主要热源，集中加热后可以将合金粉末或丝材与基体表面进行同时熔化，等待其快速凝固后，会在原来位置形成与基体充分结合的表面熔覆层，从而达到改善基体的耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化性等性能的作用[1]。

2 半浸桨装置中桨轴磨损问题分析

半浸桨推进装置桨轴材料选用022Cr23Ni5Mo3N（2205）双相不锈钢，具有较高的抗腐蚀性，强度高，有足够的塑韧性，是高速艇桨轴首选材料之一，但其表面硬度不高，洛氏硬度HRC22～30。

保养时拆解后发现桨轴支架端的油封处出现磨损，检测后有0.1～0.23 mm不等的凹槽，如图1所示。

图1 桨轴磨损图

3 激光熔覆技术在半浸桨装置中的应用方法

针对以上桨轴表面油封处硬度偏低易磨损的问题，拟采用特殊的工艺增强桨轴油封处的表面硬度，提高耐磨性，延长使用寿命。经调研，常用的轴系修复工艺有喷涂和激光熔覆（表1），但并没有对2205材料进行修复使用的工程案例。

表1 轴系修复工艺及材料特性

喷涂是通过喷枪或蝶式雾化器，借助于压力或离心力，将镀层材料分散成均匀而微细的雾滴，施涂于被涂物表面的涂装方法[2]。

激光熔覆是通过激光与配置的合金粉末同步作用于金属表面（基材）的方法，熔覆层组织致密，无气孔、裂纹等缺陷，与基体形成冶金结合层，具有焊接部位热影响区小、不变形等特点，从而能达到修复强化工件（基材）表面、延长工件寿命的效果[3]。

为选出合适的材料和工艺，通过加工试样检测不同方案的熔覆能力、耐海水腐蚀性和耐磨性，最终确定改进实施方案。

3.1 熔覆层检测

将表1中的三种粉末合金材料采用相应的工艺在基材2205双相不锈钢表面处理后检测它的表面硬度、熔覆层厚度和结合力。图2中1#件采用高温喷涂工艺，材料为碳化铬（Cr3C2）涂层；2#、3#件采用激光熔覆工艺，材料分别为钴基司太立粉末合金（Stellite6）和镍基碳化钨粉末合金（NiWc）。

图2 检测试样

1#试样检测轴检验结果（碳化铬Cr3C2、喷涂工艺）：

表面硬度：643HV0.5、659HV0.5、685HV0.5、672HV0.5。

涂层厚度：平均0.238 mm。

表层梯度硬度如图3所示，曲线变化比较大，检测样轴纵向截面，表面涂层及基体未见明显缺陷。

图3 1#试样检测轴梯度硬度

试样1检测轴表面涂层，微观可见有麻点及细小裂纹缺陷，如图4所示。

图4 1#试样检测轴表面涂层微观图

2#试样检测轴检验结果（钴基司太立粉末合金Stellite6、激光熔覆工艺）：

表面硬度：596HV0.5、613HV0.5、614HV0.5、597HV0.5。

涂层厚度：平均0.523 mm。

表层梯度硬度如图5所示，曲线变化较小，检测样轴纵向截面，表面涂层及基体未见明显缺陷。

图5 2#试样检测轴梯度硬度

激光对母材热影响区深度平均值：5.89 μm，如图6所示。

图6 2#试样检测轴热影响区形貌图

3#试样检测轴检验结果（镍基碳化钨粉末合金NiWc、激光熔覆工艺）：

表面硬度：460HV0.5、464HV0.5、473HV0.5、474HV0.5。

涂层厚度：平均0.628 mm。

表层梯度硬度如图7所示，硬度曲线变化平稳，检测样轴纵向截面，表面涂层及基体未见明显缺陷。

图7 3#试样检测轴梯度硬度

激光对母材热影响区深度平均值：10.7 μm，如图8所示。

图8 3#试样检测轴热影响区形貌图

3.2 熔覆层耐海水腐蚀性试验

本次试验共加工了三组试样，将配置的不同粉末合金材料通过激光熔覆在基材2205双相不锈钢表面，将基材表面与铜合金捆绑后同时放入海水中进行电化腐蚀试验，检测海水对基材耐腐蚀性。2021年5月15日开始在广东汕尾海域进行试验，如图9、图10所示。由试验结果可知，各方案材料耐海水腐蚀性能良好，其中碳化铬、镍基碳化钨粉末合金表现较好。

图9 海水浸泡90天左右试样

图10 经过冲洗后的试样

3.3 熔覆层耐磨性试验

通过耐磨性试验考核不同材料的使用寿命。

采用两种粉末合金材料（碳化铬、镍基碳化钨粉末合金）在试验转轴两端表面油封处分别进行喷涂和激光熔覆工艺处理，将处理好的试验转轴安装在试验装置上。

将试验装置安装在试验台架上，通过电机带动转轴旋转，电机工作转速：1000～1800 r/min。在试验台架中配置了人工海水，按天然海水的盐度3.4%～3.5%比例进行配置。

拆解连续运转1200 h后的转轴，检测转轴油封处磨损深度在0.01～0.04 mm，即采用修复工艺后可大幅延长转轴使用寿命。

4 试验结论

通过熔覆能力、耐海水性能、耐磨性等检测试验可知，将上述三种不同粉末合金材料应用于基材2205双相不锈钢的表面修复，镍基碳化钨粉末合金（NiWc）材料综合效果较好。通过××艇1000 h实船应用和考察跟踪，拆解后检测桨轴油封处只有轻微磨损，深度低于0.03 mm，所以采用镍基碳化钨粉末合金（NiWc）材料的激光熔覆技术适用于桨轴局部区域的修复。

5 结束语

综上所述，激光熔覆技术具有良好的应用价值，通过整理该技术在半浸桨装置磨损修复过程中的应用要点，不仅可以加快该技术的应用速度，而且能够提高技术的应用效果，提高处理后半浸桨装置的综合效益。