【詳解】礦機(jī)易損設(shè)備3D打印修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用探討

煤礦井下工程大型礦機(jī)造價(jià)昂貴、缺少備件、維修成本巨大，一旦出現(xiàn)損壞，會(huì)使生產(chǎn)線中斷，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國每年用于修復(fù)煤礦大型裝備的費(fèi)用高達(dá)數(shù)百億元人民幣。因此，開展重大裝備修復(fù)，發(fā)展快速、高效、精密的修復(fù)技術(shù)不僅具有廣闊的市場(chǎng)需求，而且具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 展望3D打印技術(shù)的應(yīng)用趨勢(shì)和對(duì)人類未來生產(chǎn)生活方式的影響，據(jù)美國市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)ＲeportsnＲeports發(fā)布的《2017年全球3D打印市場(chǎng)》報(bào)告顯示，全球3D打印市場(chǎng)需求將以每年20%以上的速度增長(zhǎng)，并將在2017年達(dá)到50億美元的規(guī)模  。

《國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）、國家科技支撐計(jì)劃制造領(lǐng)域2014年度備選項(xiàng)目征集指南》中“面向復(fù)雜零部件模具制造的大型激光燒結(jié)成型裝備研制及應(yīng)用”的表述為 ，“針對(duì)復(fù)雜零部件模具快速制造的需求，研制適合制造蠟?zāi)！⑾炐�、砂型制造，以及尼龍等塑料零件制造的大型激光燒結(jié)成型裝備，制件精度控制在±0.1%以內(nèi)，堆積效率達(dá)1000cm3 /h，并制訂相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) ”，國家傳遞 出3D打印技術(shù)在國內(nèi)的強(qiáng)勁發(fā)展趨勢(shì)。

接下來我們探討將3D打印激光修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于礦機(jī)易損設(shè)備的維修應(yīng)用及前景，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)生產(chǎn)、節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本的目標(biāo)。

2.3D打印激光成形技術(shù)
3D打印激光成形修復(fù)技術(shù)與以往修復(fù)技術(shù)不同，它是 以金屬粉末為材料，在CAD/CAM軟件支持下，CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)控）控制激光頭，送粉嘴和機(jī)床按指定空間軌跡運(yùn)動(dòng)，在修復(fù)部位逐層熔敷/堆積，最后生成與原零件近形的三維實(shí)體。3D成形修復(fù)技術(shù)的核心在于修補(bǔ)體的三維模型，以及修補(bǔ)體的激光三維立體成形。修補(bǔ)體三維模型一般通過CAD模型處理軟件進(jìn)行布爾運(yùn)算獲得。

3D成形修復(fù)技術(shù)利用金屬學(xué)的一些合金化、本體淬硬、添加增強(qiáng)相等方法使熔覆層金屬具有一定的強(qiáng)度/硬度、耐磨、耐腐蝕、耐高溫等性能，滿足表面的特殊需要，解決應(yīng)用中的一些裝配貼合面的缺損修補(bǔ)問題，也可以彌補(bǔ)金屬加工過程中的尺寸超差問題。3D成形修復(fù)技術(shù)彌補(bǔ)了激光熔覆技術(shù)在成形方面的缺陷，突破了激光熔覆技術(shù)僅能在平面或圓柱等規(guī)則曲面上涂覆單層或多層熔合層的技術(shù)局限性，實(shí)現(xiàn)了在表面凹凸不平或復(fù)雜/異形結(jié)構(gòu)零件上自由成形修復(fù)/修補(bǔ)，最終實(shí)現(xiàn)仿形精確修復(fù)  。

激光立體成形修復(fù)技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)修補(bǔ)零件的目的，還可以滿足修復(fù)區(qū)強(qiáng)化的需要。礦用設(shè)備零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面要求高強(qiáng)耐磨，心部要求高柔韌性。目前部分礦用設(shè)備采用的激光熔覆技術(shù)沒有造形功能，因此無法修復(fù)礦用設(shè)備易損零部件待修復(fù)區(qū)的結(jié)構(gòu)原形，僅能簡(jiǎn)單涂覆。3D打印激光成形修復(fù)技術(shù)解決了激光熔敷技術(shù)在成形方面的缺陷，綜合了表面強(qiáng)化技術(shù)與三維成形的特長(zhǎng)，適合用于解決礦用設(shè)備的修復(fù)問題  。雖然3D打印激光成形技術(shù)發(fā) 展?jié)摿�巨大，但是在礦用設(shè)備修復(fù)方面應(yīng)用實(shí)例較少。

3礦用易損設(shè)備3D打印激光修復(fù)應(yīng)用
礦用設(shè)備易損零部件大致可概括為直接工作件類、結(jié) 構(gòu)件類型、傳動(dòng)系統(tǒng)件類三種類型，這三類零部件對(duì)于使用性能與工礦環(huán)境的要求具有巨大差別，以上三類零部件的維修是目前礦井正常生產(chǎn)維護(hù)的最主要的部分，本文主要針對(duì)以下三類設(shè)備件的3D打印激光修復(fù)應(yīng)用進(jìn)行探討。

3.1礦機(jī)易損直接工作件類3D打印激光修復(fù)
礦用設(shè)備的易損零部件為的直接工作件，如掘進(jìn)機(jī)、 采煤機(jī)的截齒，刮板輸送機(jī)的刮板、刮板鏈、鏈輪，以及掘進(jìn)機(jī)、聯(lián)采機(jī)的履帶板、履帶輪，破碎機(jī)的齒板、齒環(huán)等。這類受磨損零部件特點(diǎn)在于工況極其惡劣，經(jīng)常受到強(qiáng)烈刮擦，經(jīng)受猛烈的撞擊，易損形式一般為表面磨損或內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。

這類零部件屬于礦用設(shè)備的損耗件，磨損嚴(yán)重，更換頻繁。如掘進(jìn)機(jī)的截割頭、截齒座等采用經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的ZG35CrMnSi、ZG40CrNiMo等鑄鋼材料，一般齒體表面及近表面硬度HＲC49～HＲC54，結(jié)構(gòu)具有一定的圓弧外觀形狀，利用激光熔覆技術(shù)可以表面實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，但是截齒或齒座經(jīng)常會(huì)發(fā)生偏磨，形成不規(guī)則的幾何外觀形貌，激光熔覆技術(shù)無法修復(fù)或者修復(fù)后還需要及加工，而激光立體成形修復(fù)技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)尺寸精度較高的外觀形貌，而且可以滿足截齒的鎢鈷合金強(qiáng)化與無火花的需要。

如刮板輸送機(jī)鏈輪，一般材質(zhì)為40Cr等淬透性較好的材料，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。鏈輪鏈窩處厚大，熱處理過程中容易產(chǎn)生淬裂或未淬透等問題，因此鏈輪硬度只能限制在HＲC45～HＲC50范圍，而激光立體成形修復(fù)技術(shù)可以使鏈輪鏈窩修復(fù)處硬度達(dá)到HＲC50以上。

3.2礦機(jī)易損機(jī)構(gòu)件類3D打印激光修復(fù)
礦機(jī)易損的設(shè)備包括機(jī)械結(jié)構(gòu)件類，該類零部件一般 需要滿足設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度外，還需要具有一定的抵抗磨損、沖擊等作用。該類零部件一般受破壞強(qiáng)度適中，更換頻率較低。但是，進(jìn)口的一些大型礦用設(shè)備零部件配件供貨周期長(zhǎng)，價(jià)格昂貴。零部件易損后，3D打印激光修復(fù)不僅可以在短時(shí)間內(nèi)使設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而且可以節(jié)約大量的設(shè)備維修成本。這類零部件的材質(zhì)一般為普通的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、耐磨鋼等鋼材，也有一些結(jié)構(gòu)需要用到鑄鐵、鑄鋼件。

礦用設(shè)備易磨損件一般要求強(qiáng)度/硬度高，耐磨性好，兼具有一定的韌性。激光成形修復(fù)技術(shù)因?yàn)槟芰考�中，熱影響區(qū)小，內(nèi)部晶粒細(xì)小，組織均勻，性能優(yōu)越。另外，激光成形修復(fù)技術(shù)可以在CAD/CAM軟件支持下，利用CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)控）技術(shù)成形出與原零件相同結(jié)構(gòu)的外形，達(dá)到近凈成形的效果。利用這種技術(shù)修復(fù)出來的零件，不僅外觀質(zhì)量平整光滑，結(jié)構(gòu)變形小，而且力學(xué)性能可以達(dá)到傳統(tǒng)鍛件水平，遠(yuǎn)高于普通電弧焊、氬弧焊等方式修復(fù)件性能水平。

3.3礦機(jī)易損機(jī)械傳動(dòng)類3D打印激光修復(fù)
另外一部分礦機(jī)易損零部件是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)類零部件， 如齒輪、花鍵、軸等，該類零部件失效形式一般為斷齒、磨損等形式，更換頻率相對(duì)于第一、第二類低。齒輪、花鍵類零件一般采用滲碳/滲氮鋼，軸類零件一般采用淬透性較好的40Cr、35CrMo、40CrNiMo等，這類零部件一般價(jià)格昂貴，加工尺寸精度要求較高，稍有碰傷即無法使用。尤其是進(jìn)口的礦用大型煤炭設(shè)備，沒有可供更換的零部件，這類零部件一旦損壞設(shè)備就無法繼續(xù)工作。

3.43D激光打印修復(fù)技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)
1）數(shù)字制造：借助CAD等軟件將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)字化，驅(qū)動(dòng)機(jī)器設(shè)備加工制造成器件；數(shù)字化文件還可借助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞，實(shí)現(xiàn)異地分散化制造的生產(chǎn)模式。
2）降維制造（分層制造）：即把三維結(jié)構(gòu)的物體先分解成二維層狀結(jié)構(gòu)，逐層累加形成三維物品。因此，原理上3D打印技術(shù)可以制造出任何復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且制造過程更柔性化。
3）堆積制造：“從下而上”的堆積方式對(duì)于實(shí)現(xiàn)非勻致材料、功能梯度的器件更有優(yōu)勢(shì)。
4）直接制造：任何高性能難成型的部件均可通過“打印”方式一次性直接制造出來，不需要通過組裝拼接等復(fù)雜過程來實(shí)現(xiàn)。
5）快速制造：3D打印制造工藝流程短、全自動(dòng)、可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)制造，因此，制造更快速、更高效。

3.5礦用設(shè)備維修3D打印激光修復(fù)的應(yīng)用展望
3D打印技術(shù)通過材料的堆疊來完成立體實(shí)物的加工，進(jìn)而最大程度的節(jié)省了材料。礦機(jī)易損零部件的維修是在悄無聲息的環(huán)境下完成的，對(duì)環(huán)境基本實(shí)現(xiàn)了零污染，同時(shí)也節(jié)約了能源。國家已認(rèn)識(shí)到3D打印技術(shù)的重要性，這也為3D打印激光修復(fù)技術(shù)在礦機(jī)易損部件修復(fù)的發(fā)展提供了契機(jī)。

目前部分礦機(jī)采用激光熔覆技術(shù)來增加使用壽命及表面涂覆，最先選用的涂層材料就是Ni基、Co基、Fe基自熔合金，這種合金系具有較好的耐磨性、耐蝕性，對(duì)各種碳鋼、不銹鋼、合金鋼、鑄鐵和多種有色金屬基體具有廣泛而良好的潤濕性能夠與基體實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，從而獲得過反應(yīng)用。

激光成形3D打印技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)材料復(fù)合制造，利用Ni基、Co基、Fe基等自熔合金作為粘接劑，選用WC、Al2O3、ZrO2、TiC、TiN、SiC等陶瓷材料作為增強(qiáng)相經(jīng)激光立體成形修補(bǔ)至受磨損工件的易損區(qū)，使工件耐磨性能成倍提高。在Ni－Cr－B－Si系自熔合金中加人WC、TiC、SiC、B4C等高熔點(diǎn)的超硬陶瓷顆粒形成復(fù)合涂層，可大大地提高涂層的硬度和耐磨性，平均硬度達(dá)HVl000～HV1400。激光成形3D打印技術(shù)以其靈活的材料選配，以及精巧的自由成形優(yōu)勢(shì)，顯示出比激光熔覆技術(shù)在礦用設(shè)備易磨損件方面更廣闊的應(yīng)用前景。

作為一種3D打印技術(shù)，激光成形修復(fù)技術(shù)擁有金屬3D打印技術(shù)的自由成形能力，3D打印技術(shù)在鑄造上的應(yīng)用，集中在砂型、模具、鑄件制造及修復(fù)方面，該技術(shù)繼承了激光熔覆技術(shù)（LaserSurfaceCladding）的表面強(qiáng)化優(yōu)勢(shì)，在成形過程中可以實(shí)現(xiàn)Ni基、Co基、Fe基自熔合金與WC、TiC、TiN、SiC等陶瓷材料復(fù)合。

礦機(jī)易損零部件3D打印激光修復(fù)作為3D打印技術(shù)的一種實(shí)際應(yīng)用，激光成形修復(fù)技術(shù)彌補(bǔ)了激光熔覆技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型方面的缺陷，延襲并發(fā)展了激光熔覆技術(shù)在表面強(qiáng)化方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，用于修補(bǔ)礦用設(shè)備易損零部件，不僅可以避免或減少修復(fù)后的機(jī)械加工，實(shí)現(xiàn)仿形精確修復(fù)，可以修補(bǔ)出既具有復(fù)雜/異形結(jié)構(gòu)，又具有高強(qiáng)耐磨的性能，而且提高了礦用設(shè)備易損件的使用壽命，是礦用設(shè)備較理想的修復(fù)方式，在礦用設(shè)備修復(fù)上具有潛在的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景，具有長(zhǎng)足的發(fā)展?jié)摿�和巨大的�?jīng)濟(jì)效益。

探討了基于3D打印激光成形修復(fù)技術(shù)在礦機(jī)易損設(shè)備修復(fù)的應(yīng)用范圍及應(yīng)用前景， 提出在礦用設(shè)備易損零部件的直接工作件類、結(jié)構(gòu)件類型、傳動(dòng)系統(tǒng)件三種類型設(shè)備的3D打印 激光修復(fù)技術(shù)應(yīng)用可行性，以及與部分礦機(jī)設(shè)備采用的激光熔覆表面強(qiáng)化技術(shù)的區(qū)別與優(yōu)勢(shì)，結(jié)果表明：3D打印激光修補(bǔ)礦用設(shè)備易損零部件，能避免或減少修復(fù)的機(jī)械加工，達(dá)到仿形精確修復(fù)，提高礦用設(shè)備易損件的使用壽命。

編輯：南極熊
作者：王海軍（中國神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司）黃衛(wèi)東（西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司）