【詳解】礦機易損設備3D打印修復技術(shù)的應用探討

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

《國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）、國家科技支撐計劃制造領(lǐng)域2014年度備選項目征集指南》中“面向復雜零部件模具制造的大型激光燒結(jié)成型裝備研制及應用”的表述為 ,，“針對復雜零部件模具快速制造的需求,，研制適合制造蠟模、蠟型,、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1000cm3 /h,，并制訂相關(guān)技術(shù)標準 ”，國家傳遞 出3D打印技術(shù)在國內(nèi)的強勁發(fā)展趨勢,。

接下來我們探討將3D打印激光修復技術(shù)應用于礦機易損設備的維修應用及前景,，推動實現(xiàn)快速恢復生產(chǎn)、節(jié)約經(jīng)濟成本的目標,。

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

3D成形修復技術(shù)利用金屬學的一些合金化、本體淬硬,、添加增強相等方法使熔覆層金屬具有一定的強度/硬度,、耐磨、耐腐蝕,、耐高溫等性能,，滿足表面的特殊需要，解決應用中的一些裝配貼合面的缺損修補問題,，也可以彌補金屬加工過程中的尺寸超差問題,。3D成形修復技術(shù)彌補了激光熔覆技術(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,，實現(xiàn)了在表面凹凸不平或復雜/異形結(jié)構(gòu)零件上自由成形修復/修補,，最終實現(xiàn)仿形精確修復  。

激光立體成形修復技術(shù)不僅可以實現(xiàn)修補零件的目的，還可以滿足修復區(qū)強化的需要,。礦用設備零部件結(jié)構(gòu)復雜，表面要求高強耐磨,，心部要求高柔韌性,。目前部分礦用設備采用的激光熔覆技術(shù)沒有造形功能，因此無法修復礦用設備易損零部件待修復區(qū)的結(jié)構(gòu)原形,，僅能簡單涂覆,。3D打印激光成形修復技術(shù)解決了激光熔敷技術(shù)在成形方面的缺陷，綜合了表面強化技術(shù)與三維成形的特長,，適合用于解決礦用設備的修復問題  ,。雖然3D打印激光成形技術(shù)發(fā) 展?jié)摿�巨大，但是在礦用設備修復方面應用實例較少,。

3礦用易損設備3D打印激光修復應用
礦用設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、傳動系統(tǒng)件類三種類型,，這三類零部件對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)維護的最主要的部分，本文主要針對以下三類設備件的3D打印激光修復應用進行探討,。

3.1礦機易損直接工作件類3D打印激光修復
礦用設備的易損零部件為的直接工作件,，如掘進機、 采煤機的截齒,，刮板輸送機的刮板,、刮板鏈、鏈輪,，以及掘進機,、聯(lián)采機的履帶板、履帶輪,，破碎機的齒板,、齒環(huán)等。這類受磨損零部件特點在于工況極其惡劣,，經(jīng)常受到強烈刮擦,，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備的損耗件,，磨損嚴重，更換頻繁,。如掘進機的截割頭,、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)可以表面實現(xiàn)強化，但是截齒或齒座經(jīng)常會發(fā)生偏磨,，形成不規(guī)則的幾何外觀形貌,，激光熔覆技術(shù)無法修復或者修復后還需要及加工，而激光立體成形修復技術(shù)不僅可以實現(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化與無火花的需要,。

如刮板輸送機鏈輪，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技術(shù)可以使鏈輪鏈窩修復處硬度達到HＲC50以上。

3.2礦機易損機構(gòu)件類3D打印激光修復
礦機易損的設備包括機械結(jié)構(gòu)件類,，該類零部件一般 需要滿足設備自身的結(jié)構(gòu)強度外,，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度適中,，更換頻率較低。但是,，進口的一些大型礦用設備零部件配件供貨周期長,，價格昂貴。零部件易損后,，3D打印激光修復不僅可以在短時間內(nèi)使設備正常運轉(zhuǎn),，而且可以節(jié)約大量的設備維修成本。這類零部件的材質(zhì)一般為普通的高強度結(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,。

礦用設備易磨損件一般要求強度/硬度高,，耐磨性好，兼具有一定的韌性,。激光成形修復技術(shù)因為能量集中,，熱影響區(qū)小，內(nèi)部晶粒細小,，組織均勻,，性能優(yōu)越,。另外，激光成形修復技術(shù)可以在CAD/CAM軟件支持下,，利用CNC（計算機數(shù)控）技術(shù)成形出與原零件相同結(jié)構(gòu)的外形,，達到近凈成形的效果。利用這種技術(shù)修復出來的零件,，不僅外觀質(zhì)量平整光滑,，結(jié)構(gòu)變形小，而且力學性能可以達到傳統(tǒng)鍛件水平,，遠高于普通電弧焊、氬弧焊等方式修復件性能水平,。

3.3礦機易損機械傳動類3D打印激光修復
另外一部分礦機易損零部件是機械傳動系統(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,。尤其是進口的礦用大型煤炭設備，沒有可供更換的零部件,，這類零部件一旦損壞設備就無法繼續(xù)工作,。

3.43D激光打印修復技術(shù)特點和優(yōu)勢
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)動機器設備加工制造成器件,；數(shù)字化文件還可借助網(wǎng)絡進行傳遞,，實現(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”的堆積方式對于實現(xiàn)非勻致材料、功能梯度的器件更有優(yōu)勢。
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雜過程來實現(xiàn),。
5）快速制造：3D打印制造工藝流程短、全自動,、可實現(xiàn)現(xiàn)場制造,，因此，制造更快速,、更高效,。

3.5礦用設備維修3D打印激光修復的應用展望
3D打印技術(shù)通過材料的堆疊來完成立體實物的加工，進而最大程度的節(jié)省了材料,。礦機易損零部件的維修是在悄無聲息的環(huán)境下完成的,，對環(huán)境基本實現(xiàn)了零污染，同時也節(jié)約了能源,。國家已認識到3D打印技術(shù)的重要性,，這也為3D打印激光修復技術(shù)在礦機易損部件修復的發(fā)展提供了契機。

目前部分礦機采用激光熔覆技術(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現(xiàn)冶金結(jié)合,，從而獲得過反應用,。

激光成形3D打印技術(shù)還可以實現(xiàn)材料復合制造，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相經(jīng)激光立體成形修補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等高熔點的超硬陶瓷顆粒形成復合涂層,，可大大地提高涂層的硬度和耐磨性,，平均硬度達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,，顯示出比激光熔覆技術(shù)在礦用設備易磨損件方面更廣闊的應用前景。

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

礦機易損零部件3D打印激光修復作為3D打印技術(shù)的一種實際應用，激光成形修復技術(shù)彌補了激光熔覆技術(shù)在復雜結(jié)構(gòu)成型方面的缺陷,，延襲并發(fā)展了激光熔覆技術(shù)在表面強化方面的技術(shù)優(yōu)勢,，用于修補礦用設備易損零部件，不僅可以避免或減少修復后的機械加工,，實現(xiàn)仿形精確修復,，可以修補出既具有復雜/異形結(jié)構(gòu)，又具有高強耐磨的性能,，而且提高了礦用設備易損件的使用壽命,，是礦用設備較理想的修復方式，在礦用設備修復上具有潛在的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的應用前景,，具有長足的發(fā)展?jié)摿�和巨大的�?jīng)濟效益,。

探討了基于3D打印激光成形修復技術(shù)在礦機易損設備修復的應用范圍及應用前景， 提出在礦用設備易損零部件的直接工作件類,、結(jié)構(gòu)件類型,、傳動系統(tǒng)件三種類型設備的3D打印 激光修復技術(shù)應用可行性，以及與部分礦機設備采用的激光熔覆表面強化技術(shù)的區(qū)別與優(yōu)勢,，結(jié)果表明：3D打印激光修補礦用設備易損零部件,，能避免或減少修復的機械加工,，達到仿形精確修復，提高礦用設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有限責任公司）黃衛(wèi)東（西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司）