0 引言
中速柴油机的曲轴在工作运转时承受着复杂的循环力矩和交变冲击载荷作用，容易造成轴颈表面的破损失效，对轴颈表面的机械性能和耐磨性要求较高。通过对某型柴油机检修数据的收集分析，发现造成该机型曲轴失效报废的主要形式是轴颈疲劳裂纹和表面破损严重超出检修限度值。
1 工艺分析
1.1 曲轴机械性能分析
曲轴一直处于高温高压的工作环境，曲轴轴颈表层的机械强度对于其使用寿命起到至关重要的作用。某型曲轴的材质是45CrMnMoA，轴颈表层采取感应淬火工艺，抗拉强度Rm≥ 827Mpa，屈服强度Rp0.2≥ 517Mpa，伸长率≥ 18%，端面收缩率≥ 45%，表面硬度45～53HRC。
1.2 关键尺寸分析
曲轴轴颈的检修要求：检查曲轴轴颈不许有拉伤、碰伤等缺陷，油孔畅通不许有异物；曲轴轴颈和圆根探伤，不许有裂纹，对轻微拉伤可进行抛光处理；曲轴主轴颈尺寸和圆跳动、连杆颈尺寸和圆柱度符合限度要求。检修过程中的关键控制尺寸需要进行机械加工修复至检修限度值，但如磨损量超过限度值要求，按目前传统的“减材制造”技术手段，将无法修复，只能将曲轴按报废处理。
1.3 曲轴轴颈常见的失效模式
曲轴的轴颈在工作时要承受复杂的弯曲、扭转疲劳载荷及周期性冲击载荷，其磨损呈现不均匀性。轴颈与轴瓦间的磨损过程一般要经历磨合磨损、稳定磨损和剧烈磨损三个阶段。本文主要针对的就是曲轴轴颈轴颈表面经过剧烈磨损后，造成的修复加工余量不足，无法满足修限值的要求，而探索的一种“增材”加工修复工艺方法。
1.4 增材修复加工技术路线的选择
目前在传统工业领域，针对金属零件表面的增材修复加工主要有涂镀、镀铁和工业粘结剂等，但这些技术手段在大型曲轴的轴颈修复上都存在一定的缺陷。涂镀工艺的镀层厚度较薄，对于厚度超过1mm的质量控制较难实现，且涂镀层表面机械强度较低，耐磨性较差；工业粘结剂主要应用于非运动副部位，对于曲轴轴颈这类高负荷运转的运动部件不适用；镀铁工艺是一种化学修复方式，其对修复层的厚度有着严格的要求，否则无法保证结合层的附着力，且镀铁表面会形成明显的龟裂纹，质量的稳定性一直存疑。针对曲轴修复问题在查询大量技术资料和调研多家技术厂商的基础上，了解到一种新的增材技术——激光熔覆。激光熔覆是一种新的表面改性技术，它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成冶金结合的添料熔覆层。激光熔覆具有以下特点：冷却速度快，易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相，保证熔覆层的微观金相质量；熔覆层稀释率低，可获得低稀释率的良好熔覆层，且熔覆层成分和稀释度可控，可以保证熔覆层组织致密、涂层与基体结合好；热输入和畸变较小，尤其是采用高功率密度快速熔覆时，变形可降低到零件的装配公差内；熔覆层粉末选择几乎没有任何限制，特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金；熔覆层的厚度范围大，单道送粉一次涂覆厚度在0.2—2.0mm。
2 激光熔覆工艺设计
2.1 熔覆材料
经过对265型曲轴本体材质（45CrMnMoA）的分析，项目选择了牌号为WF-45H08A的粉末为熔覆材料。该材料含有Fe、Ni、Mn、Cr等元素，通过一定的比例调和，到达接近曲轴本体的材料性能。
2.2 膨胀系数试验
曲轴轴颈本体与熔覆层间的结合力对整个曲轴的修复质量至关重要，考虑到曲轴本体和熔覆材料的化学成分差异，如二者间的膨胀系统相差较大，特别是在高温下的膨胀比不同将导致熔覆层脱落，导致曲轴失效，为此我们特别设计了膨胀系数试验。该试验截取该型曲轴本体一段轴颈（ø118.28×200mm），分段熔覆0.5mm、1.0mm、2.0mm熔覆层，并分别在20℃、50℃、100℃的状态下测量外径尺寸，以验证不同的熔覆层厚度在不同的温度下，与曲轴本体的膨胀效果是否一致。
从表1中的试验结果可以看出在不同的温度条件下，曲轴本体和不同厚度的熔覆层的膨胀系数是一致的，可以避免出现膨胀系数不同导致的损伤。
2.3 工艺过程设计
（00）修复前检测，检测曲轴主轴颈外径尺寸、全长/相邻跳动度；检测连杆颈外径尺寸、圆柱度；（05）一次探伤；（10）磨削待修复轴颈，对需要修复的轴颈粗磨加工，磨削量≤1mm，圆角处不允许磨削；（15）二次探伤；（20）油孔防护；（25）设备调试，填装WF-45H08A的粉末进储粉装置；（30）对需要修复的轴颈进行激光熔覆（圆角处不允许熔覆），加工余量≥轴颈标准尺寸0.5-1.0mm；（35）对熔覆的轴颈进行10-15小时保温处理，自然冷却；（40）熔覆后检测；（45）对熔覆后的轴颈磨削加工，加工余量0.15-025mm，圆角处不允许磨削；（50）三次探伤；（55）精磨曲轴颈；（60）四次探伤；（65）表面质量检查；（70）修复后检测；（75）检测曲轴主轴颈外径尺寸、全长/相邻跳动度；检测连杆颈外径尺寸、圆柱度；熔覆修复的轴颈的尺寸，并填写检测记录；（80）油压试验；（85）动平衡检测；
3 结论
（1）熔覆层金相检验从金相检测可以看出激光熔覆层在微观组织上表层是镀铁组织，过渡层是回火马氏体组织，基体是索氏体组织，满足曲轴微观组织要求。（2）经过严格轴颈探伤检验，所有修复轴颈的均未出现裂纹。（3）熔覆修复后轴颈表面硬度为HRC50，满足设计要求。（4）轴颈尺寸校验均符合设计要求。
参 考 文 献
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