激光熔覆截齿性能的研究与应用

激光熔覆截齿的原理

激光熔覆技术是利用可控的高能激光束辐照，使材料迅速熔化、扩展并凝固，在基材表面熔覆一层具备特殊物理、化学或力学性能的材料，从而形成一种新的复合材料。这种技术能够根据工件的具体要求，熔覆各种成分的金属或非金属，进而制备出具有耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化等特性的表面覆层，让材料拥有常规处理所不具备的组织与性能。在截齿制造中应用激光熔覆技术，就是希望通过熔覆特定材料，赋予截齿更好的性能，弥补基体材料性能的不足。

截齿性能提升的必要性

截齿作为采煤机上直接截割煤岩的关键部件，属于易损件。其主要失效形式为磨损失效，具体表现为截齿端部基体的磨损，进而导致合金头部剥落。一般国产普通截齿存在耐磨性差、使用寿命短的问题，这不仅增加了井下作业的强度，还降低了生产效率。因此，开发一种技术和工艺稳定的表面处理技术，提高截齿齿端的耐磨性并延长其使用寿命，显得尤为重要。激光熔覆技术为解决这些问题提供了有效的途径。

激光熔覆截齿的硬度性能

激光熔覆对截齿的硬度提升效果显著。经过激光熔覆后，截齿的平均显微硬度达到HV800，洛氏硬度为65HRC；激光合金截齿的平均显微硬度更是高达HV1099，洛氏硬度为70HRC；激光淬火截齿的平均显微硬度为HV750，洛氏硬度为62HRC。较高的硬度使得截齿在截割煤岩过程中能够更好地抵抗磨损，减少因磨损导致的失效，从而延长截齿的使用寿命。

激光熔覆截齿的耐磨性能

耐磨性能是衡量截齿性能的重要指标。激光熔覆合金化工艺使涂层与基体呈冶金结合，结合强度高，这极大地提高了截齿齿端的耐磨性。通过实际试验对比可以明显看出其优势，普通截齿在特定煤岩层中只能掘进30 - 50米，而激光熔覆截齿在203巷道掘进90米，后在1403巷道掘进60米，共开挖半煤岩1542m³；表面合金化截齿在1403巷道掘进260米，开挖半煤岩2860 m³。与普通截齿相比，激光熔覆截齿寿命延长了3 - 4倍，表面合金化截齿寿命延长5 - 6倍。这表明激光熔覆技术能够显著提升截齿的耐磨性能，减少截齿的更换频率。

影响激光熔覆截齿性能的因素

• 扫描速度：扫描速度决定了激光作用在截齿表面的时间和能量输入。如果扫描速度过快，粉末熔化不充分，会导致熔覆层厚度不均匀；而扫描速度过慢，会使基体过热，进而导致变形和组织恶化，影响截齿的性能。
• 送粉量：送粉量需要与激光功率和扫描速度相匹配。送粉量过大时，粉末不能完全熔化，会在熔覆层中形成夹杂物；送粉量过小，则会导致熔覆层厚度不足，无法达到预期的性能提升效果。
• 粉末材料粒度：目前在生产制造激光强化截齿过程中，粉末材料粒度的选择至关重要。强化相颗粒大（60 - 120um）易出现分布不均且裂纹倾向提高；强化相颗粒小（如纳米颗粒小于100nm）则容易出现团聚，导致激光熔覆时送粉困难，这些都会对截齿的性能产生不利影响。
• 钎焊工艺：硬质合金头通常采用感应加热的方式钎焊在齿座上，但在施加涂层的过程中，钎焊层易被破坏，从而导致在使用过程中硬质合金头出现脱落现象，影响截齿的正常使用。
• 裂纹倾向：材料性能越高（特别是硬度），强化层的裂纹倾向就会增加。裂纹的出现意味着在使用过程中涂层易于剥落，降低了截齿的使用寿命和性能。

激光熔覆截齿的应用前景与意义

激光熔覆截齿具有广阔的应用前景和重要的意义。在实际生产中，应用抗磨损新型激光强化截齿，可以减少截齿更换检修时间，提高生产效率。例如，在煤矿开采中，截齿更换频率的降低意味着采煤机可以更长时间连续作业，减少了因更换截齿而导致的停机时间。同时，这还能节约大量的资金，因为减少了截齿的采购成本和维修成本。从社会层面来看，对于建设节约型社会有着广泛而深远的意义，它符合可持续发展的理念，能够提高资源的利用效率，减少能源和材料的浪费。随着激光技术的不断发展和完善，激光熔覆截齿的性能有望进一步提升，其应用范围也将不断扩大。