【详解】矿机易损设备3D打印修复技术的应用探讨

煤矿井下工程大型矿机造价昂贵、缺少备件、维修成本巨大，一旦出现损坏，会使生产线中断，造成重大的经济损失。据不完全统计，我国每年用于修复煤矿大型装备的费用高达数百亿元人民币。因此，开展重大装备修复，发展快速、高效、精密的修复技术不仅具有广阔的市场需求，而且具有重大的经济效益和社会效益。 展望3D打印技术的应用趋势和对人类未来生产生活方式的影响，据美国市场研究机构ＲeportsnＲeports发布的《2017年全球3D打印市场》报告显示，全球3D打印市场需求将以每年20%以上的速度增长，并将在2017年达到50亿美元的规模  。

《国家高技术研究发展计划（863计划）、国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南》中“面向复杂零部件模具制造的大型激光烧结成型装备研制及应用”的表述为 ，“针对复杂零部件模具快速制造的需求，研制适合制造蜡模、蜡型、砂型制造，以及尼龙等塑料零件制造的大型激光烧结成型装备，制件精度控制在±0.1%以内，堆积效率达1000cm3 /h，并制订相关技术标准 ”，国家传递 出3D打印技术在国内的强劲发展趋势。

接下来我们探讨将3D打印激光修复技术应用于矿机易损设备的维修应用及前景，推动实现快速恢复生产、节约经济成本的目标。

2.3D打印激光成形技术
3D打印激光成形修复技术与以往修复技术不同，它是 以金属粉末为材料，在CAD/CAM软件支持下，CNC（计算机数控）控制激光头，送粉嘴和机床按指定空间轨迹运动，在修复部位逐层熔敷/堆积，最后生成与原零件近形的三维实体。3D成形修复技术的核心在于修补体的三维模型，以及修补体的激光三维立体成形。修补体三维模型一般通过CAD模型处理软件进行布尔运算获得。

3D成形修复技术利用金属学的一些合金化、本体淬硬、添加增强相等方法使熔覆层金属具有一定的强度/硬度、耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能，满足表面的特殊需要，解决应用中的一些装配贴合面的缺损修补问题，也可以弥补金属加工过程中的尺寸超差问题。3D成形修复技术弥补了激光熔覆技术在成形方面的缺陷，突破了激光熔覆技术仅能在平面或圆柱等规则曲面上涂覆单层或多层熔合层的技术局限性，实现了在表面凹凸不平或复杂/异形结构零件上自由成形修复/修补，最终实现仿形精确修复  。

激光立体成形修复技术不仅可以实现修补零件的目的，还可以满足修复区强化的需要。矿用设备零部件结构复杂，表面要求高强耐磨，心部要求高柔韧性。目前部分矿用设备采用的激光熔覆技术没有造形功能，因此无法修复矿用设备易损零部件待修复区的结构原形，仅能简单涂覆。3D打印激光成形修复技术解决了激光熔敷技术在成形方面的缺陷，综合了表面强化技术与三维成形的特长，适合用于解决矿用设备的修复问题  。虽然3D打印激光成形技术发 展潜力巨大，但是在矿用设备修复方面应用实例较少。

3矿用易损设备3D打印激光修复应用
矿用设备易损零部件大致可概括为直接工作件类、结 构件类型、传动系统件类三种类型，这三类零部件对于使用性能与工矿环境的要求具有巨大差别，以上三类零部件的维修是目前矿井正常生产维护的最主要的部分，本文主要针对以下三类设备件的3D打印激光修复应用进行探讨。

3.1矿机易损直接工作件类3D打印激光修复
矿用设备的易损零部件为的直接工作件，如掘进机、 采煤机的截齿，刮板输送机的刮板、刮板链、链轮，以及掘进机、联采机的履带板、履带轮，破碎机的齿板、齿环等。这类受磨损零部件特点在于工况极其恶劣，经常受到强烈刮擦，经受猛烈的撞击，易损形式一般为表面磨损或内部产生裂纹。

这类零部件属于矿用设备的损耗件，磨损严重，更换频繁。如掘进机的截割头、截齿座等采用经过调质处理的ZG35CrMnSi、ZG40CrNiMo等铸钢材料，一般齿体表面及近表面硬度HＲC49～HＲC54，结构具有一定的圆弧外观形状，利用激光熔覆技术可以表面实现强化，但是截齿或齿座经常会发生偏磨，形成不规则的几何外观形貌，激光熔覆技术无法修复或者修复后还需要及加工，而激光立体成形修复技术不仅可以实现尺寸精度较高的外观形貌，而且可以满足截齿的钨钴合金强化与无火花的需要。

如刮板输送机链轮，一般材质为40Cr等淬透性较好的材料，经调质处理。链轮链窝处厚大，热处理过程中容易产生淬裂或未淬透等问题，因此链轮硬度只能限制在HＲC45～HＲC50范围，而激光立体成形修复技术可以使链轮链窝修复处硬度达到HＲC50以上。

3.2矿机易损机构件类3D打印激光修复
矿机易损的设备包括机械结构件类，该类零部件一般 需要满足设备自身的结构强度外，还需要具有一定的抵抗磨损、冲击等作用。该类零部件一般受破坏强度适中，更换频率较低。但是，进口的一些大型矿用设备零部件配件供货周期长，价格昂贵。零部件易损后，3D打印激光修复不仅可以在短时间内使设备正常运转，而且可以节约大量的设备维修成本。这类零部件的材质一般为普通的高强度结构钢、耐磨钢等钢材，也有一些结构需要用到铸铁、铸钢件。

矿用设备易磨损件一般要求强度/硬度高，耐磨性好，兼具有一定的韧性。激光成形修复技术因为能量集中，热影响区小，内部晶粒细小，组织均匀，性能优越。另外，激光成形修复技术可以在CAD/CAM软件支持下，利用CNC（计算机数控）技术成形出与原零件相同结构的外形，达到近净成形的效果。利用这种技术修复出来的零件，不仅外观质量平整光滑，结构变形小，而且力学性能可以达到传统锻件水平，远高于普通电弧焊、氩弧焊等方式修复件性能水平。

3.3矿机易损机械传动类3D打印激光修复
另外一部分矿机易损零部件是机械传动系统类零部件， 如齿轮、花键、轴等，该类零部件失效形式一般为断齿、磨损等形式，更换频率相对于第一、第二类低。齿轮、花键类零件一般采用渗碳/渗氮钢，轴类零件一般采用淬透性较好的40Cr、35CrMo、40CrNiMo等，这类零部件一般价格昂贵，加工尺寸精度要求较高，稍有碰伤即无法使用。尤其是进口的矿用大型煤炭设备，没有可供更换的零部件，这类零部件一旦损坏设备就无法继续工作。

3.43D激光打印修复技术特点和优势
1）数字制造：借助CAD等软件将产品结构数字化，驱动机器设备加工制造成器件；数字化文件还可借助网络进行传递，实现异地分散化制造的生产模式。
2）降维制造（分层制造）：即把三维结构的物体先分解成二维层状结构，逐层累加形成三维物品。因此，原理上3D打印技术可以制造出任何复杂的结构，而且制造过程更柔性化。
3）堆积制造：“从下而上”的堆积方式对于实现非匀致材料、功能梯度的器件更有优势。
4）直接制造：任何高性能难成型的部件均可通过“打印”方式一次性直接制造出来，不需要通过组装拼接等复杂过程来实现。
5）快速制造：3D打印制造工艺流程短、全自动、可实现现场制造，因此，制造更快速、更高效。

3.5矿用设备维修3D打印激光修复的应用展望
3D打印技术通过材料的堆叠来完成立体实物的加工，进而最大程度的节省了材料。矿机易损零部件的维修是在悄无声息的环境下完成的，对环境基本实现了零污染，同时也节约了能源。国家已认识到3D打印技术的重要性，这也为3D打印激光修复技术在矿机易损部件修复的发展提供了契机。

目前部分矿机采用激光熔覆技术来增加使用寿命及表面涂覆，最先选用的涂层材料就是Ni基、Co基、Fe基自熔合金，这种合金系具有较好的耐磨性、耐蚀性，对各种碳钢、不锈钢、合金钢、铸铁和多种有色金属基体具有广泛而良好的润湿性能够与基体实现冶金结合，从而获得过反应用。

激光成形3D打印技术还可以实现材料复合制造，利用Ni基、Co基、Fe基等自熔合金作为粘接剂，选用WC、Al2O3、ZrO2、TiC、TiN、SiC等陶瓷材料作为增强相经激光立体成形修补至受磨损工件的易损区，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等高熔点的超硬陶瓷颗粒形成复合涂层，可大大地提高涂层的硬度和耐磨性，平均硬度达HVl000～HV1400。激光成形3D打印技术以其灵活的材料选配，以及精巧的自由成形优势，显示出比激光熔覆技术在矿用设备易磨损件方面更广阔的应用前景。

作为一种3D打印技术，激光成形修复技术拥有金属3D打印技术的自由成形能力，3D打印技术在铸造上的应用，集中在砂型、模具、铸件制造及修复方面，该技术继承了激光熔覆技术（LaserSurfaceCladding）的表面强化优势，在成形过程中可以实现Ni基、Co基、Fe基自熔合金与WC、TiC、TiN、SiC等陶瓷材料复合。

矿机易损零部件3D打印激光修复作为3D打印技术的一种实际应用，激光成形修复技术弥补了激光熔覆技术在复杂结构成型方面的缺陷，延袭并发展了激光熔覆技术在表面强化方面的技术优势，用于修补矿用设备易损零部件，不仅可以避免或减少修复后的机械加工，实现仿形精确修复，可以修补出既具有复杂/异形结构，又具有高强耐磨的性能，而且提高了矿用设备易损件的使用寿命，是矿用设备较理想的修复方式，在矿用设备修复上具有潜在的技术优势和广阔的应用前景，具有长足的发展潜力和巨大的经济效益。

探讨了基于3D打印激光成形修复技术在矿机易损设备修复的应用范围及应用前景， 提出在矿用设备易损零部件的直接工作件类、结构件类型、传动系统件三种类型设备的3D打印 激光修复技术应用可行性，以及与部分矿机设备采用的激光熔覆表面强化技术的区别与优势，结果表明：3D打印激光修补矿用设备易损零部件，能避免或减少修复的机械加工，达到仿形精确修复，提高矿用设备易损件的使用寿命。

编辑：南极熊
作者：王海军（中国神华神东煤炭集团有限责任公司）黄卫东（西安铂力特激光成形技术有限公司）