陳光霞

(江漢大學(xué) 機(jī)電與建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430056)

金屬零件激光表面熔覆強(qiáng)化實驗研究*

陳光霞

(江漢大學(xué) 機(jī)電與建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430056)

激光表面熔覆強(qiáng)化是表面改性的方法之一。在激光功率為106 W，掃描速度為8 m/min，熔覆層厚為20～60 mm時，采用Fe-17Cr-4Ni-2Mo-0.1C材料進(jìn)行激光熔覆，對熔覆層的形貌、顯微硬度、致密度分析及X射線衍射分析。結(jié)果表明，熔覆層的顯微硬度呈波浪型變化且平均值大于HV300，致密度大于96%，且其主要物相為γ-Fe。

金屬零件；激光熔覆；表面強(qiáng)化

0 引 言

機(jī)械零件在加工過程中，為了提高其使用壽命，往往對零件表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，也就是常說的表面改性加工。表面改性技術(shù)(surface modified technique)則是采用化學(xué)的、物理的方法改變材料或工件表面的化學(xué)成分或組織結(jié)構(gòu)以提高機(jī)器零件或材料性能的一類熱處理技術(shù)。它包括化學(xué)熱處理(滲氮、滲碳、滲金屬等)，表面涂層(低壓等離子噴涂、低壓電弧噴涂、激光熔覆和非金屬涂層技術(shù)等)[1-3]。

激光熔覆技術(shù)是利用高能密度激光束將具有不同成分、性能的合金與基材表面快速熔化，在基材表面形成與基材具有完全不同成分和性能的合金層的快速凝固過程。這樣可使零件具有特殊的性能，在復(fù)雜環(huán)境下，它比單一成分的材料具有更大優(yōu)勢，具有高強(qiáng)度、高韌性、高耐熱性、高耐磨性等特性[4]。

筆者利用IPG200W光纖激光器和自主研究開發(fā)的熔覆設(shè)備，在基材上進(jìn)行表面熔覆，研究表面熔覆層的形貌、顯微硬度的變化規(guī)律、致密度分析及X射線衍射分析。

1 實驗方法與材料

筆者利用IPG200W光纖激光器和自主研究開發(fā)的激光熔覆設(shè)備，在基材上(Q235鋼板厚25 mm)進(jìn)行表面激光熔覆實驗，熔覆材料為不銹鋼粉末(Fe-17Cr-4Ni-2Mo-0.1C(質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω))，粉末粒度為-180/+600目， 研究熔覆層的形貌、顯微硬度的變化規(guī)律、致密度及X射線衍射分析。工藝參數(shù)如表1。

表1 激光熔覆實驗的工藝參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 熔覆層形貌

圖1 表面熔覆宏觀形貌 圖2 熔覆層低倍形貌

利用表1所列工藝參數(shù)進(jìn)行表面熔覆，其宏觀形貌如圖1所示。其低倍形貌如圖2所示，熔覆層是由多道具有相同組織特點(diǎn)的組織組成，熔覆道與熔覆道彼此相互平行。2.2 X射線衍射分析

圖3所示，給出了激光熔覆層的組織X-射線衍射譜及相應(yīng)的衍射峰的物相標(biāo)定。從圖中可看出，材料在熔覆后主要以奧氏體存在，主要物相為γ-Fe。

圖3 X射線衍射分析

2.3 顯微硬度的變化規(guī)律

圖4所示為激光熔覆層顯微硬度變化曲線，測試平面為XOY平面。其顯微硬度測試結(jié)果曲線呈現(xiàn)波浪型起伏變化。由于在非加工硬化的情況下，金屬材料的硬度和平均晶粒大小的關(guān)系[5]可表示為：

(1)

式中：Hs為金屬材料的硬度；Hi，K分別為與硬度測量有關(guān)的適當(dāng)常數(shù)；d為平均晶粒直徑。

圖4 激光熔覆層顯微硬度變化曲線

由式(1)可知，晶粒越大顯微硬度越低，晶粒越小顯微硬度越高。在金屬熔化結(jié)晶過程中，晶枝的生長與冷卻時間有很大關(guān)系，冷卻時間越快，則晶粒越小。由于激光熔覆過程是驟熱驟冷的過程，冷卻時間極短，因此熔覆層晶粒小，所有顯微硬度高。在每條熔覆道中的測試點(diǎn)的顯微硬度都較高。而在兩條熔覆焊道搭接處，由于激光能量密度稍低，且存在重熔現(xiàn)象，組織較粗大，而且這個部位也是缺陷的聚集處，因此硬度偏低。

從顯微硬度的測試來看，平均硬度均在HV300以上，與奧氏體不銹鋼鍛造件力學(xué)顯微硬度性能相比，在顯微硬度上高于鍛件，如表2所列。

2.4 致密度性能

激光熔覆層的致密度是衡量激光熔覆質(zhì)量好壞的重要標(biāo)志之一。筆者對熔覆層的致密度進(jìn)行測定，不銹鋼材料的致密度為100%時的比重取值為7.93×103kg/m3。

測試結(jié)果如表3所列。從表中可看出，激光熔覆層的致密度可達(dá)到96%以上，與鑄造相當(dāng)，完全可滿足實際使用需要。

表2 奧氏體不銹鋼力學(xué)性能表(摘自GB/T1220—1992)

表3 SLM制備金屬件致密度測量結(jié)果

3 結(jié) 論

激光表面熔覆強(qiáng)化是表面強(qiáng)化的方法之一，從實驗研究可得出結(jié)論：

(1) 熔覆層的顯微硬度呈現(xiàn)波浪型變化，且其平均值大于HV300，高于鍛件;

(2) 熔覆層的致密度高于96%,與鑄造相當(dāng)，能滿足實際需要。

[1] 韓 莉,姜 偉,戚佳睿.40Cr激光表面強(qiáng)化工藝的研究[J].表面技術(shù)，2009,38(1)：35-36.

[2] 巴發(fā)海,宋巧玲.激光表面強(qiáng)化相關(guān)問題的研究進(jìn)展[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2000,25(3)：85～89.

[3] Kobryn P A, Semiatin S L. Microstructure and Texture Evolution During Solidification Processing of Ti-6Al-4V[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2003,135(2～3): 330～339.

[4] 張魁武.國外激光熔覆應(yīng)用和直接熔覆金屬零件及梯度材料制造[J].金屬熱處理, 2002,27(9): 1-4.

[5] Sato Y S, Urata M,Kokawa H, et al. Hall-Petch Relationship in Friction Stir Welds Of Equal Channel Angular-Pressed Aluminium Alloys[J].Materials Science Engineering, 2003, 354(1～2):298～304.

Experimental Research on Surface Strengthening of Metal Parts by Laser Surface Cladding

CHEN Guang-xia

(SchoolofElectromechanicalandArchitecturalEngineering,JianghanUniversity,WuhanHubei430056,China)

Strengthening of laser surface cladding is one method of surface modification. Some cladding layers were built with process parameters such as laser power 106 W, scan velocity 8m/min, cladding layer thickness 20～60 mm, and material is Fe-17Cr-4Ni-2Mo-0.1C, and then, morphology of cladding layer, micro-hardness, density and X-ray diffraction were processed. According to analysis results, the micro-hardness of the cladding layer is wavy changed and their average value is bigger than HV300, the density is bigger than 96%, and the main phase is γ-Fe.

metal parts; laser cladding; surface strengthening.

2014-01-06

江漢大學(xué)機(jī)電與建筑工程學(xué)院資助項目(編號：GS010[2013])

陳光霞(1968-)，男，湖北武漢人， 教授，博士，主要從事激光快速成型及激光表面改性方面的研究工作。

TG156.99

A

1007-4414(2014)02-0074-02