35CrMo激光熔覆鐵基合金與鎳基合金涂層性能比較

宋新華1, 2，鄒宇峰3，邢家坤2，李維逸3

(1.張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空制造工程系，張家界 427000；2.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082；3.北汽(廣州)汽車有限公司, 廣州 511300)

摘要：為了對35CrMo電機(jī)主軸激光熔覆鐵基合金與鎳基合金涂層進(jìn)行對比研究，利用 CO2激光在35CrMo電機(jī)主軸表面制備3540鐵基和Ni00鎳基合金改性涂層，在初步滿足工程應(yīng)用的前提下，對兩種材料改性涂層橫截面橫向和縱向上的硬度進(jìn)行測試，并通過配備腐蝕液對其進(jìn)行了金相研究。結(jié)果表明,在熔覆區(qū)和熔合區(qū)交界處附近，兩種熔覆材料的顯微硬度差別不大，均為640HV左右，都能滿足工程應(yīng)用；兩種涂層材料的耐腐蝕性均較基體材料強(qiáng)，激光熔覆區(qū)域、熔合區(qū)的顯微組織差異明顯，晶粒的尺寸逐漸變小，且鎳基材料的耐腐蝕更強(qiáng)。綜合比較而言，選擇Ni00熔覆材料較3540材料更能滿足工程應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：激光技術(shù);激光熔覆;3540鐵基合金;Ni00鎳基合金;硬度;組織

E-mail: sxhnuaa@163.com

引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，生產(chǎn)中對機(jī)械關(guān)鍵零部件尺寸、精度、經(jīng)濟(jì)、表面等各項性能要求越來越高。電機(jī)主軸作為工業(yè)生產(chǎn)中的一個關(guān)鍵的零部件，由于工作的需要，經(jīng)常在惡劣的環(huán)境下工作，很容易導(dǎo)致電機(jī)主軸軸頸磨損嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)無法正常工作。激光熔覆作為一種新型表面改性技術(shù)[1-2]，可利用廉價材料來提高工件表面的耐磨性[3]，在電機(jī)主軸修復(fù)方面取得了十分顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益[4]。

激光熔覆常用的合金粉末可分為鎳基、鈷基和鐵基三大類[4]。針對不同粉末修復(fù)得到零件的機(jī)械性能，相關(guān)學(xué)者做了大量的實驗研究[5-8]和理論研究[9-11]，分別得出：選擇正確的工藝參量或合適的合金粉末能有效地改善失效材料的機(jī)械性能；通過相關(guān)模型模擬出了相關(guān)因素對激光熔覆表面形態(tài)影響以及熔池的流動方式。SEXTON[12]等人采用兩種不同的鎳基高溫合金對受損的葉片進(jìn)行修復(fù)，采用激光熔覆后的熔覆層與采用電弧焊得到的涂層比較發(fā)現(xiàn)：前者的熱影響區(qū)、稀釋率、微觀組織、硬度和氣孔率均比后者要好。DINDA[13]等人研究了Inconel625合金激光熔覆成形組織在800℃～1200℃的熱穩(wěn)定性，研究發(fā)現(xiàn)：柱狀晶組織在1000℃以下較為穩(wěn)定，而在1200℃左右，可見完全再結(jié)晶的等軸晶組織。ZHANG[14]和YAO[15]等人對鎳基合金改性層的組織形貌、成分、結(jié)構(gòu)、硬度及摩擦磨損性能進(jìn)行了各方面的研究。結(jié)果表明，激光熔覆對基體材料的改善效果良好，能很好地滿足實際生產(chǎn)中的需要。ZHONG[16],LI[4]等人針對45#鋼和灰鑄鐵激光熔覆鐵基和鎳基表面涂層性能進(jìn)行了相關(guān)研究。但是目前對于35CrMo合金表面激光熔覆的研究報道較少。作者在工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，以及初步檢測所修復(fù)的電機(jī)主軸滿足工程要求的前提下，對35CrMo電機(jī)主軸激光熔覆鐵基和鎳基表面涂層力學(xué)性能、微觀組織等進(jìn)行了比較研究，在實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上比較了鐵基和鎳基涂層的優(yōu)缺點，以便更好地指導(dǎo)實踐。

1試驗材料及方法

本工程電機(jī)主軸應(yīng)用為發(fā)電機(jī)組, 發(fā)電機(jī)組主要為在惡劣環(huán)境下的生產(chǎn)提供電能,因此,電機(jī)需要在室外或者惡劣的環(huán)境下工作，室外高溫、風(fēng)吹、日曬、天寒、地凍以及風(fēng)沙等很容易導(dǎo)致電機(jī)主軸軸頸磨損嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)無法正常工作,電機(jī)主軸磨損以后,如果更換整個主軸,成本將非常大,因此，利用激光熔覆能有效地滿足電機(jī)主軸的使用要求,并且大量節(jié)約了成本,故在實際的工程應(yīng)用背景下,本實驗中討論比較了兩種熔覆材料修復(fù)主軸后的性能,并結(jié)合工程需要進(jìn)行了分析,選出了相對滿足工程應(yīng)用的激光熔覆材料類型。本工程中用的基體材料為未經(jīng)調(diào)質(zhì)的35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼，化學(xué)成分如表1所示。激光熔覆實驗(實驗裝置見圖1)在如圖2所示的35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼圓盤試件上進(jìn)行，其中直徑?210mm、寬30mm處的圓柱面為工件夾持區(qū)，直徑?200mm、寬60mm處的圓柱面為激光熔覆區(qū)(見圖3)。進(jìn)行激光熔覆前，先對軸進(jìn)行跳動測試。

熔覆材料為3540鐵基合金粉末和Ni00鎳基合金粉末，如表2所示。

Table 1　Mass fraction of 35CrMo alloy steel

Fig.1　Experimental setup of laser cladding

Fig.2　35CrMo alloy steel disc

實驗用激光器采用的是用DL-HL-TH500型高功率橫流CO2激光器，最大功率為6000W，熔覆用粉末通過送粉器在保護(hù)氣體(Ar氣)的作用下送入熔覆區(qū)域。采用的激光熔覆工藝參量如表3所示。

Fig.3　Schematic of coating distribution and sampling

powdernames3540Ni00powdertypeFe-basedalloypowderNi-basedalloypowderpowdersize(100~200)mesh(150~200)mesh

按表3中實驗參量、圖2中的方式進(jìn)行激光熔覆實驗。試驗后將所得的軸進(jìn)行徑向跳動測試，得到的跳動結(jié)果與實驗前進(jìn)行對比，結(jié)果見表4。

Table 3　Process parameters of laser cladding

Table 4　Measurement of laser cladding induced thermal deformation/mm

在實際的工程應(yīng)用中,直徑在19mm~30mm的電機(jī)主軸，跳動0.04mm,隨著電機(jī)主軸直徑的增大,允許的跳動值也會變大的。本次試驗主軸跳動測試中，由熔覆后的最大值減去熔覆前的值可以得出，熔覆后相對于熔覆前變形的最大值為0.03mm,而電機(jī)主軸直徑為200mm,很顯然,激光熔覆后電機(jī)主軸的徑向跳動是滿足電機(jī)主軸的跳動要求的。取試樣(如圖4所示每種材料共5組)進(jìn)行后續(xù)檢測實驗。其中每種材料選3組試件在402MVA顯微硬度計上進(jìn)行硬度檢測實驗，另外兩組進(jìn)行組織觀測實驗。為了防止樣件混淆，在進(jìn)行相關(guān)的各種檢測之前，需要將樣件進(jìn)行編號。編號后，再將樣件沿垂直于熔覆方向的表面進(jìn)行打磨、拋光。依次采用320#,400#,600#,800#,1000#,1200#的砂紙進(jìn)行表面打磨，然后再使用拋光劑在拋光機(jī)上拋光，以保證表面的平整性，確保檢測數(shù)值的準(zhǔn)確。

Fig.4　Cladding region morphology

a—single-layer and single-channelb—dividing lines of cladding zone- fusion zone and fusion zone-base in 1000 times magnification of 3540 cladding materialc—dividing lines of cladding zone-fusion zone and fusion zone-base in 1000 times magnification of Ni00 cladding material

由單層單道宏觀圖4a可以看出：整個熔覆區(qū)域由上到下可分為3層，分別為熔覆材料區(qū)、熔覆材料-基體熔合區(qū)和基體(以下分別簡稱熔覆區(qū)、熔合區(qū)和基體區(qū))，并且熔覆區(qū)、熔合區(qū)和基體之間有兩條界限分明細(xì)線；由圖4b和圖4c可以看到,在放大1000倍時，熔覆區(qū)、熔合區(qū)之間依然有很明顯的界限線，而熔合區(qū)和基體之間的界限線不是很明顯，但是可以看到兩個區(qū)域之間成分相互熔合良好，因此可知：在激光作用下，熔覆材料和基體材料實現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合。另外，由圖4b和圖4c可以看出：3540鐵基合金層出現(xiàn)裂紋，而Ni00基合金層沒有發(fā)現(xiàn)較明顯的裂紋?？赡茉蚴牵烘嚮辖鹁哂袃?yōu)良的熱加工性能，并且能提高熔覆層的抗裂紋能力。因此，在實際的工程應(yīng)用中，Ni00基合金層具有抗裂紋能力強(qiáng)的優(yōu)點，因此，更能夠滿足工程電機(jī)主軸在惡劣工作環(huán)境下的需求。

2實驗結(jié)果與分析

2.1　硬度檢測對比分析

為了分析激光熔覆區(qū)域的硬度分布，任意取兩種材料激光熔覆后的其中3組試件試樣進(jìn)行打磨、拋光，然后分別沿熔覆層橫截面中心垂直(以下稱為“縱向”)和水平(以下稱為“橫向”)方向測量顯微硬度。在橫上方向上，由于在熔覆眼縱向方向的對稱性，統(tǒng)一取橫向一側(cè)進(jìn)行硬度測試，平均取4個點,縱向上平均取6個點。圖5為顯微硬度測點布置示意圖。

Fig.5　Schematic of hardness testing point definition in cladding layer

將3組試件中的相應(yīng)位置取平均值(見表5和表6),繪制成的曲線見圖6~圖8。

Table 5Average hardness in points of cladding material 3540 specimen/HV

numbersingle-layerandsingle-channeldouble-layerandsingle-channelsingle-layerandmulti-channelhorizontal1468.4333447.7000554.36672470.8333451.3667606.40003531.9667538.7000623.46674618.7667644.6000653.2667vertical1471.5667463.3333523.53332492.4667478.1000543.60003624.3000621.9667646.60004642.7333652.8333614.56675397.5667426.7333333.66676280.8333287.0333282.2667

Table 6Average hardness in points of cladding material Ni00 specimen/HV

numbersingle-layerandsingle-channeldouble-layerandsingle-channelsingle-layerandmulti-channelhorizontal1352.2000357.5667475.26672510.7667399.4000610.90003558.4667566.6333628.73334595.8000617.9000645.3333vertical1333.4667327.8667343.16672339.9667344.3333344.66673591.9333602.4667574.50004633.6667616.5000615.66675546.6333339.8667405.30006271.3000273.4333273.2667

Fig.6Distribution of hardness in horizontal and vertical directions of single-layer and single-channel laser cladding

由圖6~圖8可以看出：無論采用熔覆材料3540還是熔覆材料Ni00，在激光熔覆區(qū)域縱向方向上，由熔覆區(qū)到熔合區(qū)再到基體，顯微硬度都是先增大后減小；而在橫向方向上，由激光熔覆區(qū)域中心到邊緣，顯微硬度都是逐漸減小的，即越靠近熔覆區(qū)域中間，基體中熔合的熔覆材料也越多，相應(yīng)的硬度也越大。同時，比較3個區(qū)域的顯微硬度值可以發(fā)現(xiàn)：無論采用熔覆材料3540還是熔覆材料Ni00，熔覆區(qū)和熔合區(qū)的顯微硬度均高于基體的顯微硬度，并且以熔覆區(qū)和熔合區(qū)交界處附近的顯微硬度最高。

Fig.7Distribution of hardness in horizontal and vertical directions of double-layer and single-channel laser cladding

Fig.8Distribution of hardness in horizontal and vertical directions of single-layer and multi-channel laser cladding

通過對比兩種熔覆材料激光熔覆后的顯微硬度可以得知：在熔覆區(qū)(即工件表層)，采用熔覆材料3540時的顯微硬度比采用熔覆材料Ni00時的顯微硬度高；而在熔覆區(qū)和熔合區(qū)交界處附近，兩種熔覆材料的顯微硬度差別不大。

通過比較同種熔覆材料激光單層單道熔覆和雙層單道熔覆后的顯微硬度可以發(fā)現(xiàn)：無論是在熔覆區(qū)(即工件表層)還是在熔覆區(qū)和熔合區(qū)交界處附近，雙層單道激光熔覆后的顯微硬度均比單層單道激光熔覆的顯微硬度略有降低。這說明，第2次激光熔覆會給第1次激光熔覆層帶來一定程度的“弱化”作用。

由于激光熔覆后的表面還需要進(jìn)行除材料加工，因此，兩種熔覆材料改性后機(jī)電主軸的硬度差別不大,由于在電機(jī)主軸在工程應(yīng)用中,要滿足激光熔覆后,主軸的硬度和強(qiáng)度都能大于或等于基體材料的強(qiáng)度和硬度,因此這兩種熔覆材料改性后的電機(jī)主軸在強(qiáng)度很硬度上能達(dá)到工程應(yīng)用的要求。

2.2　顯微組織以及耐腐蝕性對比分析

取上述剩下的兩組試件進(jìn)行金相分析。將上述拋光后的試樣，進(jìn)行腐蝕。均取單層單道激光熔覆試樣，本檢測采用的腐蝕液為硝酸酒精溶液和王水。

首先采用硝酸酒精溶液對激光熔覆試樣腐蝕15s。通過觀察得出無論是3540熔覆材料還是Ni00熔覆材料，采用硝酸酒精溶液腐蝕時，熔覆區(qū)、熔合區(qū)、基體3個區(qū)腐蝕效果是不同的，其中以熔覆區(qū)最難腐蝕，熔合區(qū)次之，基體最容易腐蝕，由此表明：采用激光熔覆工藝，通過選擇合適的熔覆材料，能夠有效提高工件表面的耐腐蝕能力。同時得出：采用硝酸酒精溶液能將基體腐蝕出較清晰的顯微組織，但很難將熔覆區(qū)腐蝕出比較清晰的顯微組織。下面改用王水溶液對試樣腐蝕3min得到：無論是3540熔覆材料還是Ni00熔覆材料，利用王水溶液都能夠清晰地將熔覆區(qū)的顯微組織腐蝕出來，但是，在相同的腐蝕時間內(nèi)，熔合區(qū)和基體出現(xiàn)明顯的過腐蝕，晶界變黑，難以清晰地觀察其顯微組織。因此為了得到各個區(qū)域的清晰圖，下面為硝酸酒精溶液得到的基體和熔合區(qū)和王水腐蝕得到的熔覆區(qū)金相圖。

圖9~圖11是熔覆材料為3540時各個區(qū)域的顯微組織照片。

Fig.9　Microstructure in each region of single-layer and single-channel for cladding material 3540 (500×)

Fig.10　Microstructure in each region of double-layer and single-channel for cladding material 3540 (500×)

Fig.11　Microstructure in each region of single-layer and multi-channel for cladding material 3540 (500×)

圖12~圖14是熔覆材料為Ni00時各個區(qū)域的顯微組織照片。

由圖9~圖14可以看出：在激光熔覆區(qū)域內(nèi)，熔覆區(qū)的顯微組織為近似等軸晶或短柱狀晶，兩種合金層顯微織織都比較均勻致密。不同的是，在腐蝕液和腐蝕時間相同的情況下，熔覆區(qū)的組織結(jié)構(gòu)相對清晰，即相對母材，熔覆材料的耐腐蝕能力更強(qiáng)。而在熔合區(qū)的顯微組織多為樹枝狀晶，3540鐵基合金多為針枝狀結(jié)構(gòu)，這種針狀結(jié)構(gòu)主要為馬氏體，而Ni00鎳基合金多是網(wǎng)枝狀結(jié)構(gòu)?；w主要有黑色的針狀組織和白色的顆粒狀組織，其中，黑色的組織應(yīng)該是馬氏體，而白色顆粒應(yīng)該是奧氏體或滲碳體顆粒。從熔覆區(qū)到熔合區(qū)，晶粒的尺寸逐漸變小。這是由激光熔覆過程的熱作用機(jī)理決定的。在激光熔覆過程中，由于熔覆區(qū)遠(yuǎn)離基體，散熱和冷卻速度慢，導(dǎo)致晶粒粗大；而融合區(qū)靠近基體，散熱冷卻速度快，易于得到類似淬火的顯微組織。這也可以由硬度測試的結(jié)果得到驗證。從熔覆區(qū)到熔合區(qū)再到基體，顯微硬度先增大再減小。

Fig.12　Microstructure in each region of single-layer and single-channel for cladding material Ni00 (500×)

Fig.13　Microstructure in each region of double-layer and single-channel for cladding material Ni00 (500×)

Fig.14　Microstructure in each region of single-layer and multi-channel for cladding material Ni00 (500×)

由于鎳基合金優(yōu)良的熱加工性能，Ni具有提高熔覆層的抗裂紋能力(如圖4b和圖4c所示)，在工程應(yīng)用中，發(fā)電機(jī)組的工作環(huán)境惡劣、溫差大，Ni具有的抗裂紋能力能很好地滿足工程中的惡劣環(huán)境下的工作要求，為滿足工程中安全生產(chǎn)的要求,鎳基合金激光熔覆工程應(yīng)用效果相對較好。

3結(jié)論

(1)鐵基和鎳基兩種改性涂層的硬度普遍高于基體材料，且顯微硬度在橫向和縱向上變化規(guī)律都是先增大，再減小。對比兩種熔覆材料激光熔覆后的顯微硬度可以得知：在熔覆區(qū)(即工件表層)，采用熔覆材料3540時的顯微硬度比采用熔覆材料Ni00時的顯微硬度高；而在熔覆區(qū)和熔合區(qū)交界處附近，兩種熔覆材料的顯微硬度差別不大。

(2)通過對兩種涂層材料的金相實驗，可以得出：兩種涂層材料的耐腐蝕性均較基體材料強(qiáng)。在激光熔覆區(qū)域內(nèi)，熔覆區(qū)的顯微組織為近似等軸晶或短柱狀晶，而在熔合區(qū)的顯微組織多為樹枝狀晶。從熔覆區(qū)到熔合區(qū)，晶粒的尺寸逐漸變小。鎳基材料的耐腐蝕更強(qiáng)。

(3)從硬度和耐腐蝕性等方面分析比較，選擇Ni00熔覆材料較3540材料更能滿足工程應(yīng)用。

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Comparison between laser cladding Fe-based and

Ni-based alloy coatings on 35CrMo

SONGXinhua1,2,ZOUYufeng3，XINGJiakun2，LIWeiyi3

(1.Department of Aerospace Engineering, Zhangjiajie Institute of Aeronautical Engineering, Zhangjiajie 427000, China; 2.The State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, China;3.BAIC Group Guangzhou Automotive Co.Ltd., Guangzhou 511300, China)

Abstract：In order to study the laser cladding Fe-based and Ni-based alloy coatings on 35CrMo motor spindle, 3540 Fe-based and Ni00 Ni-based modified coating alloy coatings were prepared on the surface of 35CrMo motor spindle with CO2laser. After the initial satisfaction of engineering applications, hardness of the modified coating materials at a selected cross-section were tested in both the horizontal and vertical direction，while the metallographic properties were studied by applying etching liquids. The results show that near the junction of the cladding zone and the fusion zone, both hardness of the two cladding materials are about 640HV, which meet the engineering application. Both of the two kinds of the coating materials are better than the base material in terms of corrosion resistance. Microstructures are significant different from the laser clad zone to the fusion zone. The grains become smaller and smaller in size and the Ni-based materials is better than Fe-based materials in corrosion resistance. Comprehensive comparison shows that Ni00 cladding material is better than 3540 material in meeting engineering application.

Key words:laser technique; laser cladding; 3540 Fe-based alloy; Ni00 Ni-based alloy; hardness; microstructure

收稿日期：2014-01-16；收到修改稿日期：2014-03-14

作者簡介：宋新華(1980-)，男，碩士，研究方向為激光焊接、激光熔覆技術(shù)。

中圖分類號：TG156.99

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.01.008

文章編號：1001-3806(2015)01-0039-07