鄧居軍，　劉政，　朱濤

（江西理工大學(xué)機電工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

激光熔覆鐵基涂層工藝參數(shù)的研究

鄧居軍，劉政，朱濤

（江西理工大學(xué)機電工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

以激光熔覆鐵基涂層為研究對象，在MM-P2屏顯式摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損對比實驗，分析了不同工藝參數(shù)下熔覆層形貌及熔覆涂層后磨損量的變化關(guān)系.結(jié)果表明：熔覆涂層后的表面硬度均在62HRC以上，遠高于基體的硬度；熔覆層的形貌和質(zhì)量主要影響因素是掃描速度，激光功率次之，并在此基礎(chǔ)上采用能量密度進行表征，能量密度為60 J/mm2左右時的耐磨性最好，其最佳組合工藝參數(shù)為激光功率3.2 kW左右、掃描速度300mm/min左右.激光功率過高，掃描速度過快都會導(dǎo)致熔覆層耐磨性能下降.

激光熔覆；熔覆層；工藝參數(shù)；耐磨性

0　引　言

目前，工業(yè)生產(chǎn)中對失效的零部件多采用更換新的處理方法，但是有些零部件只是表面的損傷，是完全可以應(yīng)用再制造表面工程技術(shù)來進行修復(fù)，使得失效的零部件再次被使用，這不僅節(jié)約了制造成本、縮短了生產(chǎn)周期、提高了零部件的利用率，還相應(yīng)的提高了零部件的在役壽命，利于環(huán)保[1-3].由于傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)如堆焊、噴涂等修復(fù)成本高且存在熱變形、涂層剝落等缺陷，在實際工業(yè)應(yīng)用中非常有限.自進入20世紀(jì)80年代，激光熔覆技術(shù)作為隨著大功率激光器的產(chǎn)生而逐漸興起的一門新技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于零部件的修復(fù)[3].它是通過粉末預(yù)置法或者同步送粉法的方式，同時使用能量高度集中的激光照射，涂層粉末經(jīng)過輻照后，在基材表面快速凝固，形成與基材呈冶金結(jié)合，達到強化和修復(fù)基材的目的.激光熔覆修復(fù)技術(shù)的出現(xiàn)成功的解決了傳統(tǒng)加工過程中存在的熱變形、熱疲勞損傷等問題，同時還避免了涂層與基材結(jié)合強度差的問題的出現(xiàn)[4-5].45鋼價格低廉、加工性能好、綜合性能高，廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)中的機械零件和工程構(gòu)件的加工、制造.然而，決定激光熔覆修復(fù)結(jié)果的好壞的因素非常多，目前關(guān)于提高熔覆修復(fù)效果的研究，主要包括組合工藝參數(shù)的優(yōu)化、恰當(dāng)?shù)娜鄹膊牧?、材料成分的合理設(shè)計等，但是激光熔覆工藝本身就易形成微裂紋，而激光熔覆過程快速性，使得熔覆層在成形中存在較大的溫度梯度現(xiàn)象，加劇了熔覆層裂紋的產(chǎn)生，因此基于激光熔覆修復(fù)技術(shù)本身的優(yōu)點，為了改善裂紋缺陷，馬運哲[6]運用模糊綜合評價的方法找出獲得無裂紋和氣孔的激光熔覆Fe90合金的最佳工藝參數(shù)，但是成形的熔覆層抗氧化性差；余菊美[7]通過改變?nèi)鄹膊牧系某煞值姆椒ń档土巳鄹矊拥牧鸭y敏感性，但是該方法并不能徹底解決熔覆層產(chǎn)生裂紋的問題；正是由于熔覆層存在開裂、氣孔、抗氧化性差等缺陷，導(dǎo)致其熔覆層性能急劇下降，修復(fù)效果并不理想，因此，通過研究激光熔覆工藝參數(shù)來減少熔覆層缺陷，提高熔覆層性能的研究非常具有實際價值.目前，激光熔覆在螺桿、葉片、軸承等零部件上已得到較好的應(yīng)用[8-9].基于此，本文主要是針對因磨損或者腐蝕失效的機械零部件的45鋼材質(zhì)，利用激光熔覆鐵基進行修復(fù)，分析工藝參數(shù)對熔覆層性能的影響，初步摸索出適合于修復(fù)失效的調(diào)質(zhì)中碳鋼零部件的最佳工藝參數(shù)，并比較最佳工藝參數(shù)下獲得的熔覆層與調(diào)質(zhì)45鋼基體的表面耐磨性，為加強激光熔覆技術(shù)在零部件強化和修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定實驗基礎(chǔ).

1　實驗材料及方法

實驗所用的基材為經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理的45鋼圓塊狀試樣，初始尺寸為Ф50 mm×10 mm.熔覆涂層材料為赫格納斯公司生產(chǎn)的牌號為M2型的鐵基合金粉末，其化學(xué)成分如表1所示.

表1　鐵基合金粉末的化學(xué)成分Table 1　Chem ical com position of iron base alloy pow der

首先將45鋼圓塊試樣表面通過打磨光滑后在其表面預(yù)先鋪上一層鐵基粉末，然后通過專用粉末測量尺使鐵基粉末厚度固定為1.5 mm，寬度大于10mm，置于激光熔覆設(shè)備的工作臺上進行激光熔覆試驗（如圖1所示）.光斑帶寬尺寸為10 mm×2 mm，激光功率分別為2.5 kW、2.8 kW、3.0 kW、3.2 kW和3.4 kW，掃描速度分別為100mm/min、200mm/min、300mm/min和400mm/min.激光熔覆后沿著垂直于激光掃描速度的方向線切割出長×寬=10 mm×10mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，并用HR-150洛氏硬度計測試表面硬度的大小.

在MM-P2型屏顯式摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損實驗，對磨副為GCr15鋼，其硬度為65 HRC.加載載荷為650 N，轉(zhuǎn)速為200 r/min，加載時間為60 min.磨損實驗前后把標(biāo)準(zhǔn)樣用無水乙醇和丙酮溶液清洗，吹干后用精確度為0.1mg的電子天平稱重得出試樣磨損前后的質(zhì)量，磨損前測得的重量記為W0，磨損1 h后的重量記為Wt，計算出失重量ΔW.并觀察熔覆層宏觀形貌.

圖1　激光熔覆系統(tǒng)示意圖Fig.1　System schem atic diagram for laser cladding

2　結(jié)果與討論

2.1工藝參數(shù)對熔覆層質(zhì)量的影響

激光熔覆工藝參數(shù)主要指激光輸出功率P、激光掃描速度V、光斑形狀及尺寸3個參數(shù)，激光功率P的大小決定了激光束的能量大小，掃描速度的快慢決定了激光束與熔覆材料作用時間的長短，光斑形狀及尺寸影響激光熔覆區(qū)域的范圍大小[10-14].由此可知，激光工藝參數(shù)的不同對熔覆后的涂層性能質(zhì)量的優(yōu)劣起著至關(guān)重要的作用.

由于光斑形狀及尺寸已經(jīng)事先確定了，因此只需要控制激光輸出功率和掃描速度的其中一個參數(shù)，就可得出另一個參數(shù)的影響規(guī)律.所以，首先擬訂掃描速度V=300mm/min下，改變激光功率P的大小，確定最佳激光功率的范圍；其次在最佳功率范圍內(nèi)選定P的值，尋找出較佳的掃描速度范圍.

通過進一步分析效果較佳的激光功率和掃描速度配比形成的熔覆層形貌，表面硬度及耐磨性，初步尋找出最佳配比的激光熔覆工藝參數(shù)，主要試驗結(jié)果如表2、表3所示.

表2　不同激光功率對熔覆層形貌及耐磨性的影響Table 2　Effects of laser power on m orphology and wear resistance of cladding layers

表3　不同掃描速度對熔覆層形貌及耐磨性的影響Table3　Effects of scanning speed on m orphology and wear resistance of cladding layers

表2表明，在掃描速度確定的條件下，隨著激光功率的增加，熔覆層上可見氣孔明顯減少，A1、A2的熔覆層不僅氣孔較多且熔覆層平坦無弧度，表面的波紋較明顯，A3、A4、A5熔覆層的形貌相對較完美，不僅無可見氣孔，而且還有較好的弧形度，A5的熔覆層完美但略有不足，相對A3和A4的熔覆層寬度更窄且熔覆層飽和度不夠.

表3表明，當(dāng)激光功率不變時，隨著掃描速度的增大，熔覆層的宏觀形貌變化較明顯，B1熔覆層不連續(xù)，不僅粗糙還有氣孔，B2熔覆層形貌有所改善，依然存在較多的可見氣孔，B4的熔覆層成形較差．

熔覆層的宏觀形貌的優(yōu)劣完全取決于工藝參數(shù)的匹配性，激光功率過小，熔覆材料未熔化完全，形成的熔覆層表面波紋較嚴(yán)重，可見氣孔也較多，功率過大，熔覆材料出現(xiàn)過熔，形成的熔覆層弧形度不完美；同時掃描速度的快慢也對熔覆層形貌有較大的影響，速度過慢，激光束停留在熔覆材料的時間較長，材料吸收的能量也相對增加，使得材料過熔，甚至造成基體的損傷，速度過快，激光束接觸材料的時間相對較短，材料未完全充分熔化，熔覆層結(jié)合性也相對較差．

2.2硬度分析

表面硬度的高低是熔覆層高耐磨性的先兆，因此，在分別固定掃描速度或者激光功率的前提下，通過探究激光功率或者掃描速度的大小對熔覆層硬度的變化規(guī)律來初步確定工藝參數(shù)的最佳選擇范圍．

由圖2可以看出，激光熔覆工藝參數(shù)的配比對熔覆層的硬度有影響，圖2（a）表明當(dāng)掃描速度不變時，熔覆層的表面硬度隨激光功率P的增大而增加，當(dāng)激光熔覆功率超過3．2 kW時，熔覆層的硬度急劇下降，這是由于激光熔覆的功率過高，導(dǎo)致熔覆材料過熔，甚至也會導(dǎo)致基體的表面熔化，使得硬度反而下降；圖2（b）表明當(dāng)保持激光功率不變時，熔覆層的表面硬度隨著掃描速度的增加而快速增加，造成上述現(xiàn)象的原因是因為，掃描速度越快，激光束與熔覆材料接觸的時間越短，被熔覆材料吸收的能量就越小，而且激光熔覆是一個非?？焖俚倪^程，熔覆材料在奧氏體化后來不及長大，自冷卻后形成的馬氏體也相對較細(xì)小、均勻，但當(dāng)掃描速度增加至300mm/min后，表面硬度又急劇下降，這是由于速度過快熔覆材料都還未完全被熔化．

圖2　熔覆層硬度與激光熔覆工藝參數(shù)的關(guān)系Fig.2　Relation of cladding layer hardness and laser cladding process parameters

激光熔覆鐵基涂層后，表面的硬度值基本都在62HRC以上，而調(diào)質(zhì)熱處理的45鋼的硬度范圍在22～34HRC之間，因此激光熔覆強化的能力非常顯著．激光熔覆可使表面獲得如此高的硬度原因在于高能量激光束作用材料，使得材料在極短的時間內(nèi)奧氏體化，由于時間極短，所以奧氏體晶粒很小，使得內(nèi)部晶粒的含碳量有差異，所以冷卻后形成的馬氏體并不完全一樣，正是這種混合型的馬氏體導(dǎo)致表面硬度和強度得到顯著提高．

2.3激光能量密度對熔覆層的影響

單道激光熔覆是激光綠色再制造技術(shù)的基礎(chǔ)，它直接關(guān)系到激光工藝技術(shù)的發(fā)展，甚至還有可能制約再制造工程技術(shù)的發(fā)展，因此單道激光熔覆工藝的研究非常重要．通過觀察單道激光熔覆試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同激光工藝參數(shù)下的熔覆層質(zhì)量和表面宏觀形貌有所差異．研究表明，激光能量密度是導(dǎo)致熔覆層質(zhì)量和宏觀形貌不同的主要因素．激光能量密度是指單位面積熔覆層所受到的激光輻照能量，其數(shù)值可按式（1）計算[15]：

式（1）中，E為激光能量密度，J/mm2；P為激光功率，W；d為光斑的帶寬，mm；V為掃描速度，mm/s．按式（1）計算獲得上述標(biāo)準(zhǔn)樣的激光能量密度，結(jié)果如表4所示．

表4　不同工藝參數(shù)配比下的激光能量密度Table4　Different p rocess param eters ratio of laser energy density

由表4結(jié)果可知，激光功率的變化對激光能量密度的影響不明顯，而掃描速度的改變，導(dǎo)致激光能量密度的成倍提高，這說明掃描速度參數(shù)對熔覆層影響的作用效果大于激光功率.

圖3是激光能量密度與磨損量的關(guān)系曲線，可以看出，不同區(qū)間段的能量密度所獲得熔覆層的耐磨性差別較大，能量密度在60 J/mm2左右的耐磨性最好.激光能量密度高，會造成粉末熔化過度而燒損；激光能量密度低，會導(dǎo)致熔覆層熔化不完全，熔覆層和基體結(jié)合不牢，容易剝落.因此只有將激光能量密度E控制在比較合適的范圍內(nèi)，此時因工藝參數(shù)之間匹配良好，獲得的熔覆層形貌和耐磨性也相對較好.

圖3　激光能量密度與磨損量的關(guān)系Fig.3　Relation of laser energy densityand wear resistance

2.4耐磨性分析

相同條件下磨損量的大小可以直接反映熔覆層耐磨性能的優(yōu)劣，因此，在分別固定掃描速度或者激光功率的前提下，再探究磨損量隨激光功率或者掃描速度的大小變化規(guī)律有助于確定最佳工藝參數(shù)范圍.

由圖4中可看出，掃描速度對熔覆層的耐磨性影響更為顯著，圖4（a）表明，保持掃描速度不變時，隨著激光功率從2.5 kW增大到3.0 kW，磨損失重量減少并不明顯，從3.0 kW到3.4 kW時，磨損失重量明顯有了較大的起伏，在3.2 kW左右時，磨損失重量最少，表現(xiàn)出熔覆層極好的耐磨性；圖4（b）表明，保持激光功率不變的情況下，隨著掃描速度的增大，形成的熔覆層的耐磨性呈先提高后下降的趨勢，掃描速度在300 mm/min時，熔覆層的耐磨性較好.圖4中不同工藝參數(shù)下的磨損量曲線大致呈先下降后上升的趨勢，這表明隨著相應(yīng)工藝參數(shù)的變化，熔覆層的耐磨性都是呈先增加后下降的變化趨勢，原因在于激光工藝參數(shù)的配比不同，形成的熔覆層性能有差異，導(dǎo)致熔覆硬化層的寬度和厚度也不一樣，磨損失重量才有了明顯的區(qū)別.

圖4　熔覆層磨損量與激光熔覆工藝參數(shù)的關(guān)系曲線Fig.4　Relation of amount of cladding layer wear and laser cladding p rocess parameters

3　結(jié)　論

1）當(dāng)保持掃描速度V=300mm/min不變時，隨著激光功率P的增加，所獲的熔覆層的表面硬度呈先增加后下降的趨勢，在激光功率P=3.2 kW左右時的硬度最高；當(dāng)保持激光功率P=3.2 kW不變時，隨著掃描速度的增大，得到的熔覆層硬度也呈先增加后下降的趨勢，在速度V接近300mm/min時的硬度最高.

2）熔覆層成形質(zhì)量的優(yōu)劣主要取決于掃描速度的快慢，其次是激光功率的大小.可通過激光能量密度一個參數(shù)來評價熔覆層質(zhì)量，結(jié)果表明，激光能量密度在60 J/mm2左右的熔覆層耐磨性較好.

3）不同配比的激光工藝參數(shù)，形成的硬化層的寬度和厚度也不一樣，在耐磨性上表現(xiàn)的較明顯，激光功率過高，掃描速度過快都會導(dǎo)致熔覆層耐磨性下降.

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Process param eters of laser cladding iron-based coating

DENG Jujun,LIU Zheng,ZHU Tao
（School ofMechanical and Electrical Engineering,JiangxiUniversity of Science and Technology,Ganzhou 341000,China）

Comparative experiments of friction and wear were performed on MM-P2-screen friction and wear tester using laser cladding iron-based coating as the object of study.Themorphology of cladding layer under different process parameters were studied by analyzing the changes ofwear amount and cladding coating.The results show that the surface hardness are above 62 HRC after cladding coating,far higher than the hardness of substrate.Scanning speed and laser power are the most important factors affecting the morphology and quality of cladding layer.Energy density characterization results show the best abrasion resistance occurs when the energy density is around 60 J/mm2.The scope of the optimal process parameters are:laser power approximately 3.2 kW,the scanning speed around 300mm/min.The results show that too high laser power and scanning speed also decrease the abrasion resistance of cladding layer.

laser cladding;cladding layer;process parameters;wear resistance

TG174.44

A

10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.03.010

2014－11－21

江西省教育廳重點科技資助項目（GJJ11021）

鄧居軍（1988-），男，碩士研究生，主要從事機械設(shè)計及表面強化等方面的研究，E-mail：469768627@qq.com.

劉政（1958-），男，教授，博導(dǎo)，主要從事材料組織性能強化研究，E-mail：liukk66@163.com.