張昌春,石 巖,王洪新
(1.皖西學院 機械與車輛工程學院,六安 237012;2.長春理工大學 機電工程學院,長春 130022)
20CrMnMo鋼是一種高強度的滲碳鋼,常用于制造曲軸、連桿、凸輪軸、齒輪軸、銷軸、齒輪等重要零件。激光熔覆主要利用高功率激光的快速熔凝效應在零件上制備功能涂層;激光熔覆制備高厚度梯度耐磨涂層,可減少裂紋缺陷、提高涂層使用性能和壽命[1]。DONG等人[2]制備了顯微硬度高達655HV的Co-Ni-Cu梯度涂層,且涂層間結合良好,成分、組織和熱物理性能均呈現梯度分布。S?RN等人[3]在基體Cr5MoSiV上分層熔覆3種不同的合金粉末,通過改變激光工藝參量,最終獲得厚度大于3.5mm的理想梯度涂層。不同材料對激光波長吸收率有所不同,因此激光器和激光模式的選用影響著加工效率和加工質量[4-5]。研究發(fā)現,激光工藝參量特別是激光功率直接影響制備涂層的質量,特別是制備高厚度涂層時,激光功率的影響尤為突出。LIN等人[6]在316L不銹鋼表面激光熔覆了Co基合金涂層,研究發(fā)現,激光功率越大、涂層稀釋率越大,熔覆層的耐腐蝕性能隨激光功率的增加先提高后降低。HAN等人[7]采用CO2激光器在316L不銹鋼表面制備Ni基 WC熔覆層,研究發(fā)現,激光功率范圍在2.5kW~3.5kW時,功率增加會使熔覆層的晶體更致密;晶內出現Fe,N元素的富集,晶界處復式Cr,W 元素的偏聚。
本文中使用固體激光器在20CrMnMo基體上熔覆
不同類型的Co基粉末,制備高厚度耐磨涂層,并研究激光功率參量對涂層性能的影響。
試驗基體材料為20CrMnMo(成分見表1),試樣尺寸為50mm×30mm×10mm,熱處理狀態(tài)為調質,表面打磨后用丙酮清洗。
Table 1 Main ingredients of 20CrMnMo steel (mass fraction)
為獲得性能逐漸改變的梯度耐磨涂層,在基體上熔覆3層涂層,使其結構分為3個部分:底層、過渡層、耐磨層。底層熔覆材料為St6合金粉末(粒度為61μm~150μm),過渡層熔覆材料為由St12B合金粉末(粒度為44μm~150μm)、耐磨層熔覆材料由Co47(粒度為44μm~104μm)、WC/Co (粒度為44μm~104μm)兩種合金粉末組成,其中粉末的質量配比為Co47+WC(質量分數為0.05)。
激光熔覆試驗在KUKA 機器人系統上進行,激光器為HL4006D型Nd∶YAG 激光器、送粉器為PFL-2A型送粉器,送粉方式為同步側向送粉,載粉氣體和保護氣體均為氬氣。激光熔覆示意如圖1所示。激光熔覆試驗參量如表2所示。其中L1~L3表示層1~層3;T1~T3表示次數1~次數3。
Fig.1 Schematic diagram of laser cladding
Table 2 Test parameters list of laser cladding
試驗前,為減少或消除熔覆層的裂紋[8],將20CrMnMo試件放在200℃的加熱爐內保溫2h;使用QM-3B型球磨機對合金粉末進行球磨20min,球磨后在DZF-6020型真空干燥箱中100℃ 干燥12h。每次激光熔覆獲得的試件均放置加熱爐內加熱,保溫一段時間后隨爐冷卻[9],以備下一次熔覆時使用。試驗最終獲得厚度約2.4mm熔覆層。
用線切割將試件沿垂直于激光掃描方向切取尺寸為10mm×10mm的試塊,經研磨、拋光后用比例為:濃氫氟酸(2份)∶HNO3(1份)的混合溶液對截面進行腐蝕;使用Mshot MD20 體式顯微鏡觀察熔覆層截面形貌,JSM-6701F 型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察微觀組織結構,XRD-6000型X射線衍射儀分析物相;HMT-3型顯微硬度計檢測熔覆層截面的顯微硬度(載荷F1=0.1kg,加載時間t1=10s,測試間隔L=0.1mm);在M-200型摩擦磨損試驗機對熔覆層進行干滑動摩擦磨損試驗(載荷F2=200N,轉速N=200r/min,磨損時間t2=30min,對磨件:GCr15)。
圖2為不同激光功率下(600W,700W,800W),梯度耐磨涂層表面形貌。從圖中可以看出,各功率下涂層表面均沒有出現裂紋。激光功率600W時熔覆層表層形貌較差,700W和800W時表層形貌較好。
Fig.2 Surface topographies of coatings
圖3為不同激光功率下(600W,700W,800W),梯度耐磨涂層宏觀形貌。圖中,從基體往上依次出現界線分明的熱影響區(qū)、底層、過渡層、耐磨層。由于試驗進行3次激光熔覆加熱,前兩次激光功率均為800W,熔覆時使熔覆層和下層部分區(qū)域再次熔化,而且第3次激光熔覆距離基體較遠,造成不同功率下各涂層的熱影響區(qū)差別不大,在基體與熔覆層的稀釋率較大。
Fig.3 Macromorphology of gradient wear-resistant coatingsa—600W b—700W c—800W
隨著第3次激光熔覆功率的增加,熔覆層的整體厚度和耐磨層厚度逐漸增加,過渡層厚度相對減少,到800W時,耐磨層厚度出現大幅度增加。激光熔覆是激光使粉末和基體快速熔化形成熔池,在熔池中傳熱、傳質并快速凝固的過程[10]。激光功率增加使耐磨層中合金粉末熔化量變大且過渡層的熔化區(qū)域變大,快速形成更大的熔池,熔池中傳熱、傳質作用促使不同涂層間元素充分擴散互溶,快速凝固后形成新的涂層形貌。在激光功率為800W時,出現耐磨層厚度大幅度增加的現象,是由于固體激光器發(fā)射的激光波長較短,有利于材料的吸收,在800W時突破了閾值[11]。
由于試驗制備高厚度的耐磨涂層,基體與熔覆層的稀釋率較大并不會影響涂層的使用性能,采用800W的激光功率熔覆耐磨層時,過渡層的大部分區(qū)域均會熔化,過渡層原有的應力分布會被打亂,同時傳質作用加劇了層間元素擴散互溶,從而降低了產生裂紋的風險,涂層間實現了良好的冶金結合。
圖4~圖6為不同激光功率下(600W,700W,800W),梯度耐磨涂層各層典型區(qū)域的微觀結構。參考MAO[12]對Co47+WC熔覆區(qū)的物相分析可知,梯度耐磨層主要是由γ-Co、奧氏體、CoCx等化合物組成。
Fig.4Microstructure of the surface layers for gradient wear-resistant coatings
Fig.5Microstructure of the transition layers for gradient wear-resistant coatings
Fig.6Microstructure of the bottom layers for gradient wear-resistant coatings
圖4為梯度耐磨涂層表層微觀結構。如圖可見,耐磨層表層出現有尺寸較小的等軸晶、晶體生長方向性差,激光熔覆是一個近似定向凝固過程,而熔覆層中凝固組織形態(tài)的一個重要控制參量為溫度梯度G和界面推移速度vs的比值[13]。在涂層表層G/vs值較小,枝晶生長方向受熱流方向控制較小,枝晶在熔池內各向異性快速成長,結晶遠遠偏離平衡凝固,出現帶有偏析的細小共晶組織。
當激光功率為600W時,耐磨層中出現黑色斑點;當激光功率為700W時,耐磨層中黑色斑點相對減少;當激光功率為800W時,耐磨層中黑色斑點大量增加。根據分析,出現黑色斑點,說明有強化相或未熔顆粒存在,700W和600W的耐磨層相比黑色斑點數量相對減少,考慮600W時黑色斑點為未熔顆粒;而800W時黑色斑點為強化相。激光功率從600W~800W時,隨著激光功率增大,WC逐漸熔化充分,且較高的溫度使熔池中傳熱、傳質更加充分,WC與Co元素相互擴散互溶得越均勻,更容易形成相對均勻的新硬質相。
圖5為梯度耐磨涂層過渡層微觀結構。如圖可見,激光功率在600W和700W時,過渡層心部均出現大量具有一定方向性的柱狀枝晶;同時有一部分粗大的柱狀枝晶出現,700W時粗大柱狀晶的數量和體積均比600W時突出。分析原因為:熔覆耐磨層時,熱傳遞影響著遞影響過渡層晶體長大,且G/vs值很大,使過渡層晶體凝固時晶體以沿著熱流方向生長,出現了方向較一致的晶體形態(tài);出現粗大柱狀晶是由于耐磨層的熔覆時,使過渡層內原有的柱狀枝晶二次受熱長大。
激光功率為800W時,出現較為致密的晶體形態(tài),觀察該處的宏觀形貌可知,過渡層被耐磨層嚴重壓縮,分析原因為:在800W時,快速突破合金粉末和過渡層材料的閾值,元素在新熔池內相互擴散作用增強、并充分固溶形成硬質相,快速凝固時硬質相來不及長大且比重較大,故沉積于此。
圖6為梯度耐磨涂層底層微觀結構。如圖可見,不同激光功率下,底層出現尺寸較大的平面晶和部分樹枝晶。在單層激光熔覆過程中,熔池內部的溫度呈正溫度梯度分布,剛開始凝固時,熱過冷的作用大于成分過冷的作用,故凝固界面的晶體生長時常為平直形態(tài),涂層底部區(qū)域的晶體多為平面晶,很難見到樹枝晶。而在梯度耐磨涂層的底層出現了尺寸較大的平面晶和樹枝晶,分析認為,第1次激光熔覆時該部位仍會出現平面晶;隨著第2次、第3次熔覆的進行,能量持續(xù)傳到該部位促使晶體持續(xù)生長,在晶體生長的過程中,晶體內能增加、溫度升高,降低了溫度梯度,當熱過冷的作用小于成分過冷的作用時,凝固界面有小突起的時候會繼續(xù)長大,故出現樹枝晶形態(tài)。激光功率從600W~800W時,晶體尺寸也相對變大。
圖7為梯度耐磨涂層耐磨層與過渡層結合處微觀組織。如圖可見,該處的微觀結構與圖2中的微觀結構相似,但晶體尺寸相對變大,由于合金粉末Co47+WC(質量分數為0.05)與St12B的成分相近,凝固結晶時熱作用大于成分作用。600W時與800W時一樣仍然存在黑色斑點,在后續(xù)物相分析中可進一步證實600W時的黑色斑點為WC顆粒,800W時的黑色斑點為硬質相。
Fig.7Microstructure of the junctions of wear-resistant layers and transition layers
圖8為耐磨層與過渡層結合處的X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)圖譜。由于激光的高功率密度和熔池的快速凝固以及在涂層粉末中含有大量微量元素的緣故,造成XRD譜線中出現了一個較強的晶化相衍射峰,同時也有很多弱峰。在根據粉末衍射標準聯合委員會(Joint Committee on Powder Diffraction Standards,JCPDS)卡片及三強線原則進行物相標定時,峰位均有一定偏移,除了一些強衍射峰比較吻合,其它的弱峰的偏差比較大。有合金粉末以Co基粉末為主,故在各圖均發(fā)現γ-Co相的大量存在;在圖8a中發(fā)現了WC和B2Co3相的存在,隨著溫度的增加,WC和B2Co3相逐漸消失,至800W時生成CoW2B2相,促進了涂層合金的致密化。同時對比各相對應的峰值結果可知,由于熔覆層中WC/ Co的富集,在激光熔凝過程中,元素發(fā)生重組,Co,C,W形成穩(wěn)定相。
Fig.8X-ray diffraction patterns of the junctions of wear-resistant layers and transition layers
a—600Wb—700Wc—800W
如圖9所示,梯度耐磨涂層的顯微硬度相對基體顯著提高,自耐磨層至基體實現了平穩(wěn)過渡;隨著激光功率的增加,耐磨層表層平均顯微硬度增加明顯。
Fig.9 Microhardness of gradient wear-resistant coatings
激光功率為600W時,因功率較小,WC顆粒未能充分熔化并與周圍γ-Co生成的硬質相較少;距表面0.5mm處顯微硬度明顯下降,因激光功率較低,傳遞的熱能不足以充分實現耐磨層和過渡層的元素擴散互溶,卻實現該處晶體長大,故耐磨層的顯微硬度最小(不足600HV0.1)。
激光功率為700W時,相對于600W時的顯微硬度較有所增加,且圖中顯示梯度涂層顯微硬度逐步平緩下降。
激光功率為800W時,梯度涂層表層平衡顯微硬度可達730HV0.1,充分顯現出WC能夠提高熔覆層顯微硬度的特點;而向下移0.3mm~0.4mm時硬度未出現明顯增加,觀察宏觀形貌知該處仍屬于耐磨層,這與添加WC硬質顆粒會使涂層顯微硬度提高的現象不符。分析原因是:800W時,較大的激光功率致使耐磨層、過渡層、底層的元素擴散加劇,耐磨層元素稀釋率增加使該處的硬度降低。
如圖10所示,20CrMnMo滲碳狀態(tài)的磨損量為8mg耐磨性能最差;隨著激光功率的增大,磨損量逐漸減小、耐磨性能變好;當激光功率為800W時,梯度耐磨涂層的耐磨性能相對于基體提高300%。
如圖11a所示,表面出現紅褐色氧化層和犁溝,其磨損狀態(tài)主要為氧化磨損[14]。在摩擦過程中,高溫和空氣中水分的作用促使20CrMnMo表面發(fā)生氧化反應生成Fe2O3,部分處于高位的Fe2O3氧化物脫落回磨基體,使其表面出現犁溝。
Fig.10 Variation rule of wear loss for gradient wear-resistant coatings
Fig.11 Wear morphologies of gradient wear-resistant coatings
如圖11b所示,表面出現鱗片狀磨損帶和較深的犁溝,其磨損狀態(tài)主要為粘著磨損和磨粒磨損[15]。600W時WC未熔粉末較多,部分呈顆粒狀粘包覆于耐磨層,且新結晶的晶體內能較低,摩擦時由于切向力的作用使處于高點的晶體和WC顆粒脫落并造成回磨,使耐磨層處于高位磨損狀態(tài)。
如圖11c所示,表面出現鱗片狀磨損帶和較淺的犁溝,其磨損狀態(tài)主要為粘著磨損。700W時WC顆粒逐漸融化充分并固溶于γ-Co的硬質相、晶體間結合能增大使耐磨層硬度增大使脫落磨?;啬?、刮削耐磨層的能力減小,高溫使其更易于粘附耐磨層之上形成粘著磨損。
如圖11d所示,表面出現較淺的犁溝、大片鱗片狀磨損帶和線狀凸起,其磨損狀態(tài)主要為粘著磨損。800W時WC顆粒和Co元素充分互溶,晶體內能趨向飽和,耐磨層硬度較高。在摩擦過程中WC固溶于γ-Co的硬質相不易脫落,摩擦過程中耐磨層的硬質相會造成對磨件GCr15出現較深犁溝,犁溝擠壓其兩側造成的凸起又會刮削耐磨層,造成耐磨層輕微線狀犁溝和凸起。
(1)研究激光功率對熔覆層質量影響時應充分考慮激光器與激光模式的因素,與CO2等類型激光器相比較,Nd∶YAG 激光器進行激光熔覆時不需要太大功率即可獲得理想熔覆層。
(2)合理設計合金粉末類型與配比,進行多層多道激光熔覆可獲得性能自耐磨層表面至基體緩慢變化的梯度耐磨涂層。激光熔覆過程中,傳熱、傳質作用會對涂層結構產生影響,傳熱作用會使下層涂層熔化和晶體尺寸長大;傳質作用會使上層熔覆涂層的元素與下層熔覆涂層的元素加速擴散互溶,增加涂層稀釋率。
(3)激光功率對梯度耐磨層的性能影響顯著。在本實驗條件下,激光功率為600W時,涂層中未熔WC顆粒較多;激光功率為800W時,耐磨層硬質相增多且晶粒致密,顯微硬度最達730HV0.1以上,涂層的耐磨性能相對于基體提高了300%。