井振宇,李新梅

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830047)

1 引 言

45號鋼作為零件重要材料之一,廣泛應(yīng)用在各種極端的環(huán)境中；在一些極端環(huán)境條件下容易發(fā)生磨損、腐蝕等[1-2]。進(jìn)而人們通過激光熔覆技術(shù),來實現(xiàn)45鋼表面改性,其中鎳基合金粉末具有耐腐蝕、耐磨損、抗氧化等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注[3-5]。羅鵬[6]等采用振掃描放熱方法在45號鋼表面熔覆Ni60粉末,硬度500 HV以上,熔覆層內(nèi)部組織致密性均勻。張吉慶[7]利用Ni60A+wc粉末在45號鋼表面進(jìn)行激光熔覆,結(jié)果表面熔覆層硬度約是基體的3倍。但是激光熔覆技術(shù)自身的特性,由于塊熱快冷原因?qū)е翹i60熔覆層的殘余應(yīng)力增大,產(chǎn)生了很多裂紋缺陷[8]。

因此本文選取低硬度的Ni35粉末,通過混合11 %wc來增加硬度,減少熔覆層出現(xiàn)裂紋,氣孔等缺陷,提高激光熔鎳基合金與基體良好冶金結(jié)合,充分發(fā)揮激光技術(shù)的優(yōu)點。為不同環(huán)境和工況下45鋼零件節(jié)約成本,增加使用壽命提供技術(shù)支持。

2 實驗流程

首先采用氮氣作為保護(hù)氣體,將混合均勻的合金粉末倒入儀器中,然后將激光設(shè)備開啟進(jìn)行吹氣,直到有粉末吹出,固定光整45鋼試樣,調(diào)整好激光器的參數(shù)并開始熔覆。采用德國 KUKA 機(jī)器人作為熔覆過程中的主要運動機(jī)構(gòu)IPG 光纖激光器,型號:YLS-2000,最大輸出功率為P=2000 W。

為了便于試驗臺的裝夾式樣,本文采用尺寸15 cm×6 cm×0.8 cm的45號鋼板,先進(jìn)行拋光,再用600號砂紙進(jìn)行打磨平整,用超聲波和酒精進(jìn)行清洗,吹風(fēng)機(jī)吹干,放在干燥箱存放。

粉末的形狀和潮濕性都會讓激光熔覆設(shè)備管道堵塞,甚至影響試樣準(zhǔn)確性,所以選用球狀Ni35 粉末,粒度為150～270目,按照粉末配比進(jìn)行烘干,采用KQM型行星式球磨機(jī)攪拌均勻,如圖1所示。激光熔覆工藝參數(shù)如表1所示。

圖1 Ni35+11%wc混合粉末Fig.1 Ni35 + 11% wc mixed powder

表1 激光熔覆工藝參數(shù)
Tab.1 Laser cladding process parameters

Laser power/kWFeeding rate/(g·min-1)Scanning speed/(mm·s-1)Spot diameter/mm1.5242

激光熔覆后,通過熔覆層的物象、金相、硬度、耐磨性、耐腐性來進(jìn)一步探究粉末被激光熔覆后的性能指標(biāo)。具體方法如:采用D&Advance型號X衍射儀測定涂層物相成分,其基本參數(shù):掃描速度(2°)/min,掃描范圍為20°～90°,步長為0.02°。采用線切割儀器將其切成15 mm×10 mm×10 mm塊狀,進(jìn)行拋光,用4 %硝酸酒精溶液腐蝕,觀察熔覆層與基體金相。采用 HXD-1000TB 型顯微維氏硬度計測試涂層硬度,壓頭載荷200 N,加載時間15 s。熔覆層的磨損通過M-2000摩擦磨損試驗機(jī),磨輪轉(zhuǎn)動低速180 r/min,負(fù)載壓力為 150 N,磨損時間為 30 min。對磨副為直徑4 cm的淬火45號鋼。熔覆層的電化學(xué)腐蝕,采用CHI660 E電化學(xué)工作站,三電極體系。參比電極為飽和甘汞電極(SCE),輔助電極為Pt電極(1 mm×1 mm),工作電極為涂層樣品激光熔覆Ni35+11%wc熔覆層。腐蝕溶液為3.5 %NaCl溶液。實驗參數(shù),初始電位-1.5 V,終止電位1 V,掃描速度為2 mm/s。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 截面和形貌

如圖2所示,通過微腐蝕之后拍攝到截面,可以明顯看出熔覆層、熱影響區(qū)域,a和b分界線比較清晰反應(yīng)不同區(qū)域。熔覆層表面沒有裂紋,存在少量的氣孔缺陷,熔覆層與基體冶金結(jié)合良好[9]。單道形貌光整,表面沒有凸起的未熔粉末顆粒。通過單道熔覆層的測量,可以得到熔覆層的寬度和高度取值偏差很小。

圖2 截面和單道形貌Fig.2 Section and single pass appearance

3.2 熔覆層物相和微觀組織

如圖3所示,通過4 %硝酸輕微的腐蝕,可以看清楚熔覆層的樹枝晶、塊狀晶體和碳化物的黑色區(qū)域。熔覆層的樹枝晶和枝晶方向不一致[10]。圖4中a點區(qū)域為枝晶間白色條塊狀為,板塊狀馬氏體,圖4中b點黑色彌散點狀γ′強(qiáng)化相析出,相有固溶和碳化物強(qiáng)化作用。

圖3 熔覆層的金相組織Fig.3 Metallographic structure of the cladding layer

如圖4 為熔覆層的物相圖,主相為Fe2Ni7Si20、NiSi。其他物相含有C元素較多,極大增加熔覆層碳化物生成。熔覆層的Fe、Cr、Ni、W金屬元素既可以提高熔覆的硬度,又可以促進(jìn)各個元素之間結(jié)合,C、Si非金屬元素提高熔覆層的耐高溫和耐磨損性能。

圖4 熔覆層的XRD物相Fig.4 XRD phase of the cladding layer

3.3 磨損形貌

如圖5所示,單道熔覆層在磨損試驗機(jī)上采用對磨副形式進(jìn)行磨損實驗。磨損時間30 min,施加150 N,轉(zhuǎn)速180 r/min。通過磨損后的整體形貌可以看出,局部有粘著細(xì)小區(qū)域,還存在微犁溝。圖5(a)可以看出對磨副和熔覆層由線接觸到面接觸,被磨損出一到凹坑,受到微顆粒阻礙,磨痕呈現(xiàn)一個方向,表較為光整,但是由于圓形45鋼對磨副摩擦,表面劃痕較為嚴(yán)重,在一開始摩擦熔覆層時候由線性到凹坑,熔覆層表面存在為劃痕。圖5(b)是局部放大圖,可以看出受到磨損后缺陷,出現(xiàn)局部粘著磨損磨痕較淺,其上有磨屑脫落痕跡。由于固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化等作用使涂層既有較高的硬度,又有較好的韌性。

圖5 熔覆層的磨損形貌Fig.5 Wear profile of the cladding layer

3.4 硬 度

如圖6所示,通過熔覆層三組數(shù)據(jù)取平均數(shù),可以見熔覆層的硬度值均在730 HV左右,是基體硬度的2.2倍,Ni35和wc在高溫激光下快速熔化、凝固,產(chǎn)生大量金屬元素,固溶強(qiáng)化顯著,晶體二次結(jié)晶,組織得到細(xì)化,從而提高熔覆層的硬度。

圖6 熔覆層和基體硬度Fig.6 Cladding layer and matrix hardness

當(dāng)?shù)竭_(dá)熱影響區(qū)域時候,硬度隨之陡降,逐漸趨于基體硬度值,這是因為受到稀釋率影響和在熔覆層和基體之間的界面受到高溫影響所導(dǎo)致。由于激光熔覆層中部受到外部環(huán)境的影響較小,使得熔覆層中部的的熔池能夠凝固成晶粒細(xì)小的組織,也就使得顯微硬度高于底部和上部熔覆層;熔覆層晶粒的細(xì)密程度與生長受溫度的影響,受到激光熔覆功率,獲得的金屬熔池溫度越高,晶粒的成長也就越細(xì)密[11]。

3.5 熔覆層耐腐蝕性能

圖7采用恒電位,在模擬海水含量為3.5 %NaCl溶液中,基體和熔覆的tafel曲線圖?；w的腐蝕電位是-1.057 V,腐蝕電流1.750 A/m2；熔覆層的腐蝕電位是-0.833 V,腐蝕電流是0.981 A/m2熔覆層的tafel線正向偏移,且基體腐蝕速率大于基體,所以說明熔覆層耐腐蝕性較好。熔覆層的鈍化區(qū)域明顯,基體鈍化區(qū)域提前且持續(xù)時間較短,而熔覆層鈍化區(qū)域時間長,經(jīng)過活性鈍化區(qū)域后急劇增長,說明熔覆層在腐蝕狀態(tài)時候抗腐蝕性比基體航腐蝕性好。

圖7 熔覆層與基體的tafel曲線Fig.7 Tafelcurve of the cladding layer and the substrate

4 結(jié) 論

(1)激光熔覆Ni35+11 %wc合金粉末,熔覆層的截面和形貌無裂紋缺陷,組織均勻,熔覆層與基體有良好的冶金結(jié)合,且稀釋率為12 %左右。

(2)在單道熔覆層磨損時候,出現(xiàn)局部粘著磨損,熔覆層的主相為Fe2Ni7Si20、NiSi,有效提高耐磨損性能。

(3)熔覆的硬度普遍有所提高約是基體2.3倍,鐵素體和珠光體起到固溶強(qiáng)化作用,wc粉末充分熔化進(jìn)而提高熔覆層硬度。

(4)熔覆層和基體在3.5 %NaCl溶液中電化學(xué)腐蝕的Tafel曲線中,熔覆層的自腐蝕電位正向偏移,且鈍化區(qū)域持久、滯后的特點,充分說明Ni35+11 %wc耐腐蝕較好。