鄧德偉，鄭海彤,馬玉山,常占東，黃治冶，孫 奇，呂 捷，田 鑫

(1. 大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024；2. 沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司 沈鼓-大工研究院，遼寧 大連 110023；3. 吳忠儀表有限責(zé)任公司， 寧夏 吳忠 751100)

0 引 言

銅作為人類最早發(fā)現(xiàn)的金屬之一，應(yīng)用歷史已有上千年之久。隨著時(shí)代的不斷發(fā)展和現(xiàn)代工藝技術(shù)的逐漸進(jìn)步，現(xiàn)代工業(yè)中銅及銅合金的應(yīng)用環(huán)境更加嚴(yán)苛復(fù)雜，因此對(duì)其性能提出了更高的要求[1-5]。其中，銅鉛合金具有承載能力大、抗疲勞強(qiáng)度高、耐熱性好等突出優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)外制造高速和中、大功率發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)軸承的主要減摩材料之一[6]。要充分發(fā)揮銅鉛合金的優(yōu)良性能，需要其具有良好的微觀組織結(jié)構(gòu)。通過(guò)傳統(tǒng)的鑄造方法制備的銅鉛合金，其組織中極容易出現(xiàn)鉛的偏析，從而產(chǎn)生鑄造缺陷，降低銅鉛合金的使用性能。因此，如何盡量減少和避免銅鉛合金組織中的缺陷，成為亟需解決的問(wèn)題。

激光熔覆作為表面工程中的一種先進(jìn)技術(shù)，其原理是通過(guò)高能激光束熔化合金粉末，從而在基體表面制備與基體產(chǎn)生良好結(jié)合的熔覆層[7]。激光熔覆技術(shù)不僅能夠提高材料的整體性能，又可以節(jié)約大量的原材料，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，目前已被廣泛的應(yīng)用于航空、汽車、能源等工業(yè)領(lǐng)域[8-9]。然而在激光熔覆過(guò)程中，由于加熱和冷卻速度較快，熔覆層中經(jīng)常會(huì)存在有孔洞、裂紋等缺陷，從而對(duì)熔覆層的性能造成影響。國(guó)內(nèi)外許多研究人員對(duì)采用激光熔覆技術(shù)制備的銅合金熔覆層進(jìn)行了大量細(xì)致深入的研究[10-13]。Zhang等人[14]研究了AISI 4140鋼表面激光熔覆制備Cu-Mo-Si合金涂層的微觀組織和耐磨性能，發(fā)現(xiàn)Cu、Mo、Si元素的比例不同，涂層中的物相組成也存在區(qū)別，其中Mo5Si3相數(shù)量的多少?zèng)Q定了涂層的硬度和摩擦磨損性能。Zhou等人[15]通過(guò)激光感應(yīng)快速熔覆(LIHRC)技術(shù)在銅合金基體上制備了Cu-Fe基涂層，其實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的激光掃描速度和送粉速度最大分別可達(dá)到3200 mm/min和110 g/min，制備涂層中的組織包括α-Fe相和ε-Cu相，并在涂層不同位置呈現(xiàn)不同的分布情況，涂層的硬度是基體硬度的三倍。Arias-Gonzalez等人[16]利用激光熔覆技術(shù)在AISI 4340鋼表面制備了黃銅涂層，發(fā)現(xiàn)涂層中的組織由樹枝晶狀的α-Cu相和Cu41Sn11(δ-Cu)相組成，涂層硬度達(dá)到了(172±12)HV，高于鑄造黃銅的硬度。

然而在這些研究中，極少有人對(duì)激光熔覆制備的銅鉛合金進(jìn)行研究。因此，本文通過(guò)使用激光熔覆技術(shù)，探究了不同工藝參數(shù)對(duì)熔覆層內(nèi)孔洞、組織、硬度和耐磨性的影響，旨在尋找相對(duì)較好的工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)激光熔覆制備高性能銅鉛合金熔覆層的目的。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 熔覆層制備

實(shí)驗(yàn)采用Cu-18Pb-2Sn粉末作為熔覆使用的合金粉末，其粒徑分布范圍為50～100 μm。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前將粉末置于干燥箱中進(jìn)行烘干，以增加其流動(dòng)性。采用尺寸為300 mm×300 mm×6 mm的Q235鋼板作為基體材料，在進(jìn)行激光熔覆之前，先將基材浸泡在酒精中進(jìn)行超聲清洗，以去除表面的氧化物等雜質(zhì)和油污。實(shí)驗(yàn)所使用的激光熔覆設(shè)備包括送粉器、冷卻器、Laserline LFD-4000半導(dǎo)體激光器和KUKA六軸機(jī)器人。以純度為99.99%的氬氣作為保護(hù)氣和送粉氣，保護(hù)氣流量10 L/min。實(shí)驗(yàn)中保持掃描速度和送粉速度不變，采用不同的激光功率進(jìn)行熔覆，具體的工藝參數(shù)如表1所示。

表1 激光熔覆實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

Table 1 Processing parameters of the laser cladding experiment

試樣編號(hào)激光功率W掃描速度mm/s送粉速度g/min搭接率1#90045.730%2#1 10045.730%3#1 30045.730%4#1 50045.730%

1.2 組織觀察及性能表征

在完成實(shí)驗(yàn)樣品的制備后，首先在磨床上對(duì)熔覆層的頂部進(jìn)行打磨，隨后進(jìn)行著色探傷檢測(cè)，對(duì)熔覆層內(nèi)部的孔洞數(shù)量和分布進(jìn)行觀察。用線切割機(jī)從各個(gè)樣品上切取尺寸為15 mm×15 mm×6 mm的試樣，使用200～1500#砂紙對(duì)試樣的橫截面打磨，經(jīng)機(jī)械拋光后采用FeCl3+HCl溶液(FeCl3∶HCl∶酒精 =5 g∶5 mL∶95 mL)進(jìn)行腐蝕。在Nikon光學(xué)金相顯微鏡下對(duì)各熔覆層的金相組織進(jìn)行觀察，并使用Zeiss-Supra Evo18場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀組織的進(jìn)一步觀察，以Empyrean型X射線衍射分析儀(XRD)對(duì)熔覆層中的物相進(jìn)行測(cè)定。利用維氏硬度計(jì)對(duì)熔覆層的顯微硬度進(jìn)行測(cè)試，加載載荷100g，保壓時(shí)間15 s。最后，重新將試樣表面用2000#砂紙進(jìn)行打磨，采用往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣的耐磨性能進(jìn)行測(cè)試，摩擦配副是直徑為4 mm的SiN陶瓷球，載荷為10 N，電機(jī)轉(zhuǎn)速400 r/min，磨損時(shí)間15 min，并用掃描電子顯微鏡對(duì)磨損后的試樣形貌進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 著色滲透探傷檢測(cè)

孔洞作為激光熔覆中經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷，極大的限制了激光熔覆技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，熔覆層中孔洞數(shù)量的多少，直接決定了熔覆的質(zhì)量。圖1為不同激光功率下各熔覆層的著色滲透探傷結(jié)果，其中深黑色區(qū)域?yàn)槿鄹矊又械目锥次恢?。從圖1中可以看出，在熔覆表層內(nèi)部存在著大小不一的孔洞，這些孔洞的存在會(huì)對(duì)熔覆層的力學(xué)性能和使用性能造成較大的影響。進(jìn)一步對(duì)比各熔覆層中的孔洞大小和分布后可以發(fā)現(xiàn)，隨著激光功率的逐漸增加，熔覆層中的孔洞數(shù)量和尺寸均呈逐漸減小的趨勢(shì)，這與孔洞的形成機(jī)理有關(guān)。在激光熔覆過(guò)程中，由于激光束的能量密度較高，導(dǎo)致合金粉末和基體的溫度會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)上升，形成熔池。而在使用的合金粉末中，Pb和Sn的熔點(diǎn)都很低，在瞬間輸入較高的能量時(shí)，極容易產(chǎn)生金屬蒸汽，一旦來(lái)不及從熔池中逸出，就會(huì)在凝固后的熔覆層中形成孔洞。隨著激光功率的升高，熔池保持液態(tài)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，形成的氣體能夠更充分的從熔池中逸出，因此在較高功率下制備的熔覆層中，孔洞的數(shù)量相對(duì)較少。

圖1 不同激光功率下熔覆試樣的著色滲透探傷結(jié)果Fig 1 Dye-penetrant inspection results of the cladding layers under different laser powers

2.2 微觀組織觀察

在進(jìn)行著色滲透探傷檢測(cè)后，用線切割機(jī)切取部分試樣，對(duì)其金相組織進(jìn)行觀察。圖2為各試樣的金相組織照片，可以看出，熔覆層中的組織主要為網(wǎng)狀的黑色Pb相和白色的Cu基體，在熔覆層中并未發(fā)現(xiàn)有其他的氧化物。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著激光功率的逐漸增加，Pb相的體積含量有所減少，且尺寸減小，這可能是因?yàn)榧す夤β实纳仙龝?huì)導(dǎo)致粉末中Pb的灼燒損失情況加劇，從而對(duì)凝固后的Pb相含量造成影響。

圖2 不同激光功率下熔覆層的金相組織Fig 2 Microstructures of cladding layer under different laser powers

在掃描電子顯微鏡下對(duì)激光功率900 W熔覆試樣的截面中部組織進(jìn)一步觀察，并使用EDS能譜進(jìn)行微區(qū)成分分析，其結(jié)果如圖3和表2所示。觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，熔覆層中除了呈網(wǎng)狀分布的Pb相之外，還有較多呈點(diǎn)狀的Pb相組織，均勻彌散的分布在Cu相基體中，這可能是由于激光熔覆的冷卻速度較快，導(dǎo)致部分Pb來(lái)不及長(zhǎng)大，從而形成細(xì)小彌散的白色Pb相。

表2的EDS能譜分析結(jié)果表明，白色的網(wǎng)狀組織(圖中點(diǎn)A、B、D、E)主要以Pb元素為主，Cu元素的含量相對(duì)較少，也幾乎不含有Sn元素。由于Pb和Cu互不相溶，無(wú)法形成Cu-Pb化合物，因此白色的網(wǎng)狀組織為Pb相，而在黑色的基體組織中(圖中點(diǎn)C、F、G)，Cu元素占絕大多數(shù)，此外還有少量的Sn元素，因此熔覆層的基體組織為Cu相，可能還含有少量Cu-Sn化合物。對(duì)比圖3(a)和(b)可以看出，由于熔覆層底部與基板相接觸散熱較快，因此熔覆層底部的Pb相與截面中部相比更細(xì)小。

圖3 激光功率900 W時(shí)試樣的SEM觀察結(jié)果Fig 3 SEM morphology of the cladding layer under laser power 900 W

表2 EDS微區(qū)成分分析

通過(guò)X射線衍射確定熔覆層中的物相組成，結(jié)果如圖4所示。可以發(fā)現(xiàn)，不同激光功率下制備的熔覆層中，物相組成并無(wú)明顯差異，熔覆層均由Pb相和Cu相組成，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Cu的氧化物和Cu-Sn相的存在。這可能是由于粉末中Sn的含量較少，通過(guò)XRD測(cè)試很難檢測(cè)到Sn相或形成的Cu-Sn相。

圖4 不同激光功率下熔覆層的XRD圖譜Fig 4 XRD patterns of the cladding layers under different laser powers

2.3 硬度分析

為了研究激光功率對(duì)Cu-18Pb-2Sn合金激光熔覆層硬度的影響，采用維氏硬度計(jì)對(duì)熔覆層的顯微硬度進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試時(shí)盡量選擇遠(yuǎn)離孔洞的位置，避免孔洞對(duì)其硬度造成影響，每個(gè)試樣測(cè)量10個(gè)點(diǎn)取其平均值進(jìn)行比較，不同功率下熔覆層硬度的測(cè)試結(jié)果如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)，熔覆層的硬度隨著激光功率的增加而逐漸上升，但總體差距并不大，功率900 W熔覆試樣的平均顯微硬度最低，為70.6 HV，而1 500 W熔覆試樣的平均顯微硬度最高，為77.5 HV。

從前述2.1節(jié)的分析結(jié)果中可知，激光功率的升高會(huì)減少熔覆層中的孔洞數(shù)量，相應(yīng)缺陷對(duì)熔覆層硬度的影響減弱，使得硬度相對(duì)提升；另一方面，激光功率的升高會(huì)導(dǎo)致組織中Pb相的數(shù)量減少，由于Pb相相對(duì)于Cu相是較軟的物相，因此Pb相的減少也有利于熔覆層硬度的提高。

圖5 各試樣熔覆層的平均顯微硬度Fig 5 Average Vickers hardness of each cladding layer

2.4 摩擦磨損性能分析

不同激光功率下制備Cu-18Pb-2Sn熔覆層的摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，其中圖6(a)為摩擦因數(shù)隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化曲線，圖6(b)給出了4個(gè)試樣的平均摩擦因數(shù)并標(biāo)出相應(yīng)的方差。從6(a)中可以發(fā)現(xiàn)，4個(gè)試樣的摩擦因數(shù)相對(duì)都比較大，總體上處于0.2～0.5之間，并且隨著摩擦實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，各試樣的摩擦因數(shù)都呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。在圖6(b)中可以看出，不同功率下制備的熔覆層平均摩擦因數(shù)并沒(méi)有顯著差異，而當(dāng)激光功率較大時(shí)，摩擦因數(shù)的方差略有減小。說(shuō)明在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，較大激光功率制備的熔覆層摩擦過(guò)程更加平穩(wěn)，具有相對(duì)更穩(wěn)定的摩擦性能。

由前述分析可知，隨著激光功率的升高，熔覆層內(nèi)的孔洞數(shù)量逐漸減少，因此在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，較大激光功率制備的熔覆層摩擦過(guò)程更加平穩(wěn)；此外，隨著激光熔覆功率升高，較軟的Pb相由粗大的網(wǎng)狀轉(zhuǎn)化為細(xì)小網(wǎng)狀和細(xì)小點(diǎn)狀，也會(huì)對(duì)獲得穩(wěn)定的摩擦性能起到促進(jìn)作用。

在掃描電子顯微鏡下對(duì)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后的試樣進(jìn)行觀察，其磨損形貌如圖7所示。從圖中可以看出，4個(gè)試樣的磨損形貌均呈現(xiàn)大量的犁溝，部分犁溝的邊緣有形狀不規(guī)則的明亮斷面，在圖7(a)和7(d)中觀察到有部分剝落的碎屑。說(shuō)明4個(gè)試樣發(fā)生的磨損均以磨粒磨損為主，同時(shí)伴有少量的粘著磨損。

圖7 試樣的摩擦磨損形貌Fig 7 Wear morphology of each sample

3 結(jié) 論

(1)采用激光熔覆制備的Cu-18Pb-2Sn熔覆層中，存在有一定數(shù)量較多的孔洞，激光功率較高時(shí)熔池保持液態(tài)的時(shí)間延長(zhǎng)，熔覆過(guò)程中產(chǎn)生的氣體能夠更充分地從熔池中逸出，使得熔覆層內(nèi)的孔洞數(shù)量有所減少。

(2)熔覆層的顯微組織中Pb相主要呈網(wǎng)狀及點(diǎn)狀，隨著激光功率的提升，組織中粗大網(wǎng)狀Pb相轉(zhuǎn)化成細(xì)小網(wǎng)狀，且網(wǎng)狀Pb相逐漸減少而點(diǎn)狀Pb相的數(shù)量相對(duì)增多。

(3)隨著激光功率的增大，熔覆層的顯微硬度略微上升，摩擦磨損過(guò)程中摩擦因數(shù)的波動(dòng)減小，摩擦性能有一定提高。

致謝：感謝遼寧重大裝備制造協(xié)同創(chuàng)新中心基金、沈鼓-大工重大科研發(fā)展基金、高端控制閥產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金，對(duì)于本論文以及相關(guān)課題試驗(yàn)研究的支持。