王永東， 張宇鵬， 張 寧， 王 磊， 宮書林， 湯明日

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

激光熔覆技術(shù)(Laser Cladding)是由Gnanamuthu在1974年申請(qǐng)的專利，是一種新型的材料表面改性技術(shù)[1]。激光熔覆是采用高能激光束在選定工件表面熔覆一層具有良好性能的熔覆材料形成涂層，從而達(dá)到提高工件表面硬度、耐磨性、耐蝕性的目的[2-3]。激光具有能量密度高、方向性好、單色性好的特點(diǎn)，激光熔覆具有加熱速度和冷卻速度都非?？斓奶攸c(diǎn)(102～106K/s)，對(duì)基材的熱影響較小，稀釋率低，涂層與基體形成冶金結(jié)合，涂層組織致密的特點(diǎn)[4-5]。

目前，激光熔覆材料主要以Ni基、Co基、Fe基合金粉末為主，粉末中含有脫氧和自熔作用的Si、B等合金元素，可以使涂層具有較好的工藝成形性[6-7]。鎳屬于鐵三素(Fe、Co、Ni)之一，具有較好的耐腐蝕、耐高溫、防銹等性能，鎳基激光熔覆涂層具有良好的韌性、耐熱性、抗氧化性、耐沖擊性和良好的耐蝕性能。Ni60A 自熔性合金粉末廣泛用于激光熔覆再制造技術(shù)，其熔覆涂層具有耐磨、耐蝕和抗氧化等良好的綜合性能。用于零部件表面修復(fù)和預(yù)保護(hù)，可使其壽命比原先提高幾倍乃至幾十倍[8-9]。

筆者以35CrMnSi鋼作為基材，Ni60A合金粉末作為熔覆材料，采用不同的激光功率和掃描速度進(jìn)行熔覆，通過對(duì)熔覆涂層的稀釋率、顯微硬度、微觀組織形貌進(jìn)行分析，最終確定出一組最優(yōu)的激光熔覆工藝參數(shù)，為后續(xù)對(duì)Ni60A基合金涂層的強(qiáng)化提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用的基體材料是35CrMnSi鋼，規(guī)格為100 mm×50 mm×10 mm，熔覆前對(duì)基體表面用砂輪機(jī)進(jìn)行打磨，并用酒精清洗、烘干待用。熔覆材料為Ni60A合金粉末，粒度為74 μm。Ni60A 粉末化學(xué)成分見表1。

表1 Ni60A合金粉末的化學(xué)成分

采用預(yù)涂法將Ni60A合金粉末均勻的涂在基體表面，厚度為1 mm。激光熔覆實(shí)驗(yàn)在YLS-3000型光纖激光器系統(tǒng)中進(jìn)行，工藝參數(shù)見表2。其中，D為光斑直徑、l為離焦量、P為激光功率、v為掃描速度。

表2 激光熔覆工藝參數(shù)

采用DX-2700B型X射線衍射儀(XRD)對(duì)熔覆層進(jìn)行物相分析，掃描速度為4(°)/min，起始角度為10°，終止角度為90°，管電壓40 kV，管電流30 mV。

稀釋率是母材熔入的面積與熔覆層的橫截面積之比，通常用稀釋率來描述由于熔化的母材基體混入熔覆層內(nèi)而引起的熔覆層內(nèi)成分變化的程度。稀釋率的計(jì)算公式為

式中：d——稀釋率，%；

S1——熔覆層的橫截面面積，mm2；

S2——熔化的母材橫截面面積，mm2。

采用Axio Lab.1蔡司高級(jí)金相顯微鏡觀察熔覆層的金相組織形貌。HVST-1000型顯微硬度計(jì)從涂層表面到母材依次打顯微硬度。每處平行打3個(gè)點(diǎn)后取平均值，每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)相距 0.25 mm。顯微硬度計(jì)的載荷為 2.942 N，加載時(shí)間為15 s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熔覆層的宏觀形貌

圖1是激光熔覆涂層的宏觀形貌，從左至右依次對(duì)應(yīng)第1組至第9組，由圖1可以看出，9組涂層均成形性良好，表面光滑，沒有產(chǎn)生明顯的宏觀裂紋或氣孔。

圖1 熔覆層的宏觀形貌Fig. 1 Macroscopic morphology of cladding layer

2.2 熔覆層的橫截面形貌

圖2～4為不同激光功率下熔覆層的橫截面形貌，從圖2～4可以看出，熔覆層與基體形成了一條光亮的熔合線，說明二者形成了良好的冶金結(jié)合。其中圖2b、2c、3a、3c、4b均出現(xiàn)了明顯的顯微裂紋，原因可能是快速熔化和快速冷卻的過程中熔覆層內(nèi)部產(chǎn)生了很大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致顯微裂紋的產(chǎn)生。另一原因是Cr元素的存在，導(dǎo)致熔覆層內(nèi)生成含Cr元素的硬質(zhì)相，硬質(zhì)相不均勻分布，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

圖2 1 200 W時(shí)橫截面形貌Fig. 2 Cross section morphology with 1 200 W

圖3 1 500 W時(shí)橫截面形貌Fig. 3 Cross section morphology with 1 500 W

圖4 1 800 W時(shí)橫截面形貌Fig. 4 Cross section morphology with 1 800 W

2.3 熔覆層的物相分析

圖5為熔覆層的X射線衍射圖，各熔覆層衍射圖譜均出現(xiàn)了γ-Ni固溶體、Cr23C6和Cr2B相。雖然激光熔覆工藝參數(shù)發(fā)生變化，但是各個(gè)熔覆層生成的物相并沒有發(fā)生變化，只有衍射峰強(qiáng)度發(fā)生改變，其原因是不同掃描速度下晶面的取向不同導(dǎo)致衍射峰的峰值略有不同。

圖5 熔覆層的X射線衍射圖Fig. 5 X-ray diffraction pattern of the cladding layer

2.4 不同工藝參數(shù)下的稀釋率

表3為稀釋率的計(jì)算數(shù)據(jù)，其中，b為熔寬，h為熔高，h1為熔深。根據(jù)式(1)和文獻(xiàn)[10]最終計(jì)算得到熔覆層的稀釋率。在相同的掃描速度下，隨著激光功率的增加，熔合區(qū)的深度呈現(xiàn)出越來越深的趨勢(shì)，熔覆層的高度呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢(shì)，熔覆層的寬度呈現(xiàn)出越來越寬的趨勢(shì)；除去掃描速度為5 mm/s的3組，其余基本滿足在掃描速度不變的情況下，隨著激光功率的增加稀釋率也呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，掃描速度為5 mm/s時(shí)，3組激光功率的稀釋率都很大，這主要是受掃描速度太低的影響。從激光功率為1 200 W和1 500 W的6組可以看出，掃描速度對(duì)稀釋率的影響很大，而1 800 W的3組，即使掃描速度達(dá)到15 mm/s，稀釋率也不是特別低，這主要是因?yàn)榧す夤β蔬^大，被熔化的母材過多所造成的。稀釋率最小的工藝參數(shù)為激光功率1 500 W，掃描速度10 mm/s，稀釋率為7.15%。

表3 稀釋率的計(jì)算數(shù)據(jù)

2.5 熔覆層的顯微組織

圖6～8是不同功率下熔覆層在500倍蔡司高級(jí)金相顯微鏡下的金相組織照片。整體來看，9組工藝參數(shù)下熔覆層的金相組織都為枝晶態(tài)，但枝晶間距差別較大。

圖6 1 200 W時(shí)金相組織Fig. 6 Metallographic structcrre with 1 200 W

當(dāng)激光掃描速度為5 mm/s時(shí)，1 200 W和1 500 W功率下的熔覆層沒有形成長(zhǎng)條狀的枝晶，其組織形態(tài)為短棒狀的枝晶，1 800 W功率下的熔覆層形成了少部分長(zhǎng)條狀的枝晶，但是其主要形態(tài)依然為短棒狀的枝晶。當(dāng)激光掃描速度為10 mm/s時(shí)，1 200 W和1 500 W功率下的熔覆層出現(xiàn)了長(zhǎng)條狀的枝晶，且1 500 W功率下出現(xiàn)了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的上方覆蓋著亮白色的顆粒相。1 800 W功率下的熔覆層由短小的樹枝晶組成。當(dāng)激光掃描速度為15 mm/s時(shí)，1 800 W功率下的熔覆層出現(xiàn)了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但是附著在上面的白色顆粒相沒有1 500 W功率下的密集。在相同的掃描速度下，隨著

圖7 1 500 W時(shí)金相組織Fig. 7 Metallographic structcrre with 1 500 W

圖8 1 800 W時(shí)金相組織Fig. 8 Metallographic structcrre with 1 800 W

激光功率的增大，晶粒尺寸也增大，其原因是激光功率越大，熱輸入也就越大，導(dǎo)致冷卻速度慢，過冷度小，晶粒容易長(zhǎng)大。在激光功率相同的時(shí)候掃描速度越大，其冷卻速度越快，所以過冷度越大，導(dǎo)致枝晶間距減小。從9組圖片中也可以明顯看出，激光功率1 500 W，掃描速度10 mm/s工藝參數(shù)下的金相組織圖片枝晶排布最密集，生成的亮白色顆粒相也最多。

2.6 熔覆層的顯微硬度

圖9為9種不同工藝參數(shù)下熔覆層的顯微硬度曲線，記至涂層表面的距離為l。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，熔覆層的顯微硬度都比基體的顯微硬度高。掃描速度為5 mm/s時(shí)，3種激光功率下的熔覆層都出現(xiàn)結(jié)合區(qū)的顯微硬度高于熔覆層的現(xiàn)象，分析其原因?yàn)椋? mm/s的掃描速度太慢，在激光熔覆的過程中熔覆層和基體之間的元素進(jìn)行了充分的相互擴(kuò)散，導(dǎo)致結(jié)合區(qū)的固溶強(qiáng)化效果增強(qiáng)，從而使結(jié)合區(qū)的顯微硬度大幅提升。在激光功率為1 800 W、掃描速度為10 mm/s的工藝參數(shù)下也出現(xiàn)了這種現(xiàn)象，分析認(rèn)為，在激光功率為1 800 W的條件下，掃描速度的影響程度減小，激光功率起主導(dǎo)作用，熔覆層與基體之間元素相互擴(kuò)散的程度隨功率的升高而提高，導(dǎo)致結(jié)合區(qū)的顯微硬度高于熔覆層的現(xiàn)象發(fā)生。熔覆層的最高顯微硬度為9.96 GPa，是基體的3倍，其工藝參數(shù)為激光功率1 500 W，掃描速度10 mm/s。熔覆層的基體主要為γ-Ni，在基體中固溶了Cr、B、Si等元素，起到了固溶強(qiáng)化的效果，在熔覆過程中也會(huì)有Cr23C6、Cr2B、等硬質(zhì)相的生成，會(huì)顯著的提高熔覆層的顯微硬度。

圖9 顯微硬度曲線Fig. 9 Microhardness curve

3 結(jié) 論

(1)采用激光熔覆技術(shù)制備不同工藝參數(shù)下的熔覆層，宏觀形貌沒有產(chǎn)生明顯的裂紋和氣孔，但熔覆層的內(nèi)部有幾組形成了顯微裂紋。測(cè)量熔覆層的熔高、熔深和熔寬，計(jì)算得到熔覆層的稀釋率，在相同的掃描速度下，隨著激光功率的增加，稀釋率也變大，其中稀釋率最小為7.15%。

(2)通過XRD分析表明，熔覆層的物相都由γ-Ni，Cr23C6和Cr2B組成。組織形貌都為枝晶態(tài)，整體來看枝晶都很細(xì)小，但是激光工藝參數(shù)不同枝晶間距大小有所差異。

(3)顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明，熔覆層的硬度相對(duì)于基體都有了較大程度的改善，其中最高的顯微硬度為9.96 GPa，是基體顯微硬度的3倍。

(4)激光功率為1 500 W、掃描速度為10 mm/s的激光熔覆工藝參數(shù)所獲得的效果最佳。熔覆層內(nèi)部沒有產(chǎn)生顯微裂紋，稀釋率最小為7.15%，枝晶連貫性良好且枝晶間距也較小，其熔覆層的顯微硬度也最高。