王行濤 祝弘濱 魏 濤 李明高 趙明元

(1.中車工業(yè)研究院有限公司 北京 100070；2.中國中車股份有限公司 北京 100036)

0 引言

激光熔覆作為一種新型的表面改性技術(shù)在近年來發(fā)展迅速。在高能量密度激光束作用下將金屬基體表面加熱熔化并形成熔池，金屬粉末在熔池中沉積凝固，形成冶金結(jié)合熔覆層[1]。該技術(shù)具有熔覆材料體系廣泛、結(jié)合強(qiáng)度高、稀釋率低、對(duì)工件的熱和變形影響小等諸多優(yōu)點(diǎn)，在再制造工程中廣泛應(yīng)用于零件的局部修補(bǔ)，達(dá)到修復(fù)或改善零部件性能、延長使用壽命的目的[2]。

軌道交通車軸在使用過程中負(fù)責(zé)承擔(dān)鐵路列車的載荷，運(yùn)行環(huán)境極為復(fù)雜，遭受到各種應(yīng)力的復(fù)合作用，這種復(fù)雜的多種應(yīng)力耦合極易導(dǎo)致修復(fù)層疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，因此車軸修復(fù)層應(yīng)與車軸本體材料一樣具有較高的強(qiáng)度和優(yōu)良的塑性與韌性，以防止使用過程中修復(fù)層裂紋萌生[3]。

針對(duì)軌道交通車軸的修復(fù)，本次研究使用CRRC-SP-1低合金鋼金屬粉末作為35CrMoA車軸的修復(fù)材料，重點(diǎn)探討激光功率、送粉率、掃描速度、 搭接率等在實(shí)際熔覆過程中影響修復(fù)組織質(zhì)量的幾個(gè)重要參數(shù)，測(cè)試了最優(yōu)工藝參數(shù)下熔覆組織的力學(xué)性能，晶粒度和內(nèi)部缺陷。

1 材料與測(cè)試方法

35CrMoA是一種高端軌道交通的車軸材料，金相組織如圖1所示，主要含鐵素體、貝氏體和珠光體[4-5]。鋼材的組織皆為鍛態(tài)組織，晶粒細(xì)小均勻，無明顯的織構(gòu)取向性，綜合力學(xué)性能良好。本文參照35CrMoA車軸成分，設(shè)計(jì)了編號(hào)為CRRC-SP-1的合金氣霧化粉末，專門用于軌道交通車軸零件的修復(fù)，具體成分如表1所示。

表1 CRRC-SP-1粉末成分w(t) /%

圖1 35CrMoA典型金相組織

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 激光功率對(duì)熔覆層形貌和組織結(jié)構(gòu)的影響

激光功率是利用激光技術(shù)修復(fù)破損零部件過程中重要的工藝參數(shù)，修復(fù)區(qū)的熔池依靠激光功率所提供的能量使金屬粉末連續(xù)熔化而形成，激光功率的高低將會(huì)決定粉末熔化是否徹底、熔池存在時(shí)間以及尺寸、激光熔覆層與基體之間熱影響區(qū)的范圍等。本試驗(yàn)采用控制變量法，保持送粉率12 g/min，掃描速度8 mm/s不變，觀察激光功率從1 500 W提升到3 000 W對(duì)修復(fù)層形貌的影響。 CRRC-SP-1合金粉末激光熔覆于35CrMoA后的單道熔覆層橫截面形貌如圖2所示。圖3為激光功率對(duì)熔覆層寬度和高度影響的折線圖。結(jié)合圖2和圖3可知，當(dāng)激光功率在從1 500 W提升到3 500 W的過程中，激光熔覆層均表現(xiàn)出了良好的冶金結(jié)合形貌。在掃描速度和送粉率保持不變的條件下，熔覆層的寬度和高度出現(xiàn)隨著激光功率的增加而逐漸增大的形況。這是因?yàn)闊彷斎肓侩S激光功率提高而增加，熔池體積也隨之變大，因此更多粉末進(jìn)入熔池，使得熔覆層寬度和高度增加。其中熔覆層高度由0.42 mm增加到0.51 mm，寬度由3.38 mm增加到4.66 mm。當(dāng)激光功率繼續(xù)提升到3 500 W時(shí)，熔覆層寬度繼續(xù)提升到5.04 mm，整體上表現(xiàn)出隨激光功率提升線性增加的狀態(tài)。而熔覆層的高度反而從0.51 mm降低0.04 mm至0.47 mm。這種現(xiàn)象可以解釋為當(dāng)激光功率達(dá)到3 500 W時(shí)，基體吸收的激光輸入能量提高，基體表層吸收能量后熔化，熔池尺寸增大，熔池溫度會(huì)進(jìn)一步提高，同時(shí)鋼水黏度隨溫度升高而降低，飛濺現(xiàn)象增多，因而導(dǎo)致激光功率在從3 000 W增加至3 500 W時(shí)，熔覆層高度減小。而熔覆層寬度基本上只與熔池尺寸相關(guān)，所以熔覆層寬度得以繼續(xù)增大。

圖2 CRRC-SP-1不同激光功率下熔覆層截面形貌

圖3 激光功率對(duì)CRRC-SP-1熔覆層寬度和高度的影響

2.2 送粉率對(duì)熔覆層形貌和組織結(jié)構(gòu)的影響

保持激光功率2 500 W，掃描速度8 mm/s不變，觀察送粉率從4 g/min提升到20 g/min條件下熔覆層截面的形貌變化，如圖4所示。將送粉量對(duì)CRRC-SP-1熔覆層寬度和高度的影響進(jìn)行了對(duì)比，如圖5所示。在圖4、5中，熔池中粉末的量直接影響了熔覆層的高度。當(dāng)送粉率從4 g/min增長到8 g/min時(shí)，熔覆層寬度從4.21 mm緩慢增加至4.22 mm，隨后熔覆層寬度會(huì)隨著送粉率的增高而逐步降低。當(dāng)送粉率在20 g/min時(shí)，熔覆層寬度降至4.08 mm，相較最高時(shí)下降了3.3%。隨著送粉率的逐漸提高，更多粉末沉積進(jìn)入熔池，導(dǎo)致熔覆層寬度上升，但是試驗(yàn)中激光功率保持恒定，送粉率進(jìn)一步增加會(huì)使其吸收更多的激光能量，單位面積內(nèi)基體吸收的能量相應(yīng)減少，進(jìn)而熔池尺寸減小，熔覆層寬度也隨之下降。對(duì)熔覆層高度而言，高度和送粉率保持了相對(duì)呈線性的增長關(guān)系，當(dāng)送粉率從4 g/min提高至20 g/min時(shí)，熔覆層高度也從0.17 mm增長至0.79 mm，提高了365%。相對(duì)而言，熔覆層高度對(duì)送粉率的敏感度遠(yuǎn)高于熔覆層寬度。

圖5 送粉量對(duì)CRRC-SP-1熔覆層寬度和高度的影響

2.3 掃描速度對(duì)熔覆層形貌和組織結(jié)構(gòu)的影響

保持激光功率2 500 W，送粉率 16 g/min不變，觀察掃描速度從4 mm/s提升到12mm/s條件下熔覆層截面的形貌變化，圖6展示了掃描速度對(duì)熔覆層寬度和高度的影響。掃描速度影響了激光在某位置照射的時(shí)間長短，對(duì)熱輸入有著顯著影響，進(jìn)而影響到熔覆層形貌尺寸。在激光功率和送粉率不變的前提下，隨著掃描速度增加，熔覆層的寬度由4.74 mm減小到3.75 mm，而高度也相應(yīng)由1.22 mm減小到0.46 mm。因?yàn)閽呙杷俣仍酱?，光斑和粉斑在單位面積駐留的時(shí)間就越短，激光的熱輸入隨之減少而導(dǎo)致熔池尺寸減小，同樣，熔池中沉積粉末的量也會(huì)減小，二者共同作用，所以隨著掃描速度的增大，熔覆層寬度和高度均逐漸減小。

圖6 掃描速度對(duì)熔覆層寬度和高度的影響

2.4 搭接率對(duì)熔覆層形貌和組織結(jié)構(gòu)的影響

搭接率會(huì)影響熔覆層的成形質(zhì)量，不合適的搭接率會(huì)導(dǎo)致浮渣、孔隙等缺陷的產(chǎn)生。保持激光功率為2 500 W，送粉率為16 g/min，掃描速度為8 mm/s不變，研究搭接率從30%提升到50%對(duì)熔覆層的影響。圖7為單層多道熔覆層橫截面形貌。為了表示熔覆層上表面的平整度，本試驗(yàn)采用熔覆層高度差來描述該參數(shù)，即測(cè)量最高波峰與最低波谷之間的高度差。圖8為各熔覆層的寬度及熔覆層高度差的測(cè)量結(jié)果。綜合圖7、8可知，隨著搭接率的提升熔覆層寬度逐漸下降，而熔覆層高度差逐漸上升。當(dāng)搭接率在30%到40%時(shí)，熔覆層橫截面的幾個(gè)波峰高度基本一致，頂面波浪形貌較為明顯，當(dāng)搭接率為45%和50%時(shí)，搭接的熔覆層橫截面頂部形貌呈弧形，熔覆層高度差異明顯，平坦區(qū)不明顯，這是由于搭接率過大導(dǎo)致。此外過大的搭接率會(huì)加大熔覆層結(jié)合區(qū)的陡峭程度，增大熔覆層高度，易產(chǎn)生孔隙和結(jié)合不良等缺陷?？紤]到過小的搭接率還會(huì)導(dǎo)致熔覆層寬度較小，降低修復(fù)效率，影響修復(fù)的經(jīng)濟(jì)性。因此，結(jié)合熔覆層寬度和熔覆層表面平整度，對(duì)于CRRC-SP-1金屬粉末優(yōu)選搭接率應(yīng)以40%為宜。

圖7 CRRC-SP-1不同搭接率下熔覆層截面形貌

圖8 不同搭接率下熔覆層的高度和寬度

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果確定最優(yōu)的工藝參數(shù)(見表2)進(jìn)行多道多層搭接激光熔覆試驗(yàn)，圖9為三層激光熔覆層形貌。由圖9可以看出，使用優(yōu)化后的工藝參數(shù)制備的多道多層激光熔覆層表面平坦，沒有氣孔、裂紋缺陷，激光熔覆層與基體呈現(xiàn)良好的冶金結(jié)合。圖10為CRRC-SP-1熔覆層金相組織，熔覆層組織為貝氏體組織和M-A島。

表2 優(yōu)化后的多層熔覆工藝參數(shù)

圖9 CRRC-SP-1合金多道多層熔覆層形貌

圖10 CRRC-SP-1合金1 000×熔覆組織

2.5 力學(xué)性能分析

表3為熔覆層圓棒拉伸試驗(yàn)結(jié)果，參考標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1027.2—2015《機(jī)車車軸 第2部分：車軸》中35CrMoA材料的拉伸和沖擊力學(xué)數(shù)據(jù)，基于表2中優(yōu)化后的工藝參數(shù)，CRRC-SP-1低合金鋼粉末的熔覆力學(xué)性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 熔覆層圓棒拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.6 晶粒度測(cè)試

CRRC-SP-1合金修復(fù)試樣各項(xiàng)力學(xué)性能均能滿足35CrMoA車軸材料指標(biāo)要求，進(jìn)一步測(cè)試CRRC-SP-1熔覆組織的晶粒度。由于激光熔覆組織是一種不均勻組織，通常三層以上激光熔覆組織才會(huì)區(qū)域穩(wěn)定。因此在5層熔覆組織上表面選取3個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行晶粒度測(cè)量，評(píng)級(jí)結(jié)果如表4所示，各處晶粒度均大于等于5級(jí)，且最高與最低級(jí)差別不超過3級(jí)，滿足35CrMoA車軸材料指標(biāo)要求。

表4 晶粒度評(píng)級(jí)結(jié)果

2.7 超聲缺陷檢測(cè)

對(duì)CRRC-SP-1熔覆層進(jìn)行超聲缺陷檢測(cè)，判斷熔覆組織內(nèi)部缺陷情況。檢測(cè)試樣尺寸為20 mm×20 mm×20 mm，其中基體高度為5 mm，熔覆層高度為15 mm，超聲缺陷檢測(cè)結(jié)果顯示熔覆層中有100 μm～200 μm的圓形缺陷，缺陷當(dāng)量值小于3.2 mm，符合TB/T 1027.1—2015標(biāo)準(zhǔn)的要求。推測(cè)其中缺陷為小型氣孔和夾雜物。

3 總結(jié)

本文針對(duì)軌道交通車軸材料修復(fù)問題，利用自研的低合金鋼粉末材料，分析激光熔覆修復(fù)工藝參數(shù)，包括激光功率、送粉率、掃描速度和搭接率對(duì)修復(fù)組織形貌的影響，得出最佳的工藝參數(shù)方案，在激光功率2 500 W，送粉率16 g/min，掃描速度8 mm/s，搭接率40%的工藝參數(shù)下，CRRC-SP-1低合金鋼熔覆組織的力學(xué)性能、晶粒度以及內(nèi)部缺陷均符合TB/T 1027.2—2015《機(jī)車車軸 第2部分：車軸》標(biāo)準(zhǔn)要求。目前該粉末已經(jīng)開始進(jìn)行車軸修復(fù)工程化應(yīng)用驗(yàn)證，本次試驗(yàn)結(jié)果也為后續(xù)車軸修復(fù)材料和工藝的開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。