激光功率對(duì)熔覆層性能的影響

何建群，杜學(xué)蕓，宋其偉

(山東能源重裝集團(tuán)大族再制造有限公司，山東 新泰 271222)

激光功率對(duì)熔覆層性能的影響

何建群，杜學(xué)蕓，宋其偉

(山東能源重裝集團(tuán)大族再制造有限公司，山東 新泰 271222)

8 000 W大功率半導(dǎo)體激光器得到了工業(yè)化應(yīng)用，熔覆加工效率得到顯著提升。為了明確激光熔覆效率提升后的熔覆效果，采用8 000 W及3 000 W半導(dǎo)體激光器，通過(guò)粉末預(yù)置法在27SiMn鋼材質(zhì)上進(jìn)行了4種激光熔覆工藝試驗(yàn)。取樣檢測(cè)并分析了不同功率密度下激光熔覆樣品的性能。結(jié)果表明，工藝參數(shù)選擇不當(dāng)可使界面結(jié)合不良，同時(shí)影響試樣耐腐蝕性能；熔覆功率越高，熔覆試樣硬度越高；熔池吸收的有效功率密度越大，作用時(shí)間越長(zhǎng)，則熱影響區(qū)組織越粗大。

激光熔覆；功率密度；熔覆層性能

激光熔覆是通過(guò)在基體材料表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法[1]，在基材表面形成與其為冶金結(jié)合的熔覆層。激光熔覆層具有優(yōu)異的耐磨、耐蝕、抗高溫氧化和抗疲勞等綜合性能，成為激光表面改性技術(shù)研究和發(fā)展的熱點(diǎn)，并且得到越來(lái)越多的工業(yè)應(yīng)用[2-3]。近年來(lái)，激光熔覆技術(shù)在各行各業(yè)得到了廣泛推廣應(yīng)用[4-6]。礦山機(jī)械等設(shè)備的零部件服役條件惡劣，除了需要具備一定的耐磨性能以外，暴露在腐蝕性環(huán)境的結(jié)構(gòu)件還需要耐蝕、耐磨高性能涂層以延長(zhǎng)其服役壽命。激光熔覆技術(shù)顯示出了巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。高功率激光器熔覆效率高，具備良好的挖掘潛力，但需要保障提升效率后的工藝穩(wěn)定性。

鑒于8 000 W半導(dǎo)體激光器工業(yè)化應(yīng)用需要，本文采用8 000及3 000 W半導(dǎo)體激光器及預(yù)置送粉法，在液壓支架不銹鋼中缸(母材為27SiMn鋼)表面分別進(jìn)行激光多道搭接工藝試驗(yàn)，熔覆鐵基合金粉末制備涂層，通過(guò)鹽霧試驗(yàn)、微觀硬度及金相檢測(cè)，對(duì)比分析研究激光熔覆功率密度對(duì)激光熔覆層性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用基材為液壓支架立柱中缸，材質(zhì)為27SiMn，其化學(xué)成分見表1。熔覆粉末為專門研制的立柱缸體用鐵基合金粉末，粒度為100～270目，主要化學(xué)成分見表2。

表1 27SiMn的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

表2 合金粉末的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用激光器為半導(dǎo)體激光器，多道搭接熔覆，送粉器為自主研發(fā)的組合式重力送粉裝置。用4種工藝條件進(jìn)行熔覆：1)功率8 000 W，光斑24 mm×3 mm，功率密度111 W/mm2；2)功率6 000 W，光斑12 mm×3 mm，功率密度166 W/mm2；3)功率8 000 W，光斑12 mm×3 mm，功率密度222 W/mm2；4)功率3 000 W，光斑12 mm×2 mm，功率密度125 W/mm2。激光熔覆搭接率為30%，激光掃描速率為8 mm/s，離焦量為300 mm，熔覆后的中缸表面車削、拋磨至熔覆層，最終留有效厚度為0.6 mm，表面粗糙度為Ra0.3 μm。

線切割取10 mm×10 mm×10 mm尺寸試樣，經(jīng)砂紙打磨并拋光后，使用HVS—1000A數(shù)顯顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度梯度檢測(cè)；用4%硝酸酒精溶液腐蝕制成金相試樣，在Axio Lab.A 1金相顯微鏡下觀察熔覆層的顯微組織及結(jié)構(gòu)。切取40 mm×60 mm試樣進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為(35±2)℃，鹽霧沉降率為2 mL/(80 cm2·h)，周期為96 h。

2 結(jié)果及討論

2.1 熔覆層宏觀檢測(cè)

2.1.1 缺陷無(wú)損檢測(cè)

4種工藝條件下的熔覆層外觀如圖1所示，圖1中1、2、3、4分別對(duì)應(yīng)1#、2#、3#、4#試樣。從圖1可以看出，熔覆層外觀均平整，肉眼均無(wú)法觀察到裂紋、砂眼等明顯缺陷。

圖1 不同工藝條件下熔覆層外觀

熔覆層車磨后進(jìn)行PT探傷，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，4種工藝條件下均未產(chǎn)生宏觀缺陷。

圖2 PT探傷結(jié)果

2.1.2 耐蝕性能檢測(cè)

進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)96 h(5%±0.5%NaCl溶液)，1#、2#、3#、4#腐蝕試樣如圖3所示。從圖3中可以看出，同樣腐蝕條件下，1#、4#試樣未出現(xiàn)腐蝕；2#試樣出現(xiàn)銹蝕；3#試樣腐蝕最嚴(yán)重。

圖3 4種工藝條件下加工試樣鹽霧試驗(yàn)結(jié)果

2.2 微觀性能檢測(cè)

2.2.1 硬度梯度

經(jīng)砂紙打磨并拋光后對(duì)試樣剖面進(jìn)行硬度檢測(cè)，間隔0.25 mm取檢測(cè)點(diǎn)(見圖4)?？梢? 000和6 000 W熔覆試樣硬度均較3 000 W試樣(4#)高，且在熔覆層厚度相同的前提下，高功率熔覆試樣(1#、3#)熱影響區(qū)范圍顯著增大。熔覆層至基體的硬度曲線走勢(shì)平穩(wěn)度優(yōu)劣排序?yàn)椋?#、1#、2#、3#。

圖4 試樣剖面硬度檢測(cè)

2.2.2 金相檢測(cè)

各試樣界面處情況如圖5所示。從圖5中可以看出，1#和4#試樣結(jié)合面清晰，形成了良好的冶金結(jié)合，金相組織為均勻枝晶，呈網(wǎng)狀；2#試樣結(jié)合界面未見清晰的冶金結(jié)合帶，整體組織均勻；3#試樣結(jié)合界面組織得到生長(zhǎng)，與熔覆層延續(xù)，無(wú)清晰的冶金結(jié)合帶。

圖5 試樣結(jié)合界面金相圖

母材熱影響區(qū)情況如圖6所示。從圖6中可以看出，4#試樣呈現(xiàn)的是均勻的馬氏體組織，未現(xiàn)晶界，1#、2#、3#試樣的馬氏體組織均較4#試樣粗大，其中3#試樣顯現(xiàn)了清晰的晶界。

圖6 熱影響區(qū)組織

2.3 結(jié)果分析

4#試樣平均硬度為430 HV1，結(jié)合界面清晰，未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，為正常工藝熔覆標(biāo)準(zhǔn)；與4#試樣對(duì)比，1#試樣平均硬度為498 HV1，結(jié)合界面清晰，硬度梯度在過(guò)渡區(qū)較平緩，枝晶組織較均勻，未出現(xiàn)銹蝕；2#試樣平均硬度為540 HV1，硬度梯度過(guò)渡區(qū)較4#試樣范圍有所增大，無(wú)明顯冶金結(jié)合帶，出現(xiàn)明顯銹蝕；3#試樣平均硬度為496 HV1，硬度曲線顯示的過(guò)渡區(qū)大小及趨勢(shì)與1#試樣類同，結(jié)合界面組織與熔覆層延續(xù)生長(zhǎng)，出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕?？梢?，1#試樣工藝為可用工藝，2#、3#試樣工藝均不符合使用要求。

較4#試樣而言，1#、2#和3#試樣熔覆過(guò)程中功率密度高，一些硬質(zhì)相得到更充分的生成時(shí)間，所以有更高的硬度表征。其中，1#和3#試樣的過(guò)渡區(qū)范圍大，這可能是因?yàn)槎呷鄢亟邮盏挠行芰看?，且作用時(shí)間長(zhǎng)[7]。2#、3#試樣因?yàn)槿鄹补β拭芏雀?，?dǎo)致稀釋率過(guò)高，未能形成良好的冶金結(jié)合界面，熔池存在瞬間結(jié)合界面處的組織得以快速長(zhǎng)大，甚至與熔覆層組織延續(xù)生長(zhǎng)，此外，由于2#、3#試樣的有效熱量作用時(shí)間長(zhǎng)，鉻元素等更多地生成硬質(zhì)相析出，造成局部貧鉻區(qū)，該區(qū)域不能抵抗Cl-腐蝕，加上Cl-腐蝕特性[8]，極易因局部腐蝕逐步擴(kuò)展成大面積腐蝕。因此腐蝕現(xiàn)象以2#、3#試樣更為嚴(yán)重。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究，得出結(jié)論如下。

1)1#試樣工藝為可用工藝，2#、3#試樣工藝均不符合使用要求。

2)工藝參數(shù)選擇不當(dāng)使冶金結(jié)合不良，同時(shí)影響試樣耐腐蝕性能。本試驗(yàn)中耐蝕性能優(yōu)劣順序?yàn)椋?#、1#、2#、3#。

3)熔覆功率越高，熔覆試樣硬度越高；熔池吸收的有效功率密度越大，作用時(shí)間越長(zhǎng)，則熱影響區(qū)組織越粗大。

[1] 趙高敏,王昆林,劉家浚. La2O3對(duì)激光熔覆鐵基合金層硬度及其分布的影響[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2004,40(10):1115-1120.

[2] 劉錄錄,孫榮祿. 激光熔覆技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 熱加工工藝, 2007,36(11):58-60.

[3] 孫榮祿,牛偉,王成揚(yáng). 鈦合金表面激光熔覆TiN-Ni基合金復(fù)合涂層的組織和磨損性能[J].稀有金屬材料與工程, 2007,36(1):7-10.

[4] 張紅英,張鴻冰,胡靜霞. 40Cr鋼的形變熱處理組織[J]. 熱加工工藝, 2006, 35(12):23-24.

[5] 張永忠,席明哲,石力開.激光熔覆沉積制備多層316 L不銹鋼2Stellite31合金梯度功能材料[J]. 金屬熱處理, 2007,32(9):45-47.

[6] 袁曉敏,龔佑品,何宜柱. TiB2對(duì)Ni基合金激光熔覆層組織與性能的影響[J].焊接學(xué)報(bào), 2007,28(5):41-42.

[7] 牛犇,盧繼平,唐其超. 激光熔覆獲得穩(wěn)定熔池的工藝優(yōu)化[J]. 新技術(shù)新工藝, 2015(1):65-69.

[8] 杜學(xué)蕓.液壓支架立柱的化學(xué)鍍Ni-P基防護(hù)體系研究[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué),2011.

責(zé)任編輯 鄭練

Effect of Laser Power on the Property of the Cladding Layer

HE Jianqun, DU Xueyun, SONG Qiwei

(Shandong Energy Heavy Equipment Group Dazu Remanufacturing Co., Ltd., Xintai 271222, China)

The 8 000 W high power semiconductor laser is applied, and the efficiency of cladding has been greatly improved. In order to make sure the effect of laser cladding efficiency, four kinds of laser cladding process experiments are carried out on 27SiMn steel by 8 000 W and 3 000 W semiconductor laser. And the property of laser clad samples is tested and analyzed under different power densities. The results show that, improper process parameters can make the interface poor, and at the same time affect the corrosion resistance of the sample. The higher the cladding power, the higher the hardness of cladding layer. The greater the effective power density and acting time, the bulkier the structure of the heat affected zone.

laser cladding, power density, property of the cladding layer

TG 15

A

何建群(1986-)，男，工程師，碩士，主要從事激光熔覆工藝開發(fā)及應(yīng)用等方面的研究。

2016-08-30