不同氣氛下激光熔覆Fe901修復(fù)40Cr組織與性能的研究

張文龍，張安峰，齊寶路，李　帥，張連重，李滌塵

（西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，快速制造國(guó)家工程研究中心，高端制造裝備協(xié)同創(chuàng)新研究中心，陜西西安710049）

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不同氣氛下激光熔覆Fe901修復(fù)40Cr組織與性能的研究

張文龍，張安峰，齊寶路，李帥，張連重，李滌塵

（西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，快速制造國(guó)家工程研究中心，高端制造裝備協(xié)同創(chuàng)新研究中心，陜西西安710049）

摘要：在不同氣氛下進(jìn)行激光熔覆Fe901修復(fù)40Cr實(shí)驗(yàn)，從微觀組織、元素分析、力學(xué)性能等角度探討不同氣氛對(duì)修復(fù)的影響，研究野外環(huán)境下氮?dú)馓娲鷼鍤獾目尚行?。結(jié)果表明：不同氣氛下的熔覆組織均為樹枝晶和等軸晶的混合組織；不同氣氛下的熔覆層中，氮、氧元素含量變化較小，和Fe901粉末相比沒(méi)有明顯增加；不同氣氛下修復(fù)試樣的抗拉強(qiáng)度和延伸率較接近，抗拉強(qiáng)度均達(dá)到基材的92.5 %以上，延伸率不低于4 %。激光熔覆Fe901修復(fù)40Cr的組織和性能受氣氛的影響很小，用氮?dú)馓娲鷼鍤馑头刍灸軡M足野外環(huán)境下應(yīng)急快速修復(fù)零件的要求。

關(guān)鍵詞：激光熔覆；修復(fù)；氣氛；力學(xué)性能

裝備零件在野外環(huán)境中失效具有偶然性，若無(wú)備用零件或距離補(bǔ)給地較遠(yuǎn)，將導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。如能及時(shí)、快速地修復(fù)零件，使設(shè)備重新投入使用，可節(jié)約資源、降低損失，具有巨大的工程應(yīng)用價(jià)值。

與傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)相比，激光熔覆修復(fù)技術(shù)具有熱量輸入小、熱影響區(qū)小、不易損傷基體、熔覆層與基體結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，通過(guò)國(guó)內(nèi)外對(duì)激光熔覆修復(fù)技術(shù)進(jìn)行的研究表明，激光熔覆修復(fù)過(guò)程大部分是在惰性氣體（如氬氣）保護(hù)的環(huán)境中進(jìn)行的。然而，由于野外環(huán)境中的零件失效具有偶然性，攜帶氬氣（Ar）也不方便，使野外熔覆修復(fù)很難在惰性氣體保護(hù)的環(huán)境中進(jìn)行。與惰性氣體相比，氮?dú)猓∟2）可通過(guò)發(fā)生器從空氣中制取，尤其適合在野外環(huán)境中對(duì)失效零件進(jìn)行快速修復(fù)。

本文針對(duì)野外環(huán)境下的中碳鋼零件快速修復(fù)，分別在Ar送粉Ar保護(hù)、Ar送粉無(wú)保護(hù)、N2送粉無(wú)保護(hù)3種不同氣氛下進(jìn)行激光熔覆Fe901修復(fù)40Cr實(shí)驗(yàn)，從微觀組織、元素分析、力學(xué)性能等角度探討不同氣氛環(huán)境對(duì)修復(fù)的影響，研究用N2替代Ar的可行性。

1　實(shí)驗(yàn)條件及方法

實(shí)驗(yàn)在LDF-1000A型激光直接成形系統(tǒng)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括Nd：YAG激光器、帶手套箱的工作臺(tái)、送粉器、同軸送粉噴嘴、冷水機(jī)及輔助裝置等。實(shí)驗(yàn)所用Fe901球形粉末粒度為50～100 μm，其化學(xué)成分見表1?；倪x用40Cr棒材，尺寸為φ10mm×25 mm。

表1　Fe901粉末的主要成分

實(shí)驗(yàn)前，將Fe901粉末置于真空干燥箱中，并在120℃環(huán)境下真空干燥4 h，以去除水分、增加粉末流動(dòng)性?；谋砻嫦扔蒙拜喆蚰コ纱植诒砻?，再用丙酮清洗，以除去油污，然后用乙醇清洗干凈。送粉氣體為Ar和N2，在Ar保護(hù)和空氣環(huán)境中分別進(jìn)行熔覆實(shí)驗(yàn)，粉末由送粉器經(jīng)同軸送粉噴嘴輸送至激光熔池中。實(shí)驗(yàn)使用的主要工藝參數(shù)見表2。

表2　激光熔覆實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

在40Cr棒料上進(jìn)行激光熔覆Fe901實(shí)驗(yàn)時(shí)，每個(gè)試樣的熔覆層和基材各占50 %，并將試樣分為A、B、C 3組。A組試樣的送粉氣體為Ar，且Ar保護(hù)熔覆；B組試樣的送粉氣體為Ar，但無(wú)保護(hù)熔覆；C組試樣的送粉氣體為N2，也無(wú)保護(hù)熔覆。將試樣按GB/T 228.1—2010標(biāo)準(zhǔn)[1]的規(guī)定進(jìn)行常溫拉伸試樣的制備，用Istron5985電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試修復(fù)后的力學(xué)性能。用LECO600氣體元素分析儀分別測(cè)定A、B、C組中Fe901熔覆層和Fe901粉末的氧、氮元素含量，取樣1 g，測(cè)量3次并取平均值。用VH-600光學(xué)顯微鏡和S-3000N掃描電子顯微鏡對(duì)微觀組織和拉伸斷口形貌進(jìn)行分析，用HXD-2000TMSC/LCD顯微硬度計(jì)對(duì)修復(fù)試樣進(jìn)行顯微硬度的測(cè)試，加載載荷200 g，保持時(shí)間10 s。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1熔覆層顯微組織

圖1是激光熔覆Fe901微觀組織。激光熔覆單道橫截面微觀組織見圖1a，可見從熔覆層底部到頂部晶體形貌依次為平面晶、胞狀晶、柱狀樹枝晶和等軸晶。這是由于熔覆層剛開始凝固時(shí)，熔池與基體之間存在很大的正溫度梯度G，凝固速率R很小，界面處不存在成分過(guò)冷，晶體通過(guò)基體的非均勻形核作用而保持平面生長(zhǎng)的方式，在結(jié)合面處形成平面晶組織，平面晶的形成說(shuō)明熔覆層與基體之間達(dá)到冶金結(jié)合；隨著結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)行，溫度梯度與凝固速率的比值（G/R）逐漸減小，成分過(guò)冷區(qū)破壞了固液界面的穩(wěn)定性，晶體從平面晶過(guò)渡形成一種穩(wěn)定的胞狀晶組織；在熔覆層的中上部，（G/R）值進(jìn)一步減小，且由于結(jié)晶潛熱的釋放，晶體的生長(zhǎng)方向沿著散熱最快的方向生長(zhǎng)，從而形成生長(zhǎng)方向與基體結(jié)合面大致垂直的柱狀晶和樹枝晶組織；而在熔覆層頂部，固液界面前沿液體的成分過(guò)冷大于非自發(fā)形核所需的過(guò)冷度時(shí)，界面前沿的液體將會(huì)自發(fā)形核，生長(zhǎng)形成等軸晶。

圖1　激光熔覆Fe901微觀組織

由圖1b可見，實(shí)體熔覆層的組織為枝晶和等軸晶的混合組織。這是因?yàn)樵趯?shí)體熔覆過(guò)程中，已成形的熔覆層和基體相比具有較高的溫度，且隨著結(jié)晶過(guò)程中結(jié)晶潛熱的不斷釋放，凝固時(shí)的溫度梯度G減小、結(jié)晶速度R增大，故（G/R）值減小，固液界面前沿液體中的成分過(guò)冷增大，因此形成枝晶和等軸晶的混合組織。

2.2熔覆層的氮、氧元素含量分析

在不同氣氛下激光熔覆Fe901熔覆層內(nèi)部的氮、氧元素含量分析結(jié)果見表3?？煽闯?，在3種不同氣氛下，熔覆層的氮、氧元素含量變化很小，和Fe901粉末中的氮、氧元素含量相比沒(méi)有明顯增加。即不同氣氛環(huán)境對(duì)Fe901熔覆層的氮、氧元素含量影響很小，因此，在野外環(huán)境中可選用N2替代Ar進(jìn)行零件的快速修復(fù)。

表3　激光熔覆Fe901試樣的氮、氧元素分析結(jié)果

由表3還可看出，粉末中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.029 %，與熔覆層的氮含量相差很小；粉末中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.021 %，明顯高于熔覆層的氧含量。其原因主要有以下幾方面：①氧為表面活性元素，覆蓋在熔池表面，阻礙熔池吸氮[2]，且在激光功率不大的情況下，氮?dú)夂茈y電離并與合金元素發(fā)生反應(yīng)，故在3種不同的氣氛環(huán)境中，F(xiàn)e901熔覆層和粉末的氮元素含量差別很小；②送粉氣體保護(hù)熔池與空氣中的氧氣隔離，F(xiàn)e901粉末中的Si、B元素在熔池中進(jìn)行脫氧冶金反應(yīng)，產(chǎn)生的夾渣絕大多數(shù)飛濺出熔池，保護(hù)熔池不被氧化，抗氧化性好，故在3種不同的氣氛環(huán)境中，熔覆層的氧元素含量基本相同；③粉末采用霧化原理制成，霧化介質(zhì)中的氧氣使粉末含有一定的氧[3]，且粉末暴露在空氣中，表面易被氧化，所以導(dǎo)致粉末中的氧含量較熔覆層高。

2.3拉伸性能和顯微硬度分析

在不同氣氛下激光熔覆Fe901修復(fù)試樣的拉伸性能數(shù)據(jù)見表4?？煽闯?，在3種不同氣氛下，熔覆修復(fù)試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率均較接近，且屈服強(qiáng)度超過(guò)基體、抗拉強(qiáng)度達(dá)到基體的92.5 %以上、延伸率均不低于4 %，表明熔覆修復(fù)層與基材結(jié)合性能良好。由于Fe901熔覆層的塑性差，基體的塑性良好，且Fe901的強(qiáng)度比基體高，故在承受拉伸載荷時(shí)，主要是基體參與變形，因此，修復(fù)后的性能主要體現(xiàn)基體的性能。

表4　激光熔覆Fe901修復(fù)試樣及基體的拉伸性能數(shù)據(jù)

通過(guò)以上分析，對(duì)Fe901合金粉末來(lái)說(shuō)，不同氣氛對(duì)激光熔覆修復(fù)40Cr的性能影響很小，在野外環(huán)境中采用N2替代Ar作為送粉氣進(jìn)行熔覆修復(fù)后的性能完全滿足使用要求。

圖2是在不同氣氛下激光熔覆Fe901修復(fù)拉伸試樣和拉伸曲線，圖3是拉伸試樣斷口SEM形貌及金相圖。由圖2a可見，F(xiàn)e901修復(fù)試樣的斷裂位置大多是在靠近結(jié)合面的熔覆層處，這說(shuō)明Fe901修復(fù)40Cr后性能的薄弱位置在結(jié)合面處。同時(shí)，由圖2b可知，40Cr在斷裂前發(fā)生明顯的彈塑性變形，而Fe901只發(fā)生彈性變形就已斷裂。由于熔覆層與基體的組織、性能差別很大，在承受橫向拉伸過(guò)程中，熔覆層與基體的變形不一致；在結(jié)合面處為了保持變形的連續(xù)性，會(huì)產(chǎn)生切應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)合面端點(diǎn)處應(yīng)力集中[4-5]，易在此處開始失效，結(jié)合面端點(diǎn)處均存在撕裂（圖3e、圖3f）。

圖2　激光熔覆Fe901修復(fù)試樣及拉伸曲線

修復(fù)試樣的斷口分析表明：熔覆層的斷口呈現(xiàn)河流花樣的脆性斷裂形貌（圖3a）；裂紋源位于熔覆層與基體結(jié)合面端點(diǎn)處，裂紋在端點(diǎn)處開始撕裂，然后沿著熔覆層呈射線狀擴(kuò)展（圖3a、圖3e）；斷口局部位置出現(xiàn)韌窩形貌（圖3b），說(shuō)明斷裂前熔覆層發(fā)生少量的塑性變形；基材塑性良好，斷裂處有明顯的頸縮，斷口出現(xiàn)明顯的纖維區(qū)形貌，微觀形貌呈現(xiàn)大量韌窩，屬于韌性斷裂（圖3c、圖3d）。

圖3　拉伸試樣斷口形貌及金相圖

圖4是激光熔覆Fe901修復(fù)試樣顯微硬度隨熔覆層高度的變化曲線?？煽闯?，熔覆層的顯微硬度雖有波動(dòng)，但基本穩(wěn)定在700 HV0.2左右，遠(yuǎn)高于基體硬度300 HV0.2。較高的硬度為Fe901熔覆層的耐磨性提供了保證，可適用于磨損類零件的修復(fù)。

3　結(jié)論

（1）Fe901粉末激光熔覆修復(fù)40Cr中碳鋼的結(jié)合面處為典型平面晶組織，層內(nèi)主要為柱狀晶和樹枝晶的混合組織，頂部為細(xì)小等軸晶。

（2）在Ar送粉Ar保護(hù)、Ar送粉無(wú)保護(hù)、N2送粉無(wú)保護(hù)等3種氣氛環(huán)境下，F(xiàn)e901熔覆層中的氮、氧元素含量變化很小，和Fe901粉末中的氮、氧元素含量相比沒(méi)有增加。不同氣氛下，修復(fù)試樣的強(qiáng)度和延伸率較接近，屈服強(qiáng)度均高于基體，抗拉強(qiáng)度均達(dá)到基材的92.5 %以上，延伸率均不低于4 %。氣氛環(huán)境對(duì)激光熔覆Fe901修復(fù)40Cr的性能和氮、氧元素含量的影響很小，故野外環(huán)境下可用N2替代Ar作為送粉氣源。

（3）Fe901熔覆層的顯微硬度約為700 HV0.2，遠(yuǎn)高于基體硬度300 HV0.2，故耐磨性好，可適用于磨損類零件的修復(fù)。

圖4　顯微硬度測(cè)量結(jié)果

參考文獻(xiàn)：

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Study on Mechanical Properties and Microstructure of 40Cr Repaired by Laser Cladding Fe901 under Different Atmospheres

Zhang Wenlong，Zhang Anfeng，Qi Baolu，Li Shuai，Zhang Lianzhong，Li Dichen
（State Key Laboratory for Manufacturing System Engineering，Rapid Manufacturing National Engineering Research Center，The High-end Manufacturing Equipment Collaborative Innovation Research Center，Xi′an Jiaotong University，Xi′an 710049，China）

Abstract：Experiments for repairing 40Cr by laser cladding Fe901 under the different atmospheres. The influence of different atmospheres on the repairing is discussed in terms of microstructure，elements analysis and mechanical properties，intending to investigate the feasibility of replacing Ar with N2in laser cladding repair in the wild environment. The results show that the microstructure of cladding layers under different atmospheres，are composites of dendritic crystals and equiaxed crystals. The contents of N and O in the cladding layers under different atmospheres differ little，or no increase more accurately，compared with that of Fe901 powder. The tensile strength and ductility of samples repaired under different atmospheres differs slightly，among which the tensile strength all reach to 92.5 % of the substrate，and the ductility surpasses 4 %. The atmosphere influences slightly on the microstructure and properties of 40Cr repaired by laser cladding Fe901，which means that replacing Ar with N2can totally satisfy the requirement of the emergency repairing in the wild environment.

Key words：laser cladding；repairing；atmosphere；mechanical property

第一作者簡(jiǎn)介：張文龍，男，1990年生，碩士研究生。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51275392）

收稿日期：2015-08-03

中圖分類號(hào)：TG113，TG115

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009－279X（2016）01－0040-04