KmTBCr15Mo表面激光熔覆原位合成TiC-VC增強鎳基熔覆層的工藝研究

丁陽喜，殷曉耀，廖芳蓉

（1.華東交通大學軌道交通學院，江西南昌330013；2.華東交通大學機電工程學院，江西南昌330013）

KmTBCr15Mo表面激光熔覆原位合成TiC-VC增強鎳基熔覆層的工藝研究

丁陽喜1，殷曉耀2，廖芳蓉2

（1.華東交通大學軌道交通學院，江西南昌330013；2.華東交通大學機電工程學院，江西南昌330013）

利用橫流CO2激光器，選用不同配比的鈦鐵粉（FeTi70）、釩鐵粉（FeV50）、石墨和Ni60自熔性粉末在鑄鐵KmTBCr15Mo表面進行激光熔覆處理，通過原位自生法制備出TiC-VC增強相鎳基涂層，并研究了激光熔覆工藝參數(shù)對熔覆層組織和性能的影響。結果表明：激光熔覆層的微觀質量和耐磨性能與激光熔覆工藝參數(shù)密切相關，在優(yōu)化的激光工藝參數(shù)（激光功率2.4 kW，離焦量30 mm，激光掃描速度250 mm/min）下獲得的熔覆層耐磨性最好。

高鉻鑄鐵；激光熔覆；耐磨性；激光工藝參數(shù)

渣漿泵普遍應用于冶金、礦山、化工等行業(yè)，是主要的輸送漿體設備，其過流部件（渦殼、護板、葉輪）在含有硬質顆粒且具有腐蝕性的漿體作用下，存在極嚴重的磨損、腐蝕、表面剝落等問題。由于過流部件的穿孔、腐蝕甚至變形導致渣漿泵因失效而無法使用，因此渣漿泵又被稱作為“星期泵”［1-2］。

激光熔覆技術是一種非常典型的表面工程技術，它具有其他表面工程技術無法比擬的應用前景。其最大特點是在不改變基材原有成分的基礎上，在基材表面熔覆一層具有耐磨、耐腐蝕、耐高溫等綜合性能優(yōu)良的涂層，且通過熔覆技術獲得的涂層厚度僅為基材的幾十分之一或幾百分之一［3-4］。

本文擬采用激光熔覆技術在渣漿泵過流部件用材料表面原位合成TiC-VC復合陶瓷顆粒增強相的鎳基熔覆層［5］，以提高渣漿泵過流部件的耐磨性能，使應用到實際生產中的渣漿泵使用壽命能進一步提高，還可用于渣漿泵過流部件的綠色再修復工作，進而減少企業(yè)損失，提高經濟效益。激光熔覆耐磨涂層的質量和性能除了與熔覆層粉末和基材的成分密切相關外，在很大程度上取決于熔覆工藝參數(shù)。所以要想在高鉻鑄鐵表面獲得耐磨性優(yōu)良的涂層，必須選擇優(yōu)化的激光熔覆工藝參數(shù)。

1　試驗材料及方法

激光熔覆基體材料為KmTBCr15Mo，其試樣切割尺寸為50 mm×20 mm×10 mm。試驗前對已切割好的試樣經磨床磨削平整，然后用超聲清洗機去除表面的雜質和油污，并自然晾干。試驗用熔覆粉末采用鈦鐵粉（FeTi70）、釩鐵粉（FeV50）、石墨（98%純度，200目）和Ni60自熔性粉末等，鈦鐵、釩鐵粉末的平均粒度為325目，Ni60自熔性粉末的粒度為200～300目，熔覆粉末均按試驗要求進行配比，然后將配好的粉末放入混粉機中，在低速（速度控制在50 r/min）下旋轉4 h使其均勻混合。采用預制粉末方式制備熔覆用涂層，然后將配制混合好的合金粉末與稀釋的漆片酒精溶液調成糊狀刷涂在試樣表面，刷涂厚度控制在1.5 mm左右，并吹干備用。

利用TJ-HL-T5000型連續(xù)橫流CO2激光器在純度為99.99%的氬氣保護下進行激光熔覆試驗。用XHV-10002型自動轉塔數(shù)顯顯微硬度計測量合金化涂層顯微硬度，載荷100 N，加載時間10 s；用SM-6360LA型掃描電子顯微鏡（SEM）對熔覆試樣斷面組織進行觀察；用Bruker D8ADVANCE型X射線衍射儀對制備的熔覆層成分和物相進行分析；用M-2000型摩擦磨損試驗機進行耐磨性能測試，配磨材料為GCr15鋼，摩擦時間1 h，旋轉速度為180 r/min，載荷為800 N。

2　試驗結果分析

2.1熔覆層X物相結構

圖1是激光原位合成TiC-VC增強鎳基熔覆層表面的X射線衍射圖譜?？梢姡鄹矊又饕桑‵e，Ni）固溶體、TiC、VC等物相組成。在X射線衍射圖譜中，TiC、VC峰的出現(xiàn)證明了在高能激光的作用下，TiC、VC增強相可由鈦鐵（FeTi70）、釩鐵（FeV50）和石墨直接通過原位反應生成［6-9］。

圖1　熔覆層X射線衍射圖譜

2.2工藝參數(shù)對熔覆層顯微組織的影響

2.2.1激光功率對熔覆層顯微組織的影響

圖2是在掃描速度v=240 mm/min、離焦量L= 30 mm且保持一定的情況下，改變激光功率所得到的熔覆層顯微組織。對比各熔覆層可發(fā)現(xiàn)，激光功率的變化對熔覆層中TiC、VC增強顆粒的大小和分布情況具有很大的影響。

圖2　不同激光功率下的熔覆層顯微組織

當激光功率為1.8、2.1 kW 時，熔覆層中的TiC、VC增強顆粒分布較均勻，但呈一定的聚集狀態(tài)；隨著激光功率的增加，熔覆層中的TiC、VC增強顆粒分布發(fā)生了很大的變化，出現(xiàn)了大量的網(wǎng)狀組織。其原因主要是由于激光功率的增加，熔覆粉末和基體在單位時間內所受到的輻射能量相應增多，激光熔池的溫度進一步升高，使熔池中熔融合金的冷卻速率減小，TiC、VC增強顆粒的形核率也相應減小，增強顆粒有較長的生長時間，且增強顆粒的分布也變得相對不均勻。但激光功率過小會導致熔覆粉末熔化不充分，使熔覆層產生缺陷，所以適當?shù)墓β什拍艿玫街旅芏毿〉木Я?，從而提高熔覆層的質量。

2.2.2掃描速度對熔覆層顯微組織的影響

圖3是在激光功率P=1.8 kW、離焦量L=30 mm且保持一定時，改變激光掃描速度所得到的熔覆層顯微組織?？煽闯?，晶粒的大小和分布情況隨著激光掃描速度的改變而變化。

圖3　不同激光掃描速度下的熔覆層顆粒狀態(tài)

當激光掃描速度為160、200 mm/s時，由于激光的掃描速度過低，熔覆層粉末吸收能量較多，同時，基體的稀釋率也較大，晶粒的生長速度快于形核速度，使晶粒變得粗大，聚集效應也更明顯（圖3a、圖3b）。隨著掃描速度的加快，熔覆粉末吸收的能量減少，冷卻速度及溫度梯度增加，形核率增加，這樣熔覆層組織變得相對細小和均勻 （圖3c、圖3d）。當掃描速度過高時，單位時間內激光束輻照在熔覆粉末上的能量就會減少，熔覆粉末所吸收能量減少，這樣可能會導致熔覆粉末未完全熔化，原位反應無法成功進行，造成熔覆層質量顯著下降［10］。

2.3工藝參數(shù)對熔覆層相對耐磨性的影響

圖4、圖5分別是不同激光功率和不同激光掃描速度作用下熔覆層耐磨性的影響圖。由圖4可看出，隨著激光功率的增加，熔覆層的相對耐磨性先增大、后減小。當激光功率P=2.4 kW時，熔覆層的相對耐磨性達到最大。由圖5可看出，隨著激光掃描速度的增加，熔覆層的相對耐磨性不斷減小。造成這種情況的主要原因是由于在不同的激光功率和掃描速度作用下，熔覆層的組織和晶粒分布出現(xiàn)很大差異，對熔覆層的性能具有很大的影響。因此，在激光熔覆過程中，需對激光功率和掃描速度加以控制，才能獲得具有較高耐磨性的激光熔覆層［11］。

圖4　激光功率對熔覆層相對耐磨性的影響

圖5　掃描速度對熔覆層相對耐磨性的影響

現(xiàn)以熔覆層的相對耐磨性作為熔覆層的力學性能考查指標進行正交試驗分析。對正交試驗設計中選取的3個因素進行研究對比，找出激光熔覆的較優(yōu)工藝參數(shù)組合。正交試驗預熔覆粉末配比為：鈦鐵（FeTi70）、釩鐵（FeV50）、石墨和Ni60，粉末配比 （wt%）為：FeTi70∶FeV50∶C∶Ni60=28.472∶27.812∶10∶33.716，正交試驗安排及結果見表1。

表1　正交試驗分析結果

為了選出較優(yōu)的激光熔覆工藝方案，需找出各因素水平與相對耐磨性的關系。現(xiàn)以A代表激光功率，其水平分別為2.1、2.4、2.7 kW；B代表離焦量，其水平分別為20、30、40 mm；C代表激光掃描速度，其水平分別為200、250、300 mm/min。以A、B、C3個因素的3個水平為橫坐標，以該因素和水平下試樣的相對耐磨性的平均值（每個因素、水平下有3組）為縱坐標，繪制相對耐磨性與A、B、C三因素的關系圖。由圖6可知，要想使激光熔覆層的耐磨性最大，激光工藝參數(shù)最佳組合為A2B2C2。因此，通過正交試驗確定的最佳熔覆工藝參數(shù)組合為：激光功率2.4 kW、離焦量30 mm、激光掃描速度250 mm/min。

圖6　相對耐磨性與因素水平關系圖

3　結論

（1）利用鈦鐵、釩鐵、石墨和Ni60等粉末在高能激光的作用下，能在渣漿泵過流部件用材料表面原位反應合成TiC-VC復合顆粒增強的鎳基熔覆層，且能與高鉻鑄鐵基體形成良好的冶金結合。

（2）激光工藝參數(shù)對TiC-VC顆粒增強鎳基熔覆層的性能和組織具有很大的影響。當激光功率處于較低水平時，熔覆層中的TiC、VC增強顆粒分布較均勻，但呈現(xiàn)一定的聚集狀態(tài)；隨著激光功率的增加，熔覆層中的TiC、VC增強顆粒分布狀況發(fā)生了很大的變化，此時出現(xiàn)了大量的網(wǎng)狀組織。

（3）當激光功率處于較低水平時，熔覆層相對耐磨性也較低；隨著激光功率的增加，熔覆層的耐磨性得到提高；當激光功率提高到一定的水平時，熔覆層的耐磨性又出現(xiàn)下降的趨勢。通過對正交試驗結果的分析和對比發(fā)現(xiàn)，獲得耐磨性最好的熔覆層的較優(yōu)熔覆工藝參數(shù)為：激光功率2.4 kW、離焦量30 mm、激光掃描速度250 mm/min。

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Study on Ni-based Composite Coatings Reinforced by TiC-VC Synthesized in Situ on KmTBCr15Mo by Laser Cladding

Ding Yangxi1，Yin Xiaoyao2，Liao Fangrong2
（1.School of Railway Tracks and Transportation，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China；2.School of Mechatronics Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Using transverse CO2laser and selecting different proportion of FeTi70，F(xiàn)eV50，graphite power and Ni60，the Ni-based cladding layer reinforced by in-situ fabricated TiC-VC is prepared on the surface of the KmTBCr15Mo by laser cladding.The influences of processing parameters on microstructure and properties of the cladding layer have been studied.The results show that processing parameters are closely related to micro-quality and wearability，and the optimized laser processing parameters are as follows:laser power is 2.4 kW，scanning speed is 250 mm/min and the defocusing amount is 30 mm.

high chromium cast iron；laser cladding；wear-ability；laser alloying parameters

TG665

A

1009－279X（2016）03－0062-04

2016-01-12

江西省自然科學基金資助項目（20122BAB206007）

丁陽喜，男，1962年生，教授。