掃描速度對鎳基激光熔覆涂層性能的影響

吳金濤

摘要： 以某注水泵組合閥為研究對象，針對柱塞在工作過程中出現(xiàn)的磨損、沖蝕失效問題展開研究。采用激光熔覆工藝在失效位置熔覆鎳基涂層進(jìn)行修復(fù)，采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Field emission scanning electron microscopy， FESEM），能譜儀（Energy Dispersive Spectrometer， EDS），摩擦磨損分析等方法，研究了掃描速度對涂層性能的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)掃描速度為450mm/min時(shí)熔覆層顯微組織為細(xì)小的樹枝晶組織，EDS結(jié)果表明在樹枝晶組織中含有較高的Cr、Fe、Ni、B元素，摩擦磨損結(jié)果表明450mm/min時(shí)摩擦系數(shù)最小為0.797。

Abstract： Taking a water injection pump combined valve as the research object， this paper studies the wear and erosion failure of the plunger during the working process. The laser cladding process was used to repair the nickel-based coating in the failure position. Field emission scanning electron microscopy （FESEM）， Energy Dispersive Spectrometer （EDS）， and Friction and Wear Analysis were used to study the effect of scanning speed on coating properties. The results show that the microstructure of the cladding layer is a small dendritic structure when the scanning speed is 450mm/min. EDS results show that Cr， Fe， Ni and B elements are contained in the dendritic structure， and the friction and wear results 450mm/min when the friction coefficient of the smallest 0.797.

關(guān)鍵詞： 激光熔覆；鎳基粉末；硬度；耐磨性

Key words： laser cladding；nickel base powder；hardness；abrasion resistance

中圖分類號：TN249 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）24-0227-03

0 引言

本文以某注水泵柱塞為研究對象，針對柱塞在工作過程中出現(xiàn)的磨損失效、沖蝕問題展開研究，如圖1所示是失效零件表面。表面磨損損失失效會造成水泵效率嚴(yán)重降低，甚至不能工作。若直接更換，會造成水泵維護(hù)維修成本高，資源浪費(fèi)等問題。再制造技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種以節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境，綜合利用信息、納米、生物等技術(shù)，使廢舊資源中的價(jià)值發(fā)揮到最大限度[1]。本文針對柱塞失效問題，采用激光熔覆工藝進(jìn)行了修復(fù)再制造，減緩資源緊張與資源浪費(fèi)，減少失效或報(bào)廢產(chǎn)品對環(huán)境的危害，達(dá)到失效零件再制造、再利用、降低成本的目的[2]。

激光熔覆技術(shù)是通過將高能密度的激光束照射在材料表面，使零件表面溫度升高直至表面達(dá)到熔化狀態(tài)，形成熔池，將工作粉末送至熔池區(qū)，使熔融的粉末材料與基體發(fā)生冶金結(jié)合，當(dāng)激光束移開后，熔池再以極快的冷卻速度冷卻[3]，最后形成熔覆層。根據(jù)表面性能需要，可以熔覆不同的粉末材料來獲得相應(yīng)的耐磨性[4-5]、耐蝕性[6]、高溫抗氧化性能[7]等。影響涂層質(zhì)量的因素很多，包括激光功率，掃描速度，送粉量，光斑直徑等[8-9]。本文主要研究掃描速度對熔覆層性能的影響情況。

1 熔覆材料與性能測試

零件基材為2Cr13不銹鋼，由于該柱塞工作條件中有柱塞與泵體的摩擦磨損作用，另外也存在壓力水對柱塞的沖刷腐蝕作用，選擇熔覆材料時(shí)需要考慮耐磨性和耐蝕性兩方面的要求，所以本次試驗(yàn)熔覆材料選擇優(yōu)良的耐磨性、耐蝕性的Ni60合金粉末，該粉末的成分如表1所示，粉末粒度40-80μm。

采用laserline LDM2.000-60光纖激光器，同軸式送粉，在課題組大量試驗(yàn)的前提下，選擇激光功率為1500W，選擇300mm/min，450mm/min，600mm/min三種不同掃描速度，探究了掃描速度對熔覆層性能的影響。采用普通光學(xué)顯微鏡和NOVA NANOSEM 450型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）對涂層的微觀組織進(jìn)行分析，采用HT-1000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在室溫、無潤滑試驗(yàn)時(shí)在試樣表面加載200g，對磨材料選擇GCr15條件下對熔覆層進(jìn)行了60min的滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)，研究了涂層的耐磨性。試驗(yàn)方案如表2所示。

2 結(jié)果分析

2.1 顯微組織分析

如圖2所示當(dāng)激光功率為1500W時(shí)不同掃描速度小熔覆層的宏觀組織，從圖中可以看出，當(dāng)掃描速度為300mm/min時(shí)，由于掃描速度較低，熔覆層吸收的能量多，熔池吸收的熱量更多，熔池吸收的氣體更多，導(dǎo)致熔覆層組織不夠致密，如圖2（a）所示，同時(shí)，熔覆層出現(xiàn)了非常嚴(yán)重的裂紋，裂紋貫穿了整個(gè)熔覆層，這對零件修復(fù)質(zhì)量是非常不利的。隨著掃描速度逐漸增大，熔覆層質(zhì)量都相對比較好。

如圖3所示是1500W時(shí)不同掃描速度下熔覆層與基體界面處的顯微組織，從圖中可以看出，在300mm/min時(shí)熔覆層組織主要是粗大的樹枝晶組織由于在熔覆過程中后道熔覆層對前道熔覆層的反復(fù)的熱循環(huán)，使該區(qū)域液相保溫時(shí)間相對增加，為晶粒的不斷長大提供了有利的條件，使得熔覆層中晶粒非常粗大，甚至直接從液相中析出粗大的一次枝晶。隨著掃描速度增大，在450mm/min時(shí)顯示為比較細(xì)的樹枝晶組織，而當(dāng)掃描速度增大到600mm/min時(shí)可以看出，組織中主要是以胞狀組織為主，這也主要是由于熔覆層吸收熱量不同引起的。

如圖4所示是1500W時(shí)不同掃描速度下熔覆層中部的顯微組織，從圖中可以更加明顯地看出，300mm/min時(shí)其組織為粗大的樹枝晶組織，450mm/min時(shí)樹枝晶組織稍微細(xì)化，而當(dāng)掃描速度達(dá)到600mm/min時(shí)組織主要是胞狀組織。

圖5是熔覆層能譜分析結(jié)果，圖5（a）為掃描速度為300mm/min時(shí)能譜分析結(jié)果，從分析結(jié)果可以看出，當(dāng)掃描速度比較低時(shí)，枝晶處含有較高含量的Cr、Fe、Ni、B元素，由于這些元素基本都是一些硬質(zhì)相形成元素，可以判斷這些元素對于提高熔覆層的硬度和耐磨性能是非常有利的。圖5（b）為掃描速度為600mm/min時(shí)針對胞狀組織的中心部位和邊緣部位做的能譜分析，可以看出，在胞狀組織中心部位，主要含有C、Cr、Fe三種元素，而邊緣部位含有相對較多的B、C、Cr、Fe，可以看出兩個(gè)部位主要區(qū)別是B元素，說明B元素主要出現(xiàn)在胞狀組織邊緣部位，其他幾種元素的差別不很大，這樣的元素組成對于改善表面硬度具有非常重要的意義。另外，在兩個(gè)部位都含有少量的O元素，說明在熔覆層形成過程中，由于受到空氣侵蝕，導(dǎo)致輕微氧化。

2.2 硬度及耐磨性分析

如圖6所示為三種掃描速度下熔覆層的顯微硬度測量結(jié)果，可以看出，在掃描速度為300mm/min時(shí)的硬度明顯高于另外兩種掃描速度，高于基體3倍多，這是由于在掃描速度較低時(shí)，熔覆層吸收的能量更多，使熔池有足夠的時(shí)間形成一些硬質(zhì)相，比如Cr、C、B等的化合物來提高表面硬度，隨著掃描速度的提高，硬度逐漸減小，也是由于沒有足夠時(shí)間發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致表面硬度降低，但是與基體硬度相比，提高了2倍多。如圖7所示為三種條件下熔覆層摩擦系數(shù)的對比情況，從圖中可以看出三種情況下磨合期都比較短，大概5分鐘左右，熔覆層的摩擦系數(shù)在300mm/min時(shí)比較穩(wěn)定，平均值為1.388，在600mm/min時(shí)上下波動(dòng)就比較大，但平均值在1.265左右，在450mm/min時(shí)可以看出，摩擦系數(shù)上下波動(dòng)非常嚴(yán)重，這種情況考慮主要是由于樣品表面粗糙度太大引起的，摩擦系數(shù)平均值為0.797，可以看出在450mm/min時(shí)摩擦系數(shù)最小，對于柱塞來說是有利的。

3 結(jié)論

采用激光熔覆針對柱塞表面磨損、沖蝕失效進(jìn)行了修復(fù)，通過大量工藝試驗(yàn)，確定了掃描速度為450mm/min，1500W為相對最佳工藝，分析結(jié)論如下：

①掃描速度較小時(shí)由于熔覆層吸收的熱量更多，形成了粗大的樹枝晶組織，并且隨著掃描速度增大樹枝晶組織不斷細(xì)化，到600mm/min時(shí)組織為胞狀組織。

②EDS結(jié)果表明樹枝晶中含有較好含量的Cr、Fe、Ni、B元素，這些元素對于提高表面硬度和耐磨性是非常有利的。

③通過硬度分析樹枝晶組織硬度更高，隨著掃描速度增大，硬度減小，胞狀組織的硬度最低。

④摩擦系數(shù)結(jié)果表明450mm/min時(shí)，摩擦系數(shù)最小，平均值為0.797。

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