激光熔覆FeNiCrBSi系列多組元合金粉末的液壓支架立柱

田洪芳，杜學(xué)蕓，郎坤，澹臺凡亮，王偉

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

0 引言

液壓支架在綜采工作面起到支護(hù)、推移作用，其中支護(hù)主要的承載部件是立柱[1]，屬于重載零部件。為了提升立柱的服役性能，近年來激光熔覆液壓支架立柱獲得了大力推廣，業(yè)內(nèi)主要對立柱表面進(jìn)行激光熔覆強(qiáng)化和再制造[2-6]。激光熔覆液壓支架不銹鋼立柱是利用高能密度的激光束快速加熱熔化特性，使立柱表層與不銹鋼合金粉末材料熔化結(jié)合，形成冶金結(jié)合的高性能涂層而獲得的強(qiáng)化立柱。熔覆層耐腐蝕、耐磨、耐沖擊和表面硬度性能參數(shù)，可根據(jù)立柱工作條件，通過調(diào)整冶金粉末元素含量及激光器參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，適應(yīng)各種酸堿水質(zhì)環(huán)境，有效提高液壓支架穩(wěn)定系數(shù)，消除密封件漏液、串液現(xiàn)象。

為進(jìn)一步提升激光熔覆液壓支架立柱的重載服役性能降低生產(chǎn)成本，本文采用2種新型多組元合金粉末進(jìn)行液壓支架立柱的激光熔覆，該合金粉末針對重載、摩擦磨損、腐蝕等嚴(yán)苛環(huán)境服役的大中型零部件熔覆專門研制，通過工藝熔覆試驗及性能檢測篩選合適的激光熔覆工藝，以期望獲得更高性價比的液壓支架立柱產(chǎn)品，為在重載、耐磨耐蝕環(huán)境下使用的大中型零部件熔覆涂層服役性能提升提供有效技術(shù)參考。

1 實驗材料及方法

實驗用基材為液壓支架立柱母材27SiMn，其化學(xué)成分如表1所示。熔覆粉末為多組元合金粉末FeNiCrBSi-A、FeNiCrBSi-B，粒度為-100～+270目。

表1 27SiMn的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）Table1 Composition of 27SiMn (mass fraction %)

使用蔡司EVO-10MA電子顯微鏡及牛津能譜儀對FeNiCrBSi-A、FeNiCrBSi-B粉末顆粒進(jìn)行微區(qū)成分檢測；采用8000W激光加工系統(tǒng)，光斑大小為14×3mm，對母材為27SiMn的液壓支架立柱進(jìn)行多道激光熔覆處理，搭接率為50%，熔覆厚度均為1.0-1.5mm，線速度8mm/s；

熔覆表面經(jīng)機(jī)械加工后使用D199PHT-3500便攜式硬度計進(jìn)行表面硬度檢測，截取弧面試樣Φ140×120mm進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)銅離子加速乙酸鹽霧試驗（試驗箱溫度35±2℃，飽和箱溫度50±2℃，鹽霧沉降率1.2ml/80cm2·h）。沿垂直于掃描方向線切取10 mm×10 mm×10 mm試塊，經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，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)；分別使用PT探傷及掃描電鏡進(jìn)行熔覆層缺陷檢驗；采用M-2000型摩擦磨損試驗機(jī)行摩擦磨損實驗，載荷300N，磨損時間1h。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉末顆粒形貌及微區(qū)成分

圖1 合金粉末表面形貌及微區(qū)成分檢測：(a) FeNiCrBSi-A粉末；(b) FeNiCrBSi-B粉末Fig.1 The surface morphologies and microzone composition detection:(a) FeNiCrBSi-A alloy powder,(b) FeNiCrBSi-B alloy powder

表2 合金粉末關(guān)鍵元素的組分(wt%)Table2 The composition of key elements of alloy powders

由表2關(guān)鍵元素成分半定量檢測結(jié)果可見，F(xiàn)eNiCrBSi-A、FeNiCrBSi-B合金粉末關(guān)鍵元素分類一致，從成分配比上考慮，與激光熔覆不銹鋼立柱現(xiàn)用合金粉末相比，本次所用合金粉末 FeNiCrBSi-A、FeNiCrBSi-B均降低 了 Ni、B和Si元素含量,Si作為易燒損元素，含量降低可減少熔覆層夾雜，從而在一定程度上提高熔覆層強(qiáng)韌性，且添加一定量的Mo元素，有利于提高熔覆層的延展性及韌性。同時，依靠較大比例的廉價元素Cr提高熔覆層的耐腐蝕性，同時添加一些強(qiáng)碳化物形成元素抑制Cr元素的消耗[7]。FeNiCrBSi-A 中關(guān)鍵元素Cr、Ni、Mo、Si等相對含量較FeNiCrBSi-B稍高，但與FeNiCrBSi-B各元素相比較而言分布不均勻，如圖1所示，F(xiàn)eNiCrBSi-B粉末顆粒表面吸附較多，而且白色產(chǎn)物比較多。

2.2 熔覆成形及硬度檢測

使用8000W激光加工系統(tǒng)對液壓支架立柱用材27SiMn的管材件進(jìn)行大功率激光熔覆工藝試驗，2種粉末的熔覆過程中送粉流暢，熔覆表面較為平整。但FeNiCrBSi-A粉末煙塵較大。

采用YS/T 541-2006 金屬熱噴涂層表面洛氏硬度試驗方法進(jìn)行熔覆層的硬度檢測，樣件表面硬度值如表3所示，較液壓支架立柱基體硬度24HRC提升約2.5倍，符合液壓支架立柱的使用需求，有利于立柱耐磨性能的提升，進(jìn)一步促進(jìn)支架系統(tǒng)的整體服役壽命延長。

表3 合金粉末熔覆試樣表面硬度(HRC)Table3 The surface hardness of cladding sample of Alloy powder (HRC)

2.3 中性鹽霧試驗

經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)銅離子加速乙酸鹽霧試驗，效果如圖2所示，連續(xù)噴霧16h后FeNiCrBSi-A、FeNiCrBSi-B試樣熔覆層表面均出現(xiàn)腐蝕痕跡，連續(xù)噴霧48h后FeNiCrBSi-A試樣熔覆層表面腐蝕痕跡明顯發(fā)展，F(xiàn)eNiCrBSi-B試樣熔覆層表面銹蝕無顯著變化。而且A結(jié)合表1的合金粉末成分分析認(rèn)為，F(xiàn)eNiCrBSi-A合金粉末元素分布不均勻，在激光熔覆的高溫條件下Cr、Si元素可促使金屬表面生成氧化膜，但是元素偏析給微小原電池的形成創(chuàng)造條件，一旦鈍化膜層被撕裂則腐蝕加速發(fā)展，恰好成為鈍化薄弱點(diǎn)。相比較而言，F(xiàn)eNiCrBSi-B粉末關(guān)鍵元素分布較為均勻，形成的鈍化膜可有效提升整體的抗氧化性和抗高溫氣體腐蝕性。

圖2 銅加速乙酸鹽霧試驗結(jié)果：(a) FeNiCrBSi-A 16h；(b) FeNiCrBSi-A 48h；(c) FeNiCrBSi-B 16h；(d) FeNiCrBSi-B 48hFig.2 The results of copper accelerated acetic acid salt spray test: (a)Sample FeNiCrBSi-A for 16 hours,(b) Sample FeNiCrBSi-A for 48 hours,(c)Sample FeNiCrBSi-B for 16 hours,(d)Sample FeNiCrBSi-B for 48 hours

2.4 熔覆層組織及缺陷檢測

經(jīng)上述鹽霧試驗篩選FeNiCrBSi-B合金粉末做進(jìn)一步分析，如圖3所示為8000W熔覆FeNiCrBSi-B合金粉末的熔覆層剖面圖。由圖可見，熔覆層自表面至基體附近組織均勻，圖3(a)顯示熔覆層與基體之間的結(jié)合界面為清晰的冶金白亮帶，熔覆層與基體形成良好的冶金結(jié)合。靠近基體處熔覆層組織較為短小，由于基體的導(dǎo)熱作用，最底層生成組織為平面晶。隨著熔覆厚度的增加，組織沿著熱量散失的方向生長成枝狀晶[8]，且中、上部組織差異較小。主要組織結(jié)構(gòu)為馬氏體及少量殘余奧氏體。結(jié)合表3的硬度檢測結(jié)果分析，熔覆層的主要組織為馬氏體決定了熔覆層的高硬度特點(diǎn)，Cr元素是貢獻(xiàn)硬度、耐蝕、耐磨性能的關(guān)鍵元素，也是強(qiáng)碳化物形成元素，隨著C含量及熔覆溫度的增加Cr會大量聚集[7]，可以提升熔覆層的硬度，降低耐腐蝕性能，且高能量密度下，熔池存在時間越長生成的碳化物越多，在保證熔覆層成形的前提下，獲得穩(wěn)定的硬度表征能形成細(xì)小彌散的碳化物，賦予熔覆層良好的強(qiáng)度，均有利于熔覆層硬度的提升。

圖3 熔覆層剖面：(a)熔覆層靠近基體處；(b)熔覆層中上部Fig.3 Cladding layer profile: (a)Cladding layer closed to the substrate,(b)The upper part of the cladding layer

圖4(a)所示為8000W熔覆FeNiCrBSi-B合金粉末的剖面圖，可見熔覆層厚度大于2mm，且熔覆層自表面至基體附近均未見明顯砂眼、裂紋缺陷。圖4(b)為采用PT探傷進(jìn)行的FeNiCrBSi-B合金粉末熔覆表面缺陷檢測，多段熔覆試樣均未見砂眼、裂紋缺陷。

圖4 B熔覆試樣缺陷檢測：(a)剖面；(b)表面PT探傷Fig.4 The defect detection of cladding sample B: (a)The section,(b)The PT inspection on cladding surface

2.5 摩擦磨損試驗

磨損失重量及摩擦系數(shù)統(tǒng)計如表3，F(xiàn)eNiCrBSi-A合金粉末的熔覆層摩擦系數(shù)及磨損失重量較FeNiCrBSi-B小。但與基體相比較，二者均顯著提升了耐磨性。合金粉末中均含Si、B等具有強(qiáng)烈脫氧和造渣能力的合金元素，可優(yōu)先與涂層材料中的氧和基體表面的氧化物反應(yīng)生成低熔點(diǎn)的硼硅酸鹽等漂浮在熔池表面，從而減少熔覆層的含氧量和夾渣，提高基體與涂層的潤濕性和工藝成型性能。而Cr、W、V、B均能形成硬質(zhì)顆粒相，提升熔覆層的整體耐磨性。尤其是在合金粉末潤濕性良好的情況下，熔覆層表面摩擦系數(shù)可獲得有效降低。

表3 摩擦磨損試驗結(jié)果Table3 The results of friction and wear test

3 結(jié)論

研究了兩種新型激光熔覆FeNiCrBSi系列多組元合金粉末及其熔覆層性能。對比發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eNiCrBSi-B粉末關(guān)鍵元素分布較為均勻，顆粒球形度較好，且表面光潔；合金粉末FeNiCrBSi-A、FeNiCrBSi-B熔覆層硬度分別為HRC 57.0、HRC 52.6；經(jīng)鹽霧試驗發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eNiCrBSi-B合金粉末具備優(yōu)異的耐腐蝕性；經(jīng)熔覆試樣顯微形貌檢測及PT探傷發(fā)現(xiàn)， FeNiCrBSi-B合金粉末的8000W激光熔覆試樣未見明顯熔覆缺陷；摩擦磨損試驗表明，兩種合金粉末均能有效提升基體的耐磨性能。綜上所述，采用合金粉末FeNiCrBSi-B可獲得性能優(yōu)異的激光熔覆液壓支架立柱。