激光熔覆制備Stellite6涂層的組織與性能

王招陽(yáng),林 健,雷永平,符寒光,魏雁銳

(北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100124)

1 引 言

2Cr13馬氏體不銹鋼因其性能優(yōu)良而被作為汽輪機(jī)葉片的主要材料[1-3]。汽輪機(jī)葉片在工作中由于經(jīng)常會(huì)受到蒸汽飽和匯聚的小水滴的沖擊,使得葉片邊緣產(chǎn)生微小的裂紋,進(jìn)而引起疲勞斷裂[4-5],因此對(duì)于葉片的防護(hù)顯得尤為重要。相對(duì)于釬焊、熱噴涂等工藝來(lái)說(shuō),激光熔覆具有加熱和冷卻速度快、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和冶金結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于材料的表面處理領(lǐng)域[6-8]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于激光熔覆技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了一些研究,J.del Val等[9]使用側(cè)向送粉技術(shù),在304不銹鋼表面進(jìn)行激光熔覆鈷基合金,研究了激光功率和掃描速度對(duì)于熔覆層的高度和寬度的影響；Sayeed M等[10]研究了La2O3和CeO2等稀土元素對(duì)于40 %Ni-60 %WC涂層組織和性能的影響,發(fā)現(xiàn)添加適量的La2O3和CeO2等元素可以提高40 %Ni-60 %WC涂層的硬度和耐腐蝕性；Janicki等[11]利用激光熔覆技術(shù),通過(guò)向Ni625中添加增強(qiáng)顆粒Cr3C2制備出Cr3C2/Ni基復(fù)合涂層,明顯提高了Ni625熔覆層的抗沖蝕性能；楊鵬聰?shù)萚12]在球磨鑄鐵表面激光熔覆鐵基粉末,研究了不同掃描速度對(duì)熔覆層中馬氏體與殘余奧氏體含量的影響,進(jìn)而通過(guò)控制掃描速度來(lái)控制熔覆層的組織和硬度；徐鵬等[13]在45鋼表面制備了表面平整和內(nèi)部無(wú)缺陷的304不銹鋼涂層,研究了掃描速度對(duì)304涂層尺寸及稀釋率的影響。

由于汽輪機(jī)葉片的工作環(huán)境惡劣,容易導(dǎo)致葉片產(chǎn)生裂紋,因此在葉片使用前的防護(hù)工作顯得極其重要。在汽輪機(jī)葉片(2Cr13馬氏體不銹鋼)上熔覆耐磨、耐蝕和耐高溫氧化性優(yōu)良的Stellite6合金可避免葉片表面產(chǎn)生裂紋,從而提高葉片的使用壽命[14-15]。目前對(duì)于利用激光熔覆技術(shù)防護(hù)汽輪機(jī)葉片的研究較少。因此,本文在2Cr13不銹鋼基板上激光熔覆Stellite6合金,研究了工藝參數(shù)對(duì)熔覆層宏觀形貌的影響,分析了熔覆層的組織和顯微硬度,為葉片的防護(hù)工作提供了一種有效的手段。

2 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用光斑尺寸為5 mm×5 mm的YLS-6000型激光器進(jìn)行激光熔覆實(shí)驗(yàn),基板材料為固溶處理態(tài)的2Cr13不銹鋼,幾何尺寸為150 mm×120 mm×12 mm,熔覆材料為Stellite6鈷基合金粉末,粉末粒徑為45～105 μm,化學(xué)成分見表1。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前將基板打磨并用乙醇擦洗以去除表面油污。將Stellite6粉末置于干燥箱內(nèi)2 h,去除結(jié)晶水。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用99.99 %的高純氬氣進(jìn)行保護(hù)。激光熔覆試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

表1 Stellite6合金粉末的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

垂直熔覆方向取試樣的橫截面進(jìn)行觀察:將試樣線切割為10 mm×10 mm×12 mm的方塊,磨拋后采用王水腐蝕。利用BX51M光學(xué)顯微鏡和SU1510掃描電子顯微鏡觀察熔覆層的組織。利用BFB指示儀測(cè)量不同搭接率下熔覆層的厚度。利用THV-1MD顯微硬度計(jì)在載荷為200g,加載時(shí)間為10 s的參數(shù)下對(duì)熔覆層試樣橫截面沿橫向和縱向進(jìn)行顯微硬度測(cè)試。

圖1 激光熔覆試驗(yàn)平臺(tái)

3 結(jié)果與分析

3.1 工藝參數(shù)對(duì)熔覆層宏觀形貌的影響

圖2表示激光功率對(duì)熔覆層宏觀形貌的影響。由圖2可知:隨著激光功率增大,Stellite6熔覆層的高度先增大后減小,寬度增大。這是因?yàn)闊彷斎氲脑黾硬粌H會(huì)造成熔池的深度和面積增加,而且會(huì)造成粉末的熔化量增加。當(dāng)激光功率的增加引起的粉末熔化的增加量大于熔池深度和面積的增加量時(shí),熔覆層的高度增加,反之熔覆層的高度減小。圖3表示掃描速度對(duì)熔覆層宏觀形貌的影響。由圖可知:隨著掃描速度增大,熔覆層的高度和寬度均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),這是由于激光器的運(yùn)動(dòng)速度越快,單位面積內(nèi)激光的熱輸入越小,接受熱輸入熔化的粉末相應(yīng)也會(huì)變少,所以熔覆層的高度和寬度都會(huì)降低。圖4表示送粉速率對(duì)熔覆層宏觀形貌的影響。由圖4可知:隨著送粉速率的增加,熔覆層的高度增加,寬度變化不大。在激光功率和掃描速度不變的情況,單位面積內(nèi)的熱輸入一定,熔池的寬度不會(huì)發(fā)生變化,所以熔覆層寬度變化不大,但是送粉率的增加就會(huì)造成更多的粉末熔化從而造成熔覆層的高度上升。

圖2 激光功率對(duì)熔覆層高度和寬度的影響

圖3 掃描速度對(duì)熔覆層高度和寬度的影響

圖4 送粉速率對(duì)熔覆層高度和寬度的影響

3.2 搭接率對(duì)熔覆層宏觀形貌的影響

在激光功率為2.5 kW,掃描速度為5 mm/s,送粉速率為13.2 g/min時(shí),選取搭接率分別為33 %、38 %、43 %、50 %進(jìn)行單層多道實(shí)驗(yàn)。圖5表示利用指示儀測(cè)量的熔覆層的厚度起伏結(jié)果。由圖可知:在38 %的搭接率下,熔覆層厚度約為0.4 mm,熔覆層表面起伏范圍最小(0.1 mm以內(nèi)),因此在搭接率為38 %時(shí)可獲得宏觀形貌最好的熔覆層。

圖5 不同搭接率下熔覆層表面厚度的變化

3.3 多層熔覆試樣的顯微組織

在激光功率為2.5 kW,掃描速度為5 mm/s,送粉速率為13.2 g/min,搭接率為38 %的條件下,研究了多道多層熔覆層不同區(qū)域的顯微組織。圖6表示熔覆層不同區(qū)域的示意圖,可分為一次熔化區(qū)、道間重熔區(qū)和層間重熔區(qū)三部分。一次熔化區(qū)組織為金屬粉末在激光束的照射下熔覆在基材表面且并未發(fā)生二次重熔的組織；道間重熔區(qū)組織為上一道一次熔化區(qū)的組織在第二道熔覆時(shí),由于激光照射而形成的重熔組織；層間重熔區(qū)組織為上一層一次熔化區(qū)的組織在第二層熔覆時(shí),由于激光照射而形成的重熔組織。熔覆層由這三個(gè)特征組織區(qū)周期性排列而成。

圖6 熔覆層示意圖

圖7(a)表示一次熔化區(qū)的組織,由圖可知:一次熔化區(qū)的組織由胞狀晶和樹枝晶組成。形成胞狀晶是因?yàn)樵诩す馊鄹策^(guò)程中,熔池中的熔融金屬通過(guò)已沉積的Stellite合金之間的無(wú)界面快速熱傳導(dǎo)而迅速冷卻和定向凝固,并以外延生長(zhǎng)的形式形成具有顯著非平衡快速凝固組織特征的胞狀晶組織[16]。隨著結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)行,界面前沿的溫度梯度減小和凝固速率增大,從而引起溫度梯度G與凝固速率R的比值減小,導(dǎo)致凝固組織由胞狀晶組織變成樹枝晶組織[17]。

圖7(b)表示道間重熔區(qū)的微觀組織形貌,圖7(c)表示層間重熔區(qū)的微觀組織形貌。由圖可以看出:涂層的道間重熔區(qū)寬度約為128 μm,層間重熔區(qū)寬度約為123 μm,且由于已經(jīng)凝固的金屬受到激光的二次照射的影響,引起道間重熔區(qū)和層間重熔區(qū)的顯微組織明顯粗大。

圖8(a)表示道間和層間停留均為0 s時(shí)的熔覆層的微觀組織形貌,圖8(b)表示道間停留時(shí)間為60 s、層間停留時(shí)間為300 s時(shí)的熔覆層微觀組織形貌。由圖8可知:通過(guò)增加道間和層間停留時(shí)間(道間停留時(shí)間為60 s,層間停留時(shí)間為300 s),可顯著降低激光熔覆過(guò)程中的熱積累,從而使一次熔化區(qū)(細(xì)晶區(qū))的占比由54.9 %顯著提高至73.1 %,進(jìn)而可提升熔覆層的力學(xué)性能。

3.4 Stellite6合金涂層的顯微硬度

圖9(a)表示在相同的工藝條件下,當(dāng)?shù)篱g和層間停留時(shí)間均為0 s時(shí),多層熔覆層沿橫向的硬度分布結(jié)果。由圖可知:在道間重熔區(qū)出現(xiàn)硬度值下降的現(xiàn)象,其原因是激光的二次照射導(dǎo)致重熔區(qū)晶粒受熱長(zhǎng)大,組織發(fā)生粗化(如圖7(b)所示)。同理,在層間重熔區(qū)同樣出現(xiàn)硬度值周期性下降的現(xiàn)象,試樣沿縱向的硬度分布結(jié)果如圖9(b)所示。

圖9(c)表示在道間停留時(shí)間和層間停留時(shí)間分別為60 s和300 s時(shí),熔覆層試樣沿縱向的硬度分布結(jié)果。結(jié)合上述分析可知:通過(guò)在熔覆過(guò)程中引入冷卻時(shí)間(道間停留時(shí)間和層間停留時(shí)間),可明顯增加熔覆層中細(xì)晶區(qū)的組織占比(如圖8所示),從而改善熔覆層的顯微組織,提升其力學(xué)性能。

4 結(jié) 論

本文研究了2Cr13基體表面激光熔覆Stellite6合金涂層的宏觀形貌、微觀組織和顯微硬度,得到的結(jié)論如下所述:

(1)隨著激光功率的增加,熔覆層的高度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),寬度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；隨著掃描速度的增加,熔覆層的高度和寬度均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)；隨著送粉速率的增大,熔覆層高度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),寬度變化不明顯。

(2)Stellite6熔覆層主要由一次熔化區(qū)、道間重熔區(qū)和層間重熔區(qū)組成。熔覆層組織主要由胞狀晶與樹枝晶組成,重熔區(qū)的組織由于受到激光的二次加熱而使晶粒發(fā)生粗化,與一次熔化區(qū)的組織之間有明顯的界線。

(3)二次重熔使層間重熔區(qū)和道間重熔區(qū)出現(xiàn)硬度值下降。通過(guò)增加停留時(shí)間(道間停留時(shí)間為60 s,層間停留時(shí)間為300 s),可使一次熔化區(qū)占比顯著提高,從而改善熔覆層的顯微組織,提升其力學(xué)性能。