合金鋼超高速激光熔覆鐵基涂層工藝

孫昊鵬

一、實驗材料及方法

（一）實驗材料

本試驗采用27SiMn輥作為基體材料，直徑為53mm、長度為800mm。

釆用的熔覆粉末為含Cr量很高的431不銹鋼粉末，粉末通過等離子旋轉(zhuǎn)極法制備，粉末顆粒度在25～45um之間。

（二）實驗方法與步驟

1.材料準備

采用磨床將輥表面銹跡磨光，為了提高不銹鋼粉末與基體的冶金效果，所以基體表面盡可能光滑。熔覆前用酒精對基體試樣進行擦拭，以除去表面的油污。

熔覆材料采用431不銹鋼粉末。試驗前將粉末放在烘干爐中干燥，除去其中的水分且保溫溫度為110℃，保溫時間為2小時。

2.試樣處理

將激光熔覆試驗后的27SiMn輥，用線切割將改鋼板切成大約8mm8mm12mm的立方鋼塊，利用金相鑲嵌機對試樣進行鑲嵌。采用金相磨拋機分別使用400目、600目、800目、1000目的水砂紙對試樣進行處理，最后通過拋光和腐蝕之后對試樣進行金相觀察等分析。本試驗采用的腐蝕液為4%硝酸酒精溶液。

3.試樣分析

（1）微觀組織分析：利用電子顯微鏡觀察分析試樣橫截面的顯微組織和表面形貌，并觀察其有無缺陷。

（2）性能分析：采用HVS-100型顯微硬度計。對涂層、熱影響區(qū)、基體進行硬度測試;應(yīng)用鹽霧試驗箱測定涂層的耐蝕性，試驗溶液配置為：溶解試劑氯化鈉于水中，調(diào)配成濃度為5%的鹽水液，鹽水液的PH值應(yīng)在6-7之間。并以冰醋酸調(diào)整溶液的酸堿值，使其腐蝕液的PH值為3.0-3.2。

二、工藝參數(shù)對涂層樣貌的影響

（一）激光功率對涂層樣貌的影響

激光功率是影響激光熔覆層質(zhì)量的最關(guān)鍵的因素，也是發(fā)揮激光熔覆的優(yōu)勢所在。對于一定厚度的涂層，功率過小，會造成涂層熔化不完全、表面不平整，功率過大則會造成合金粉末過燒、有氣孔、表面褶皺、熔覆深度深、稀釋率大等問題。

采用控制變量的方法，線速度20m/min、送粉速度4r、搭接率50%為保持不變，激光功率分別為2500W、3000以及3500W，通過實驗發(fā)現(xiàn)功率為2500W時功率明顯不足，粉末未完全融化，功率為3000W時粉末完全融化，成型平整，無缺陷，當功率增加至3500W時，粉末過燒，造成熔覆層表面褶皺。

（二）搭接率對涂層樣貌的影響

在使用超高速激光熔覆進行表面熔覆過程中，由于受到光斑尺寸、激光功率等方面的影響，單道熔覆層的寬度尺寸有限，因此對大面積的激光熔覆時就需要進行多道搭接才能夠滿足熔覆層形貌及組織性能的需要。在實際生產(chǎn)中，小的搭接率可以提高工作效率，但是不同的搭接將直接影響成形表面的平整度，是實現(xiàn)激光熔覆大面積成形的關(guān)鍵工藝之一。當搭接率偏小時，兩個單道熔覆層之間會出現(xiàn)一定的凹陷?？梢钥闯霎敶罱勇势髸r，會造成相鄰兩個熔覆道的高度差，出現(xiàn)搭接區(qū)的凸出。若是在偏高或者偏低的搭接率下進行大面積的熔覆，就會造成熔覆表面粗糙度較大，只有在搭接率適中的情況下，才能得到表面平整的熔覆層。

（三）線速度對涂層樣貌的影響

線速度也會影響激光熔覆層的成形。當其它工藝參數(shù)一定時，線速度過小有可能會造成魚鱗紋明顯，甚至造成工件過熱、過燒，當線速度過大時，由于激光與合金粉末以及基材的作用時間變短，稀釋率降低、潤濕性差，嚴重時會造成粉末成球狀聚合，不能達到有效的冶金結(jié)合。

（四）保護氣對涂層樣貌的影響

保護氣（Ar氣）也會影響激光熔覆層的成形。它工藝參數(shù)一定時，保護氣流量小有可能會造成涂層表面發(fā)黑，存在氣孔等現(xiàn)象，當保護氣體流量逐漸增加，涂層成型會逐漸變白，但其也不能過大，過大會導(dǎo)致熔池被吹散，造成涂層的不平整。

（五）工藝參數(shù)的確定

參照實際生產(chǎn)涂層厚度的要求，以及初期的探索性試驗，得到了三種表面成型平整，且無缺陷的熔覆層，初步確定了三種不同的工藝參數(shù)，依次將其編號為A、B、C，A為激光功率2500W、線速度15m/min、送粉速度為2r/min、搭接率60%、保護氣8L的涂層表面， B為激光功率3500W、線速度25m/min、送粉速度4r/min、搭接率50%、保護氣10L的涂層表面， C為激光功率4500W、線速度35m/min、送粉速度6r/min、搭接率40%、保護氣12L的涂層表面。厚度均為0.5mm。

三、涂層性能測試

（一）酸性鹽霧測試

鹽霧試驗是一種主要利用鹽霧試驗設(shè)備所創(chuàng)造的人工模擬鹽霧環(huán)境條件來考核產(chǎn)品或金屬材料耐腐蝕性能的環(huán)境試驗。根據(jù)PH值，溫度，濕度對鹽霧的影響，鹽霧試驗可以分為：中性鹽霧試驗，醋酸鹽霧試驗，銅鹽加速醋酸鹽霧試驗。本文采用的醋酸鹽霧試驗（ASS試驗）是在中性鹽霧試驗的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它是在5%氯化鈉溶液中加入一些冰醋酸，使溶液的PH值降為3左右，溶液變成酸性，最后形成的鹽霧也由中性鹽霧變成酸性。它的腐蝕速度要比NSS試驗快3倍左右。

考慮涂層工程實踐中的應(yīng)用，涂層要耐的住長時間環(huán)境的腐蝕，因此涂層的厚度將是影響涂層耐蝕性能的一個重要因素，故進行酸性鹽霧腐蝕試驗。

（一）涂層組織分析

1.單層多道組織

根據(jù)鹽霧試驗結(jié)果，經(jīng)過鑲嵌、打磨、拋光以及腐蝕后觀察到的涂層組織，通過超高速激光熔覆工藝得到的超高速激光熔覆熔覆層截面的金相顯微組織，熔覆層截面上存在著三個明顯的區(qū)域，即熔覆層、熱影響區(qū)和基體。激光熔覆過程中，熔池在不同位置由于凝固條件的不同而形成了不同的組織結(jié)構(gòu)形態(tài)。涂層的微觀組織主要是由細長枝晶組成，由于該過程是一個高梯度、高速度的凝固過程，因而其組織致密、均勻。

超高速激光熔覆涂層物相為α-Fe，涂層組織由鐵素體組成。涂層界面結(jié)合處組織為平面晶。中部搭接處組織為生長方向一致的樹枝晶，具有連續(xù)外延生長的特性，存在明顯的搭接分層現(xiàn)象，在搭接處的枝晶組織略有粗化。頂部組織為大小均勻的，成長方向明顯一致的細小的樹枝狀晶體。

2.單層多道底部結(jié)合面組織

熔覆層與基體間的結(jié)合界面組織形態(tài)，它是各種工藝參數(shù)綜合作用的結(jié)果。激光熔覆過程中，工藝參數(shù)的不同、激光功率分布的不均勻性、基材表面晶粒取向不同、各晶粒的熔化程度不同以及激光熔池內(nèi)存在的對流攪拌作用， 導(dǎo)致界面組織形態(tài)也不一樣。界面結(jié)合處的組織形態(tài)是延基體生長的一層平面晶。

同時可以發(fā)現(xiàn)，近界面結(jié)合處組織呈現(xiàn)不同的生長狀態(tài)，與基體結(jié)合處的組織生長紊亂且粗大，但在距基體最近的一道組織生長方向比較一致。產(chǎn)生這種現(xiàn)象是由于超高速激光熔覆單層兩道搭接熔覆示意圖，單層多道類似。橫向搭接時，第一道熔覆時以27SiMn為基體，當熔覆第二道，第二道的熔池一部分為產(chǎn)生于是前一道熔覆層，前一道組織發(fā)生了局部重熔，另一部分為原始的27SiMn基體，由于“基體”發(fā)生了改變，使得組織呈現(xiàn)不同的現(xiàn)象。

（三）涂層硬度測試

顯微硬度是評價涂層性能的重要指標之一，通過對比不同工藝參數(shù)下涂層的顯微硬度分布，可以對涂層的機械性能作出一定的評價和預(yù)測。

（四）涂層稀釋率

稀釋率是指在激光熔覆過程中，由于熔化基體的混入而引起的熔覆合金成分的變化程度。由于超高速激光熔覆冷卻以及凝固的速度很快，熱輸入量低，因此基體稀釋率很低。涂層與基體的界面結(jié)合平整，稀釋率極低。