激光功率對(duì)激光熔覆FeCrBSi 合金組織和性能的影響

姜嫄嫄，張志遠(yuǎn)，皮自強(qiáng)，杜開平，陳星，鄭兆然

（1. 中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，株洲 412002；2. 礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160）

0 引言

大多數(shù)機(jī)械部件的失效是由于腐蝕、磨損、侵蝕等造成的。為提高機(jī)械部件的服役壽命，常用熱噴涂或者堆焊等表面改性手段來提高其耐磨、耐腐蝕等性能[1,2]。但常用的表面改性手段也都難以避免存在其各自的局限性，如熱噴涂涂層與基體間結(jié)合力較弱，堆焊熱影響太大易導(dǎo)致工件變形等[3]。激光熔覆技術(shù)是在高能激光束的作用下將熔覆材料和基體表面同時(shí)熔化，得到與基體呈冶金結(jié)合的熔覆層，從而顯著改善基體表面力學(xué)性能、物理性能和冶金性能的一種表面改性方法[4-7]。激光熔覆技術(shù)具有較高的重復(fù)性和可控性，因此，使用激光熔覆可以有效的對(duì)特定的零件進(jìn)行針對(duì)性加工和批量化生產(chǎn)[8]。

近年來，相關(guān)機(jī)構(gòu)和科研人員針對(duì)激光熔覆技術(shù)開展了大量理論和實(shí)驗(yàn)研究。何建群等人[9]針對(duì)45 鋼基材設(shè)計(jì)了Fe55 激光熔覆合金粉末，獲得了高硬度、表面無裂紋、耐磨性和耐腐蝕性能優(yōu)異的激光熔覆層。葉四有等人[10]在45 鋼表面激光熔覆了316L 不銹鋼熔覆層，熔覆層的硬度是基材硬度的2 倍左右，同樣條件下磨損量是基材的10%，自腐蝕電流密度是基材的70%，證明熔覆層具有很好的耐磨性和耐蝕性。Paul 等人[11]在H13 工具鋼基材上熔覆了CPM9V 合金，將激光熔覆用于熱加工和冷加工模具的修理。Zhu 等人[12]在C 級(jí)輪U75V 鋼軌材料上熔覆了316L、420、410 等多種合金，證明激光熔覆在鐵軌修復(fù)領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。

FeCrBSi合金是激光熔覆主要材料體系之一，被廣泛用于礦山、機(jī)械、汽車、石油化工等多個(gè)領(lǐng)域部件的表面防護(hù)，可以起到耐磨防腐的效果。FeCrBSi 熔覆層的性能很大程度上由其微觀組織及結(jié)構(gòu)決定，而激光功率是影響熔覆層顯微組織的最直接的工藝參數(shù)之一，因此探究激光功率對(duì)顯微組織的影響極為重要。本研究在45 鋼表面采用激光熔覆技術(shù)制備了FeCrBSi 熔覆層，并研究了不同激光功率對(duì)熔覆層顯微組織和硬度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)基材為45 鋼，熔覆粉末為自行制備的鐵基合金粉末，其化學(xué)成分如表1 所示。所用鐵基合金粉末粒度范圍為45～150 μm，形貌如圖 1 所示。采用德國GTV 公司的MF-LC 2000 型激光熔覆設(shè)備進(jìn)行激光熔覆試驗(yàn)，其工藝參數(shù)為：激光功率1800～3400 W，掃描速率8 mm/s，送粉率33 g/min，光斑直徑3.19 mm。

表1 激光熔覆鐵基粉末化學(xué)成分(wt.%)Table 1 The chemical composition of laser cladding Fe-Based powder (wt.% )

圖1 激光熔覆粉末形貌Fig.1 Morphology of laser cladding powder

采用日立SU 5000 掃描電鏡對(duì)粉末形貌和熔覆層微觀組織進(jìn)行觀察；采用德國PROGRES GRYPHAX 大型臥式光學(xué)金相顯微鏡對(duì)樣品金相進(jìn)行觀察；采用402 MVATM維氏硬度計(jì)對(duì)熔覆層截面顯微硬度進(jìn)行測(cè)量（標(biāo)準(zhǔn)壓頭，加載載荷200 g，加載時(shí)間10 s）；采用德國BRUKER公司的UMT 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)熔覆層表面進(jìn)行滑動(dòng)干摩擦磨損試驗(yàn)（往復(fù)式摩擦磨損，磨球?yàn)棣?.95 mm 的GCr15 小鋼球，載荷為200 N，摩擦?xí)r間為20 min，鋼球往復(fù)速率為5 mm/s）；采用Chi660e 型電化學(xué)工作站測(cè)定了基體和熔覆層的動(dòng)電位極化曲線，輔助電極為鉑絲，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，電解質(zhì)為3.5 wt.%的NaCl 水溶液。

2 結(jié)果與討論

2.1 熔覆層組織分析

激光熔覆過程中，高能激光束將熔覆材料和基體同時(shí)熔化，在基體表面會(huì)形成具有一定深度的熔池，熔池與周圍的基體進(jìn)行熱交換，形成熱影響區(qū)，熔覆層與下方基體的縱截面示意圖如圖2 所示。熔覆層呈中間厚兩邊薄的弧形，這是因?yàn)楦吣芗す馐哪芰糠植即篌w呈高斯分布[13]，中間的能量高，兩邊的能量低，因此中間部分熔化的熔覆材料更多，熔覆層更厚。

圖2 熔覆層與基體縱截面示意圖Fig. 2 Diagram of longitudinal section of cladding layer and substrate

不同激光功率下單熔道熔覆樣品的縱截面金相圖如圖 3 所示，整體上來看，截面特征均與圖2 所示相符，在同樣的條件下，隨著激光功率的增大，熔覆層厚度逐漸增大，熔池深度迅速增大，熱影響區(qū)的寬度也有所增加。對(duì)圖 3 中熔覆層厚度、熔池深度和熱影響區(qū)寬度進(jìn)行定量分析，結(jié)果如圖 4 (a)所示，隨著激光功率從1800 W 增加到3400 W，熔覆層厚度從0.27 mm 增加至0.56 mm，熔池深度從1.23 mm 增加至2.43 mm，熱影響區(qū)的寬度從0.53 mm 升高至0.66 mm。同軸送粉激光熔覆過程中部分粉末會(huì)飛離激光束的輻照范圍，造成熔覆材料的浪費(fèi)[14]。隨著激光功率的增大，基體表面能量輸入增多，對(duì)粉末的熔化效果增強(qiáng)，導(dǎo)致飛濺的粉末顆粒減少，變相的提高了材料利用率，因此熔覆層的厚度增大。同時(shí)，基體表面能量輸入增多，使得更多基體被熔化，形成的熔池深度更深，溫度也更高，熔池周圍的熱影響區(qū)的范圍也隨之?dāng)U大。

圖3 不同功率激光熔覆樣品的縱截面照片：(a) 1800W; (b) 2200W; (c) 2600W; (d) 3000W; (e) 3400WFig. 3 Longitudinal section photos of laser cladding samples with different laser power:(a) 1800W; (b) 2200W; (c) 2600W; (d) 3000W; (e) 3400W

圖4 熱影響區(qū)厚度、熔覆層厚度及熔池深度與激光功率的關(guān)系Fig. 4 The relationship between the thickness of heat affected zone, the thickness of cladding layer and the depth of molten pool and laser powder

采用ANSYS 軟件模擬了1800 W 的熔覆過程，圖 5 是1800 W 下熔覆層溫度場(chǎng)云圖。如圖所示，連續(xù)的激光輸入會(huì)減緩熔池及熱影響區(qū)的熱量傳遞，在激光移動(dòng)方向上形成較大的溫度梯度，同時(shí)會(huì)對(duì)后續(xù)成形的粉末起到預(yù)熱的作用。熔覆層中心溫度最高，為2305.9 K，從熔覆層中心向外溫度逐漸降低。Fe 基材料熔點(diǎn)為1497 K，紅色區(qū)域?yàn)槿鄢貐^(qū)，圍繞熔池的是弧形的熱影響區(qū)。圖6 是圖5 (b)中黑線位置從點(diǎn)A 依次到點(diǎn)B 的熱循環(huán)曲線，可以看出，從熔覆層中心向下，冷卻速率逐步降低。

圖5 1800W 下熔覆層溫度場(chǎng)云圖：(a)縱截面；(b)橫截面Fig. 5 Temperature contours of cladding layer with laser power of 1800W

圖6 熔覆過程中熱循環(huán)曲線Fig. 6 Thermal cycle curve during cladding

不同激光功率熔覆樣品的縱截面SEM 圖如圖7 所示，整體來看，熔覆層均勻致密，未發(fā)現(xiàn)裂紋和氣泡。不同激光功率熔覆層上部均呈現(xiàn)典型的等軸晶特征；熔覆層中部出現(xiàn)了胞狀晶；熔覆層底部與基材的界面處存在一個(gè)平面晶界，表明熔覆層與基材之間實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合。在平面晶區(qū)的上方為柱狀樹枝晶區(qū)，由于熔池?cái)噭?dòng)以及強(qiáng)的熱對(duì)流作用，使該區(qū)域枝晶普遍受到較大沖力而被沖斷，因此呈定向外延生長(zhǎng)的特征[15,16]。無論是熔覆層的上部、中部還是下部，隨著激光功率的增大，組織均變得更加粗大，這是因?yàn)樵谄渌に噮?shù)保持不變的條件下，激光功率越高，涂層和基材吸收的激光能量越多，基材熔化的深度也就越深，導(dǎo)致冷卻速度越慢，也就有越多的晶核發(fā)生形核長(zhǎng)大，所以枝晶組織越粗大。

圖7 不同激光功率熔覆樣品的縱截面SEM 圖（編號(hào)1，2，3 分別代表熔覆層截面上、中、下部）：(a1), (a2), (a3) 1800 W; (b1), (b2), (b3) 2200 W; (c1), (c2), (c3) 2600 W; (d1), (d2), (d3) 3000 W; (e1), (e2), (e3) 3400 WFig. 7 SEM images of longitudinal section of laser cladding samples with different powers (Numbers 1, 2 and 3 represents the top, middle and bottom of layer, respectively): (a1), (a2), (a3) 1800 W; (b1), (b2), (b3) 2200 W; (c1), (c2), (c3) 2600 W; (d1),(d2), (d3) 3000 W; (e1), (e2), (e3) 3400 W

圖8 是1800 W 下熔覆層截面EDS 線掃描照片，熔覆層與45 鋼基體之間的界面主要是元素?cái)U(kuò)散界面。界面處，熔覆層與45 鋼基體之間元素互相擴(kuò)散，溶解形成固溶體，以Cr 元素為例，可以看出元素含量在熔覆層與基材交界處呈現(xiàn)明顯梯度變化。這是由于熔覆層與45 鋼基材之間元素濃度差異較大，大的過冷度促使Cr 元素在熔覆過程中從熔覆層向基材擴(kuò)散，但由于熔池金屬快速冷卻凝固使各元素沒有足夠的時(shí)間和能量進(jìn)行充分的擴(kuò)散，從而導(dǎo)致該處Cr 元素存在較大的濃度梯度。

圖8 1800 W 下熔覆層EDS 線掃描Fig. 8 EDS line scanning of cladding layer with laser power of 1800W

熔覆層不同位置的組織形態(tài)的差異性以及不同功率熔覆層組織大小的差異性主要是由于溫度梯度G 和凝固速率R 的不同導(dǎo)致的。如圖 9 是溫度梯度G 和凝固速率R 對(duì)結(jié)晶組織形態(tài)和大小的影響，可以看到，結(jié)晶參數(shù)G/R 的大小決定結(jié)晶組織的形態(tài)，當(dāng)G/R 由大到小變化時(shí)，結(jié)晶組織也隨之經(jīng)歷平面晶、胞狀晶、樹枝晶和等軸晶的變化。結(jié)晶參數(shù)G×R 則決定結(jié)晶組織的大小，當(dāng)G×R 較小時(shí)，結(jié)晶組織粗大，當(dāng)G×R 較大時(shí)，則能夠得到較細(xì)小的結(jié)晶組織。

圖9 溫度梯度G 和凝固速率R 對(duì)結(jié)晶組織形態(tài)和大小的影響Fig. 9 Effects of temperature gradient G and solidification rate R on the morphology and size of crystalline structure

在熔覆層底部，基體和熔覆層的結(jié)合區(qū)是凝固最先開始的位置，此時(shí)溫度梯度G 極高，凝固速率R 相對(duì)較低，因此結(jié)晶參數(shù)G/R 的值很大，而基體和熔覆層的結(jié)合界面提供了大量異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)，因此晶體形核速度很快，比生長(zhǎng)速度要快得多，幾乎不存在成分過冷，進(jìn)而晶體在界面處凝固所釋放的熱量通過界面下方的基材散失，使界面以平面晶的形態(tài)緩慢向上生長(zhǎng)。隨著固液界面的推移，在熔覆層中部，溫度梯度G 減小，形核驅(qū)動(dòng)力不足，出現(xiàn)了成分過冷現(xiàn)象，使界面上凸起的胞狀晶能夠往液相內(nèi)生長(zhǎng)較長(zhǎng)的距離，逐漸形成柱狀晶，柱狀晶還會(huì)向周圍排出溶質(zhì)，因此，橫向也出現(xiàn)了成分過冷，從而導(dǎo)致二次枝晶的形成[17]。在熔覆層上部，由于直接與氣體接觸，發(fā)生快速的輻射散熱，溫度梯度G 急速下降，同時(shí)凝固速度R 不斷增大，G/R 的值迅速減小，成分過冷現(xiàn)象進(jìn)一步加劇，成為形核驅(qū)動(dòng)力的主導(dǎo)，結(jié)晶速率逐漸增大，形成尺寸均勻細(xì)小的等軸晶。隨著激光功率的增大，熔池溫度升高，快速冷卻過程中凝固速率R 明顯降低，G×R 的值減小，得到的結(jié)晶組織變粗。

2.2 熔覆層硬度

不同激光功率熔覆層的硬度如圖10 所示，隨著激光功率的增大熔覆層硬度先增加，隨后出現(xiàn)了明顯降低，當(dāng)激光功率為2600 W 時(shí)，熔覆層具有最高的硬度669 HV0.2，隨著激光功率進(jìn)一步提高，熔覆層硬度逐漸降低。當(dāng)激光功率較小時(shí)，增大激光功率有利于熔覆材料的充分熔化，有利于合金元素的擴(kuò)散與均勻化，在快速凝固過程中形成更多的碳化物，從而起到一定的強(qiáng)化效果[18]。當(dāng)激光功率過高時(shí)，基體對(duì)熔覆層的稀釋作用增大，同時(shí)組織形態(tài)發(fā)生變化，尺寸也變得粗大，從而導(dǎo)致熔覆層硬度降低。

圖10 熔覆層顯微硬度與激光功率的關(guān)系Fig.10 The relationship between layer microhardness and laser powder

2.3 熔覆層摩擦磨損

圖11 為不同激光功率熔覆層的磨損體積，如圖所示，熔覆層的磨損體積均明顯小于基體的磨損體積，隨著激光熔覆功率的增大，熔覆層的磨損體積先減少后增大，激光功率為1800 W 的熔覆層磨損體積為45 鋼基體的68.1 %，激光功率為2200 W 的熔覆層磨損體積為45 鋼基體的65.9 %，當(dāng)激光功率為2600 W 時(shí)，熔覆層的磨損體積最小，約為基體的59.8 %，激光功率增加到3000 W 和3400W 時(shí)，熔覆層磨損體積分別為基體的71.4%和73.9%。這表明激光熔覆Fe 基熔覆層能夠明顯提升耐磨性。這是由于熔覆層耐磨性與硬度相關(guān)，通常情況下硬度越高，熔覆層也就越耐磨。

圖11 不同激光功率熔覆層的磨損體積Fig.11 Wear volume of cladding layer with different laser power

圖12 為不同激光功率熔覆層的磨損形貌?？梢钥闯?，干摩擦磨損試驗(yàn)后，基體的犁溝很深，不同位置的磨損很不均勻；1800W 和2200 W 的熔覆層表面出現(xiàn)犁溝、碎屑以及分層現(xiàn)象，表明其發(fā)生了較為嚴(yán)重的磨損；激光功率升至2600 W時(shí)，熔覆層表面碎屑和分層現(xiàn)象明顯減少，磨損現(xiàn)象得到緩解；激光功率升至3000 W和3400W時(shí)，熔覆層表面碎屑增多、分層現(xiàn)象加劇，甚至出現(xiàn)大塊剝落現(xiàn)象，磨損嚴(yán)重。

圖12 不同激光功率熔覆層的磨損形貌：(a)基體; (b) 1800 W; (c) 2200 W; (d) 2600 W; (e) 3000 W; (f) 3400 WFig. 12 The wear morphology of laser cladding layers with different laser power:(a) substrate; (b) 1800 W; (c) 2200 W; (d) 2600 W; (e) 3000 W; (f) 3400 W

2.4 熔覆層腐蝕

圖13 是不同激光功率下熔覆層動(dòng)電位極化曲線圖，從圖中可以看出，基體在溶液中表現(xiàn)為單一活性溶解，而熔覆層則具有明顯的鈍化行為。這是因?yàn)樵谌鄹矊又芯Яｉg具有相對(duì)較低的C 含量，同時(shí)又富集了Cr、Mo 元素，而Cr 是形成鈍化膜的主要元素，Mo 元素能夠提高表面鈍化膜的穩(wěn)定性，因此熔覆層具有顯著的耐蝕性。對(duì)所得到的極化曲線特征轉(zhuǎn)變點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，利用塔菲爾線性外推法，得到了不同激光功率熔覆層的自腐蝕電位(Ecorr)和自腐蝕電流密度(Icorr)特征腐蝕參數(shù)，結(jié)果如表 2 所示。從表中可以看出，熔覆層的自腐蝕電位遠(yuǎn)高于基體，自腐蝕電流密度遠(yuǎn)低于基體，表明熔覆層具有很好的抗腐蝕性能，隨著激光功率的增加，熔覆層的自腐蝕電位先升高后降低，自腐蝕電流密度先降低后升高。激光功率為2600 W時(shí)，熔覆層自腐蝕電位最高，為-426.41 mV，自腐蝕電流密度最低，為0.45 μA/cm2。

圖13 不同激光功率熔覆層的電化學(xué)腐蝕曲線Fig.13 Electrochemical corrosion curves of cladding layers with different laser power

表2 不同激光功率熔覆層的極化曲線測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of polarization curves of cladding layers with different laser power

3 結(jié)論

(1) 在掃描速率8 mm/s，送粉率33 g/min，光斑直徑3.19 mm，激光功率1800～3400 W的條件下，激光熔覆FeCrBSi 熔覆層上部、中部和下部的組織分別為等軸晶、胞狀晶和胞狀樹枝晶、平面晶，隨著激光功率的增大，熔覆層不同位置的顯微組織變粗。

(2) 激光熔覆Fe 基熔覆層能夠明顯提升涂層的耐磨性和耐蝕性，隨著激光功率的增加，熔覆層硬度先升高再降低；熔覆層磨損體積先減少后增加；熔覆層的自腐蝕電位先升高后降低；自腐蝕電流密度先降低后升高。當(dāng)激光功率為2600 W時(shí)，熔覆層具有最高顯微硬度669 HV0.2，熔覆層耐磨性最好，磨損體積為基體59.8 %，同時(shí)熔覆層的耐蝕性最優(yōu)，自腐蝕電位為-426.41 mV，自腐蝕電流密度為0.45 μA/cm2。