關(guān)于激光熔覆表面涂層高硬度工件的工藝操作改進(jìn)研究

許文昊，侯二明，張夢(mèng)陽，閆 飛

（唐山鋼鐵集團(tuán) 檢修分公司，河北唐山 063016）

0 引言

對(duì)唐鋼不銹鋼工件，進(jìn)行激光熔覆高硬度涂層修復(fù)的攻關(guān)階段，多層疊加熔覆后表面容易產(chǎn)生裂紋，或熔覆硬度不滿足要求（低于50HRC），或熔覆層硬度過高（大于58HRC）造成后道車削工序加工困難。

通過對(duì)多種粉末進(jìn)行熔覆檢測(cè)試驗(yàn)，并重新研究激光熔覆高硬度涂層的工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)出一種熔覆厚度超過2.5mm 且熔覆層無缺陷、硬度在52～56HRC 之間的高硬度涂層。

1 高硬度涂層激光熔覆粉末與設(shè)備、工藝匹配情況

1.1 粉末與激光熔覆設(shè)備的匹配

使用的激光熔覆設(shè)備是laserline 廠家的3000W 激光器（1#激光器），光斑大小3mm，載氣送粉，載氣介質(zhì)使用氮?dú)?，使用?nèi)孔熔覆頭對(duì)待修復(fù)工件進(jìn)行內(nèi)孔熔覆，保護(hù)氣體采用氮?dú)狻?/p>

采用激光熔覆工藝參數(shù)大致在2000W～2300W，行走速度（10～15）mm/s，送粉速率（10～12）g/min。

激光熔覆粉末采用鐵基粉末，選用三家廠家提供的4 種熔覆粉末進(jìn)行試驗(yàn)（試樣編號(hào)1～5），粉末理論硬度在50～60HRC，采用相同工藝參數(shù)，單層熔覆厚度在0.5mm～0.8mm，熔覆五層，進(jìn)行硬度檢測(cè)和表面著色探傷，實(shí)際熔覆效果如表1 所示。

根據(jù)表1 提供數(shù)據(jù)，只有編號(hào)2 激光粉末硬度在50HRC 以上，其他激光粉末均達(dá)不到硬度要求，但編號(hào)2 激光粉末在常規(guī)熔覆條件下（基材不預(yù)熱）容易產(chǎn)生裂紋，以上1～5 編號(hào)激光熔覆粉末均不滿足使用要求。

表1 4 種激光粉末熔覆層硬度及探傷情況

使用另一臺(tái)激光器（2#激光器，外孔頭，laserline 廠家的3000W 激光器，光般大小1.8mm），對(duì)編號(hào)1 激光粉末按照同等工藝進(jìn)行熔覆（試樣編號(hào)5），熔覆厚度在0.5～0.8mm 之間，熔覆三層，熔覆后打磨表面，進(jìn)行著色探傷和硬度檢測(cè)。

探傷結(jié)果如表1 所示，編號(hào)5 試樣硬度與熔覆層表面質(zhì)量最佳。

編號(hào)5 與編號(hào)1 試樣對(duì)比，工藝相同，激光光斑大小發(fā)生變化，根據(jù)激光功率密度概念推測(cè)，編號(hào)1 試驗(yàn)的激光粉末在功率密度[1]增加的條件下，硬度隨之提高。

1.2 激光工藝參數(shù)對(duì)粉末熔覆層的影響

激光器內(nèi)孔修復(fù)改變光斑大小成本太高，在與其他激光熔覆研究的學(xué)習(xí)和借鑒中[2]，決定通過改變工藝參數(shù)提高熔覆層的硬度，同時(shí)確保熔覆層的質(zhì)量（無裂紋、氣孔等缺陷）。

根據(jù)之前對(duì)粉末的試驗(yàn)檢測(cè)，本次試驗(yàn)選用的粉末為編號(hào)1 試樣粉末，具體工藝改進(jìn)方案如下：

（1）提高功率，增加熔覆層功率密度。

（2）降低送粉量，變向增加單位面積功率與粉末含量之比。

對(duì)此，具體設(shè)計(jì)工藝參數(shù)，熔覆4 層，熔覆長寬40mm×40mm，檢測(cè)硬度并進(jìn)行著色探傷，使用1#激光器內(nèi)孔激光頭熔覆，具體設(shè)計(jì)參數(shù)及熔覆層效果如表2 所示。

表2 試樣1 激光粉末不同工藝下硬度、質(zhì)量情況

根據(jù)熔覆試驗(yàn)結(jié)果可知，其他工藝不變的前提下，隨著功率提高，硬度增加，但增幅較小，受限于激光器功率上限（0～300W），方案由改變工藝參數(shù)調(diào)整為降低送粉量，隨著送粉量減少，熔覆試樣硬度增加。

但當(dāng)送粉量降低到8g/min 以下時(shí)，單層熔覆層厚度不足0.35mm，變向增加了熔覆層層數(shù)，且隨著熔覆層層數(shù)的逐漸增加，高硬度涂層產(chǎn)生裂紋幾率逐漸提高。

進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，當(dāng)采取功率2300W、行走速度15mm/s、送粉量4g/min 的參數(shù)進(jìn)行多層疊加時(shí)發(fā)現(xiàn)，單層熔覆層厚度低于0.2mm，熔覆試樣40mm×40mm，熔覆8 層，進(jìn)行著色探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)縱裂紋。

2 粉末成分對(duì)熔覆層硬度、質(zhì)量的影響

通過四種粉末的熔覆測(cè)試，以及對(duì)設(shè)備、工藝參數(shù)的改進(jìn)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試樣2 激光粉末硬度能夠滿足要求，但常規(guī)熔覆后著色探傷發(fā)現(xiàn)縱裂紋，試樣11 調(diào)整參數(shù)后滿足要求，但單層熔覆層厚度過低，使用金屬成分分析儀對(duì)試樣2、試樣11 進(jìn)行金屬成分檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表3 所示。

表3 試樣金屬成分檢測(cè)表 w/%

根據(jù)金屬成分分析，試樣2、試樣11 金屬成分分別屬于1Cr13、1Cr17Mn9Ni4N。試樣11 中C、Si 含量低于試樣2，但Cr、Ni 含量高于試樣2，對(duì)此，總結(jié)之前激光熔覆粉末研究者的經(jīng)驗(yàn)[3]，分析若通過調(diào)整試樣金屬成分，混合形成一種新的粉末，是否可以結(jié)合兩種試樣的優(yōu)點(diǎn)，熔覆單層厚度超過0.5mm，熔覆硬度大于50HRC，且熔覆層對(duì)車削加工影響不大。

兩種粉末大小相差不大，均屬于鐵基粉末，成分含量基本屬于同一類型，從理論上混合使用得出的混合粉末應(yīng)具備兩種粉末的熔覆性能。設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)，按照一定規(guī)則將兩種粉末進(jìn)行硬度、成分、表層質(zhì)量的檢測(cè)分析。

制備粉末，按照2000W 功率、10g/min 送粉量參數(shù)下的試樣12（成分檢測(cè)屬于1Cr17Ni2，具體成分見表3），熔覆4 層（40mm×40mm），常規(guī)熔覆著色探傷后無質(zhì)量缺陷，熔覆硬度在52～55HRC之間，單層熔覆厚度0.55～0.6mm，滿足設(shè)定的工件修復(fù)高硬度涂層要求。

其他條件不變，將試樣12 粉末送粉量提高到15g/min 后，熔覆層著色探傷后無質(zhì)量缺陷，成分仍屬于1Cr17Ni2，但熔覆層硬度降低到45～48HRC，據(jù)前人研究結(jié)果分析[4]，應(yīng)與熔覆層成型形成的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。

3 總結(jié)

通過對(duì)多種鐵基激光粉末熔覆后的涂層進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，最終確定的粉末按照一定工藝參數(shù)進(jìn)行熔覆后，硬度、熔覆層質(zhì)量滿足工件修復(fù)要求，并在攻關(guān)中取得了很多激光熔覆的寶貴經(jīng)驗(yàn)。

（1）粉末性能與熔覆選擇的激光設(shè)備有關(guān)，當(dāng)激光器功率密度范圍值越大時(shí)，越能獲得滿足要求的熔覆層性能，當(dāng)功率密度一定時(shí)，增加功率或降低送粉量，有可能提高熔覆層硬度，反之則可能降低熔覆層硬度。

（2）通過調(diào)整鐵基粉末金屬成分，可以優(yōu)化現(xiàn)有粉末的熔覆性能，使其適應(yīng)當(dāng)前激光設(shè)備，并獲得滿足激光熔覆需求的硬度、熔覆質(zhì)量、耐磨等性能。