送粉法激光熔覆工藝對不銹鋼熔覆層微觀組織結(jié)構(gòu)與性能的影響

王旭，鄧霞，夏春陽，杜開平，于月光

（1. 礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2. 特種涂層材料與技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；3. 中國鋼研科技集團(tuán)有限公司，北京 100081）

0 引言

激光熔覆是利用高能量密度激光束將基體表面預(yù)置或同步送置的合金粉末熔化，快速凝固而形成一層硬度高、無裂紋，且與基體呈冶金結(jié)合的高性能表面熔覆層，顯著改善基體表面耐磨、耐蝕性能，具有無污染、操作安全、成品率高和熔覆層質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[1]。

熔覆層質(zhì)量除了受粉末和基體的物體特征，如表面狀況、粉體堆積情況、密度和比熱外，還取決于激光工藝參數(shù)的選取[2]。本文針對送粉法激光熔覆工藝中最重要的參數(shù)：激光功率、送粉速度、搭接率、熔覆層厚度四個(gè)因素，考察工藝參數(shù)與粉末的匹配性，探索工藝參數(shù)對熔覆層組織結(jié)構(gòu)、顯微硬度、耐磨性的影響。

1 試驗(yàn)

本文選取氣霧化球形不銹鋼粉，粒度分布D(10)=65.8 μm，D(50)=96.8 μm，D(90)=143 μm。 成 分 為(wt.%)：Cr：16%，B：1.0%，C：0.15%，Si：1.2%，Mo：0.9%，Ni：2.0%，O：0.035%，F(xiàn)e 余量。松裝密度為4.05 g/cm3，霍爾流速為17.69 s/50 g。采用德國GTV 公司研制的MF-LC 2000 型設(shè)備進(jìn)行激光熔覆實(shí)驗(yàn)，光斑直徑3.18mm，工藝窗口為：激光功率2200W、2400W、2600W、2800W、3000W； 掃 描 速 度6mm/s、7mm/s、8mm/s、9mm/s，10mm/s，熔 覆層厚度1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm，搭接率30%、40%、50%、60%、70%。對每一個(gè)工藝窗口進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，從而得到最優(yōu)工藝。

激光熔覆后試塊經(jīng)線切割、冷鑲嵌、機(jī)械研磨、手動拋光等步驟，采用KALLING 試劑進(jìn)行腐蝕，腐蝕后制成金相試樣。采用附帶能量散射譜(EDS)的日立SU 5000 掃描電鏡對熔覆層的微觀組織進(jìn)行觀察，并對試樣的化學(xué)成分進(jìn)行半定量分析。采用FEI Tecnai G2F20 的透射電鏡型(TEM)對熔覆層的高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)和選區(qū)電子衍射花樣(SADP)進(jìn)行分析。透射電鏡樣品取自距熔覆層表面0.2 mm 處，用線切割平行于熔覆層表面切割成0.5 mm 厚的薄片, 拋光至50 μm后通過超聲切割機(jī)切割成直徑3 mm 的薄膜。最后在離子減薄儀上減薄制成透射電子顯微鏡樣品。因此，TEM 下觀測到的結(jié)構(gòu)處于熔池的中部區(qū)域。

采用德國BRUKER 公司生產(chǎn)的D8 ADVANCE 型X 射線衍射儀(XRD)對所制備的熔覆層進(jìn)行物相檢測分析。采用402MVATM維氏硬度計(jì)對熔覆層表面和截面顯微硬度進(jìn)行測量。儀器選擇標(biāo)準(zhǔn)壓頭，加載載荷200 g，加載時(shí)間10 s。表面顯微硬度測試方法為，在熔覆層表面隨機(jī)取十個(gè)點(diǎn)測量并取平均值作為該樣品的顯微硬度。截面顯微硬度測試方法為，從熔覆層表面向基體方向，每隔0.2 mm 為一個(gè)測試點(diǎn)，每個(gè)測試點(diǎn)取三次檢測結(jié)果的平均值。

采用德國BRUKER 公司生產(chǎn)的UMT 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)儀對熔覆層進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)采用的摩擦磨損方法是往復(fù)式摩擦磨損，接觸方式為平面，使用直徑為3.95 mm 的GCr15 小鋼球。實(shí)驗(yàn)載荷為200 N，時(shí)間為20 min，鋼球往復(fù)速度為5 mm/s。測試前對樣品表面進(jìn)行機(jī)加工處理并做清洗烘干，保證各樣品間表面光潔度相近。測試后，分別對樣品進(jìn)行清洗烘干，通過分析天平稱重并計(jì)算磨損失重，分析天平的精度為0.1 mg。

2 結(jié)果與分析

2.1 激光能量密度對熔覆層組織的影響

本研究中的送粉法激光熔覆是將粉末從軸旁送入到激光熔池當(dāng)中，激光輻照在粉末云上，粉末吸收激光能量的多少將影響熔覆層質(zhì)量，因此，粉末與工藝的適配性非常重要?？疾烊鄹矊拥娘@微結(jié)構(gòu)通常將其與激光的比能量相聯(lián)系，在實(shí)際工藝中常用比能量或能量密度E，來評價(jià)和控制熔覆層質(zhì)量[3]。

E=P/(D×v)

其中：

E—能量密度，單位為J/mm2；P—激光功率，單位為kW；v—掃描速度，單位為mm/s；D—光斑直徑，單位為mm。

從式中可以看出，激光能量密度與激光功率P成正比，而與掃描速度v 和光斑直徑D成反比，與熔覆層厚度和搭接率無關(guān)。則以上工藝窗口可以統(tǒng)一化為考察9種比能量條件下的熔覆層特征，如表1 所示。對所有比能量條件下的激光熔覆層進(jìn)行掃描電鏡觀察，如圖1 所示。

表1 9 種工藝條件下的激光能量密度Table 1 Laser energy density under 9 process conditions

選取136.3 J/mm2(2.6 kW、6 mm/s)；102.2 J/mm2(2.6 kW、8 mm/s)；81.8 J/mm2(2.6 kW、10 mm/s)三種有代表性的能量密度下熔覆層的頂部、中部和底部的掃描電鏡照片進(jìn)行觀察，如圖1 所示。熔覆層頂部均呈現(xiàn)出晶粒尺寸較為細(xì)小的胞狀晶組織，中部由晶粒尺寸粗大的樹枝晶構(gòu)成，而底部則為較為粗大的胞狀晶組織和平面晶組成。不同區(qū)域組織特征的差異，主要是由于激光熔覆非平衡凝固的特征所決定的。

圖1 三種能量密度條件下熔覆層的顯微組織形貌：(a1, a2, a3) 136.3 J/mm2 (2.6 kW、6 mm/s)頂部、中部、底部；(b1,b2, b3) 102.2 J/mm2(2.6 kW、8 mm/s)頂部、中部、底部；(c1, c2, c3 ) 81.8 J/mm2(2.6 kW、10 mm/s)頂部、中部、底部Fig. 1 The morphology of cladding layer under three energy density conditions : (a1, a2, a3) 136.3 J/mm2 (2.6 kW、6 mm/s)top, middle, bottom；(b1, b2, b3) 102.2 J/mm2(2.6 kW、8 mm/s) top, middle, bottom；(c1, c2, c3 ) 81.8 J/mm2(2.6 kW、10 mm/s) top, middle, bottom

凝固組織的形成主要受溫度梯度(G)和生長速率(R)控制[4]。熔覆層頂部受激光直接作用具有相對最高的熔體溫度，沿熔覆層法向至與基材的熔合區(qū)，則由于熱傳導(dǎo)作用溫度逐步降低。在非平衡快速凝固過程中，熔覆層頂部與室溫大氣接觸具有相對最高的冷卻梯度，導(dǎo)致G/R比值較大，從而形成晶粒尺寸細(xì)小的胞狀晶組織；同時(shí)，熔覆層底部盡管具有較低的熔體溫度，但由于與基材直接接觸導(dǎo)熱，也保持了較大的冷卻梯度，形成晶粒尺寸有所粗化的胞狀晶組織，避免了粗大樹枝晶的生成；而對于熔覆層中部則由于周圍熔體溫度的影響，以及后續(xù)結(jié)晶潛熱的釋放，導(dǎo)致其冷卻梯度相對較低，為樹枝晶的生長提供了條件。激光能量密度過大，熔池內(nèi)反應(yīng)劇烈，產(chǎn)生的氧化物和氣孔較多，同時(shí)較低的過冷度使晶粒的形核率降低，晶粒尺寸增大。當(dāng)激光能量密度過低時(shí)，粉末吸收能量不足，導(dǎo)致融化效果不好，同樣會產(chǎn)生大量的氣孔和氧化物夾雜。

2.2 激光工藝對熔覆層組織結(jié)構(gòu)的影響

采用的不銹鋼原始粉末主要以α-Fe 相為主，并伴隨有少量γ-Fe 相。而對于不同工藝窗口下的熔覆層具有相似的相結(jié)構(gòu)特征，但均與粉末存在著較為明顯的差異，體現(xiàn)在γ-Fe 相幾乎消失，同時(shí)有少量M23(B,C)6相析出，因此熔覆層主要由α-Fe、馬氏體(M)及M23(B,C)6組成。熔覆層與粉體相結(jié)構(gòu)的差異源自于激光熔覆高冷卻速率的特點(diǎn)，使得熔覆層組織發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變；但過飽和固溶體是亞穩(wěn)態(tài)組織，在多道搭接的熱影響下向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)變，會導(dǎo)致少量M23(B,C)6相的析出，如圖2 所示。

圖2 粉末及熔覆層XRD 圖譜：(a)激光功率；(b)掃描速度Fig. 2 XRD pattern of powder and cladding layer: (a) laser power; (b) scanning speeds

2.3 熔覆層中析出的碳化物分析

熔覆層主要由呈網(wǎng)狀分布胞晶內(nèi)部板條馬氏體和殘余奧氏體，以及晶間不連續(xù)分布的MC 和α-Fe 組成，如前文所述，碳化物在XRD 中只能看到M23(B,C)6的峰，而其他析出物MC 由于析出量和尺寸的原因，很難在XRD 中被標(biāo)定出來，只能通過進(jìn)一步觀察才能分析。通過EDS-map 分析及點(diǎn)掃描結(jié)果如圖3 和表2 所示，晶界富集Cr 和Mo 元素。

表2 晶界處P1 及晶粒內(nèi)部P2 的成分分析Table 2 Composition analysis of p1 at grain boundaries and p2 inside grains

通過高分辨透射電鏡(HRTEM)技術(shù)對室溫凝固和激光熔覆快速凝固的結(jié)構(gòu)進(jìn)行原子尺度的觀察，如圖4 所示。熔覆層中能夠明顯看出不同的原子排布結(jié)構(gòu)，二者之間存在明顯的分界線，進(jìn)一步測量其晶格間距，分別為0.230 nm 和0.651 nm。這說明，高能量激光輸入有利于克服很高的層錯(cuò)能，使原子在堆垛時(shí)出現(xiàn)層錯(cuò)的幾率變大，從而使原來晶格中諸如ABCABC…順序堆垛轉(zhuǎn)變?yōu)锳BAB…順序堆垛，雖然堆垛的順序有變化，但是層間未出現(xiàn)原子堆疊無序的過渡層，說明無非晶結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生[5]。另外，在正常的原子排布中，出現(xiàn)了多邊類球形的納米級析出物，這類析出物很有可能是非平衡條件下的亞穩(wěn)定析出相。

圖4 熔覆層中的納米級析出相Fig.4 Nano-precipitated phase of cladding layer

利用TEM 對凝固后析出碳化物的明場和暗場進(jìn)行觀察，大致可以看到如下結(jié)構(gòu)，分別為模糊的不規(guī)則形物質(zhì)和較暗的楔形物質(zhì)。由于透射電鏡明場像受到景深的影響，較暗相及模糊相均為鏡頭對焦的位置不同而產(chǎn)生，同時(shí)也說明了析出相的凹凸不平。進(jìn)一步對兩種物質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定可以看出，黑色不規(guī)則形狀的析出物為Cr23C6，灰黑色的楔形不規(guī)則形物質(zhì)為Mo2C，如圖5 所示。從衍射斑點(diǎn)的標(biāo)定可以看出，Mo2C 與基體馬氏體的共格度最高，呈現(xiàn)(110)M//(023)Mo2C，[111]M// [5 64]Mo2C的關(guān)系，如圖6 所示。

圖5 熔覆層中的Cr23C6 衍射花樣：(a)明場像; (b)SADP 花樣Fig.5 Diffraction pattern of Cr23C6 in cladding layer:(a) bright field image; (b) SADP pattern

圖6 熔覆層中的Mo2C 衍射花樣：(a)明場像; (b)SADP 花樣Fig.6 Diffraction pattern of Mo2C in cladding layer:(a) bright field image; (b) SADP patt

2.4 激光工藝對熔覆層性能的影響

2.4.1 熔覆層的顯微硬度

不同的工藝條件下（激光功率、送粉速度、熔覆層厚度、搭接率）截面顯微硬度趨勢基本一致，均對基體硬度有明顯的提升，說明激光熔覆作為一種快速凝固過程，有利于細(xì)化晶粒和硬質(zhì)相的均勻析出，從而提高熔覆層的顯微硬度。隨著距離熔覆層表面越來越遠(yuǎn)，熱影響區(qū)的硬度呈線性降低，如圖7 所示。

圖7 熔覆層到基體的截面顯微硬度：(a)激光功率；(b)掃描速度；(c)熔覆層厚度；(d)搭接率Fig.7 Section microhardness of cladding layer from surface to matrix:(a) laser power; (b) scanning speed; (c) cladding layer thickness; (d) overlapping rate

如圖8(a)所示，激光功率從2200W 增加到2600W 時(shí)，熔覆層硬度提高，這是因?yàn)殡S著激光功率的增大，熔覆層吸收的激光能量逐漸增大，金屬粉末可以更好的熔化并與基體進(jìn)行冶金結(jié)合，快速凝固導(dǎo)致的細(xì)晶強(qiáng)化的效果比較明顯，而當(dāng)激光功率高于2800W 時(shí)，熔覆層硬度有一定程度下降，這是因?yàn)橄♂屄氏鄬^高，而且熱輸入增大不利于產(chǎn)生細(xì)小的組織。

圖8 不同條件下的表面顯微硬度：(a)激光功率；(b)掃描速度；(c)熔覆層厚度；(d)搭接率Fig. 8 Surface microhardness under different parameters:(a) laser power; (b) scanning speed; (c) cladding layer thickness; (d) overlapping rate

如圖8(b)所示，掃描速度從6mm/s 增大到8mm/s 時(shí)，熔覆層硬度提高，這是因?yàn)閽呙杷俣仍龃?，激光能量作用在熔池中的時(shí)間相對較短，易產(chǎn)生更大的過冷度，使熔覆層形核率增高，提高熔覆層的硬度。當(dāng)掃描速度進(jìn)一步增大時(shí)，激光作用于熔覆層的時(shí)間過短，熔覆粉末吸收的能量不充足，與基材結(jié)合較差，熔覆層硬度下降。

如圖8(c)所示，熔覆層厚度是影響激光熔覆修復(fù)尺寸的關(guān)鍵因素之一，不同的熔覆層厚度下熔覆層與基體均得到了良好的冶金結(jié)合，熔覆層表面硬度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且最高硬度可達(dá)721.68 HV0.2。

如圖8(d)所示，生產(chǎn)實(shí)際中為了實(shí)現(xiàn)大面積零部件的激光熔覆，同時(shí)保證熔覆層的一致性與均勻性，對兩條熔道間選取一定的搭接率，從中可以看出，搭接率為50%時(shí)，表層硬度可達(dá)640.86 HV0.2，當(dāng)搭接率達(dá)到70%時(shí)，熔覆層易出現(xiàn)回火軟化現(xiàn)象。

2.4.2 熔覆層的孔隙率

送粉法激光熔覆的粉末既有來自送粉氣的推力也有其自身的重力，因此輸運(yùn)的過程并非線性，通常粉末團(tuán)夾雜著送粉氣注入到熔池中，同時(shí)粉末與激光的作用時(shí)間很短，如果工藝的匹配性控制不好，就容易形成粉球間空洞和未熔球形顆粒等。該缺陷與熔覆層厚度有著直接關(guān)系，熔覆層過薄易被基材稀釋，熔覆層過厚送粉量增加，粉末熔化的效果不好，同時(shí)也不易于氣孔的逸出，氣孔數(shù)量增加。利用Image J 圖形軟件對熔覆層氣孔率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，閾值選擇220～255，統(tǒng)計(jì)尺寸選擇0.1～1μm，計(jì)算出氣孔率，如圖12 所示。隨著熔覆層厚度的增加，氣孔率呈現(xiàn)增加的趨勢，如表3 所示。

表3 不同熔覆層厚度下氣孔率及氣孔平均尺寸Table 3 Porosity and average pore size under different thickness

2.5 激光熔覆層的耐磨性能研究

通過測試不同工藝條件下的摩擦系數(shù)COF值，如圖9 所示不同功率條件下摩擦系數(shù)差別不大。熔覆層摩擦系數(shù)均低于基體，起到減摩效果。最優(yōu)工藝參數(shù)下，熔覆層摩擦系數(shù)跑合階段短，摩擦系數(shù)平穩(wěn)，波動范圍較小。

圖9 不同工藝條件下摩擦系數(shù)曲線：(a)激光功率；(b)掃描速度；(c)熔覆層厚度；(d)搭接率Fig. 9 Friction coefficient curves under different process conditions:(a) laser power; (b) scanning speed; (c) cladding layer thickness; (d) overlapping rate

熔覆層的COF 均低于基體，說明起到了減磨的效果，從磨屑可看出基體與熔覆層磨損機(jī)理不同，如圖10 所示。其中，熔覆層的磨損形式包括磨粒磨損、疲勞磨損、氧化磨損和粘著磨損。具體原因如下：首先，熔覆層組織為馬氏體加殘余奧氏體組織，在對磨后發(fā)生了加工硬化，硬化顆粒脫落后在界面件產(chǎn)生磨粒磨損，途中有明顯的犁溝；其次，兩接觸面的滾動摩擦與滑動摩擦同時(shí)存在，在多次應(yīng)力循環(huán)后，在次表層區(qū)域出現(xiàn)塑性變形，導(dǎo)致硬化層脫落，為疲勞磨損；第三，新鮮的金屬表面與大氣發(fā)生氧化反應(yīng)，形成表面氧化膜，隨后被磨去，新表面繼續(xù)氧化，造成氧化磨損；第四，從熔覆層上的小顆粒粘著可以看出，由于磨球與熔覆層硬度相當(dāng)，磨屑產(chǎn)生了轉(zhuǎn)移和膠合，造成粘著磨損。而基體的磨損以磨粒磨損和氧化磨損為主，伴有輕微的疲勞磨損。

圖10 摩擦磨損試驗(yàn)后基體與熔覆層及其磨屑的顯微形貌：(a)基體；(b)熔覆層Fig.10 Microstructure of wear furrows and debris:(a) matrix; (b) cladding layer

進(jìn)一步對熔覆層磨損量進(jìn)行測試，由圖11 可以看出，熔覆層的耐磨性明顯好于基體，起到了良好的抗磨作用，且在優(yōu)化工藝條件下的磨損量最低。

圖11 不同工藝條件下的磨損量柱狀圖：(a)激光功率；(b)掃描速度；(c)熔覆層厚度；(d)搭接率Fig. 11 Column chart of wear weightlessness under different process conditions: (a) laser power; (b) scanning speed; (c) cladding layer thickness; (d) overlapping rate

3 結(jié)論

(1) 對于粒度范圍為53～150 μm 的球形不銹鋼粉來說，送粉法激光熔覆的最優(yōu)化的工藝窗口為：2600W、8mm/s、2.0mm、50%，在此條件下熔覆層顯微硬度最高可達(dá)721.68HV0.2，是基體硬度的3.7 倍。

(2) 熔覆層組織由平面晶、胞狀枝晶及胞晶組成，晶粒大小隨激光能量密度而變化，粉末由α、γ、M23(B,C)6相組成，而熔覆層中γ 相幾乎消失轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相。

(3) 熔覆層中析出的碳化物中，黑色不規(guī)則形狀的析出物為Cr23C6，灰黑色的楔形不規(guī)則形物質(zhì)為Mo2C。其中，Mo2C 與基體馬氏體的共格度最高，呈現(xiàn)(110)M//(023)Mo2C，[111]M// [564]Mo2C的關(guān)系。

(4) 熔覆層的COF 均低于基體，說明起到了減磨的效果，出現(xiàn)類似于基材的磨粒磨損和氧化磨損，也合并了疲勞磨損和粘著磨損。