Ni/Wc粉末單道熔覆層宏觀形貌的實(shí)驗(yàn)研究

孫文強(qiáng)，張德強(qiáng)，陳 翔，薛玉斌

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心，遼寧 錦州 121001；2.遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州 121001；3.萬(wàn)得汽車集團(tuán)有限公司，遼寧 錦州 121000）

1 引言

Cr12MoV具有良好的淬透性、耐磨性和硬度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于耐磨性要求高、承受較大沖擊負(fù)荷的冷作模具的凸、凹模中。然而模具在正常工作中，不僅受到力與熱的沖擊，而且工作表面與坯料間還存在嚴(yán)重的摩擦，所以磨損失效是Cr12MoV冷作模具鋼的主要失效類型，失效比例占到總失效數(shù)80%。當(dāng)模具失效后，通常采用焊接等簡(jiǎn)單的方法修復(fù)或直接報(bào)廢，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。激光熔覆技術(shù)是20世紀(jì)新型的再造技術(shù)之一，具有基體熱變形小、結(jié)合強(qiáng)度高、可控性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，為冷沖模具制造和修復(fù)技術(shù)提供了新的手段[1]。

根據(jù)冷沖模具所需要的韌性、抗疲勞強(qiáng)度、較高的耐磨和硬度的性能要求。選擇具有良好的潤(rùn)濕性、耐磨性及耐腐蝕性的鎳基粉末混合具有良好的硬度和耐磨性的碳化鎢粉末，作為冷沖模具刃口修復(fù)的材料可以有效地提到模具刃口表面綜合能，延長(zhǎng)模具的使用壽命[2-4]。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

基體材料為經(jīng)過(guò)熱處理的Cr12MoV鋼（將基體加熱至920℃滲碳處理，空冷至700℃左右后加熱至800℃左右淬火處理）。基體用線切割加工成規(guī)格為（35×25×10）mm的矩形塊，熔覆粉末為科金焊接材料有限公司生產(chǎn)的Ni/WC合金粉末。粉末使用前需在干燥箱內(nèi)進(jìn)行100℃烘干1h的預(yù)制處理，基體在實(shí)驗(yàn)前需將表面用金相砂紙打磨。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為IPG光纖激光器YLR-3000激光器，額定功率為3kW；執(zhí)行機(jī)構(gòu)為6 軸KUKA 機(jī)器人KR30H 配備國(guó)產(chǎn)FHPF-20型無(wú)攪拌型同步送粉器。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究主要工藝參數(shù)對(duì)熔覆層橫截面的幾何形貌的影響，根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，將噴頭移動(dòng)到距基材表面16mm（此時(shí)離焦量為5mm，光斑直徑約為2mm），同時(shí)加載N2保護(hù)氣體，氣壓設(shè)定為0.3MPa，載氣流量設(shè)定為600L/h。選取激光功率、掃描速度和送粉電壓的變化范圍分別是（600～1500）W，（1.0～4.0）mm/s，（6～12）V。在保證實(shí)驗(yàn)效果的前提下減少試驗(yàn)次數(shù)，設(shè)計(jì)出3因素4水平的16次正交實(shí)驗(yàn)方案（L16（45））。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

熔覆后利用線切割將試件沿垂直于掃描方向切開熔覆試件。為便于觀測(cè)，將切割后的截面進(jìn)行拋光打磨、化學(xué)腐蝕后用蔡司高級(jí)金相組織顯微鏡對(duì)熔覆層進(jìn)行宏觀形貌測(cè)量，測(cè)量方式，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果，如表1所示。

圖1 熔覆層橫截面積幾何形貌的尺寸參數(shù)Fig.1 Size Parameters of Coss-Section of the Single-Path Grometrical Morphology of Cladding Layer

根據(jù)表1中工藝參數(shù)和上述實(shí)驗(yàn)方案，得到各熔覆層宏觀形貌和截面幾何相貌，如圖2所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)表和結(jié)果Tab.1 Orthogonal Test Table and Experimental Result

圖2 不同工藝參數(shù)下的熔覆層宏觀形貌和橫截面幾何形貌Fig.2 Appearance Morphology and Coss-Section of the Single-Path Grometrical Morphology of Cladding Layer for Different Process Parameters

3.2 熔覆層橫截面形貌與金相組織分析

激光熔覆的熔覆層形成時(shí)所需要的激光輸入能量不應(yīng)采用單一參數(shù)，需要以激光能量密度去衡量。其數(shù)值計(jì)算公式為：

式中：E—激光能量密度；

P—激光功率；

D—激光光斑直徑；

f—掃描速度。

根據(jù)激光熔覆的特點(diǎn)，單位面積內(nèi)熔覆的合金粉末的質(zhì)量不應(yīng)選用單一的參數(shù)，需要以粉末面密度去衡量。其數(shù)值計(jì)算式為：

式中：Ψ—粉末面密度；

V—送粉量；

D—激光光斑直徑；

f—掃描速度。

（送粉電壓與送粉量對(duì)照關(guān)系：6V～5g/min、7V～6g/min、8V～7g/min、9V～8g/min、10V～9g/min、11V～10g/min、12V～12g/min）。

由圖2可以看出熔覆層橫截面大致分為凹陷型（A）、雙月牙形（B）和凸起型（C）三種形貌，如圖3所示。

圖3熔覆層的橫截面宏觀形貌Fig.3 Cross-Section Macroscopic Appearance of Cladding Layer

就激光修復(fù)而言，熔覆層的宏觀形貌是評(píng)價(jià)熔覆層質(zhì)量的重要指標(biāo)，不僅需要一定的熔池深度來(lái)獲得良好的冶金結(jié)合性而且還需要具有一定的可加工余量便于二次加工[5]。圖3中的熔覆層形貌為凹陷型，形成的主要的原因是單位面積內(nèi)熔覆的合金粉末的質(zhì)量（粉末面密度）較低，熔覆粉末未能連續(xù)的進(jìn)入熔池，造成熔池內(nèi)沒有填入足夠的熔覆材料，致使高能激光光束直接作用在基體表面，激光熔覆后只能看到基體表面的熔痕和顆粒狀粉末而不能形成有效的熔覆層。圖3 的熔池形貌為凸起型，形成的主要原因是由于金屬粉末和基體融化所需能量不同，當(dāng)單位面積內(nèi)熔覆的合金粉末的質(zhì)量（粉末面密度）較大且激光能量密度過(guò)低。激光通過(guò)金屬粉末后，剩余的激光能量只能融化金屬粉末而不能融化基體時(shí)就會(huì)出現(xiàn)凸起現(xiàn)象，這種情況主要是由于粉末面密度過(guò)大會(huì)對(duì)激光管束產(chǎn)生遮蔽效果，致使基體不能形成有效的熔池。

分別取代表三種形貌的（9、14、6）組熔覆層中部位置和熔覆層與基體結(jié)合處位置進(jìn)行金相組織情況對(duì)比分析，如圖4 所示。

圖4（A）中激光能量密度過(guò)大，粉末面密度相對(duì)較少導(dǎo)致粉末吸收的能量過(guò)多?？梢悦黠@看到粗大的胞狀晶，這種胞狀晶是基體與粉末融化后所凝固得到的組織。這是由于激光能量過(guò)大且凝固速率過(guò)快，導(dǎo)致低共晶體減少，胞狀晶逐漸增大。這種金相組織形貌含碳量較低，熔覆層硬度不足。在結(jié)合處明顯看出熔合區(qū)域較深，對(duì)基體損害較大。圖4（B）激光能量密度與粉末面密度比例適中，粉末吸收能量融化后析出雙相體，晶胞尺寸大小均勻，熔覆層中部及以上的位置以等軸晶為主，中部靠下接近融合區(qū)域位置以柱狀樹枝晶為主，這是由于熔覆層由底部到頂部溫度梯度逐漸減少，凝固速度逐漸增加，成分過(guò)冷程度逐漸增加所致[6]。熔覆層中含有WC硬質(zhì)相并成彌散分布，是理想的金相組織形貌。結(jié)合處的熔合區(qū)域深度適中，具有較好的冶金結(jié)合性。圖4（C）中由于送分量過(guò)大、激光能量相對(duì)較小，粉末吸收激光能量不足，出現(xiàn)部分WC不熔現(xiàn)象。這種金相組織形貌硬度大小分布不均。在結(jié)合處并無(wú)明顯的熔合區(qū)域，熔覆層和基體涇渭分明，不具有冶金結(jié)合性。

圖4 熔覆層截面中部及結(jié)合區(qū)域的金相圖Fig.4 Metallographic Diagram of Middle Region and Bonding Region of Cladding Layer

圖4（A）中激光能量密度過(guò)大，粉末面密度相對(duì)較少導(dǎo)致粉末吸收的能量過(guò)多?？梢悦黠@看到粗大的胞狀晶，這種胞狀晶是基體與粉末融化后所凝固得到的組織。這是由于激光能量過(guò)大且凝固速率過(guò)快，導(dǎo)致低共晶體減少，胞狀晶逐漸增大。這種金相組織形貌含碳量較低，熔覆層硬度不足。在結(jié)合處明顯看出熔合區(qū)域較深，對(duì)基體損害較大。圖4（B）激光能量密度與粉末面密度比例適中，粉末吸收能量融化后析出雙相體，晶胞尺寸大小均勻，熔覆層中部及以上的位置以等軸晶為主，中部靠下接近融合區(qū)域位置以柱狀樹枝晶為主，這是由于熔覆層由底部到頂部溫度梯度逐漸減少，凝固速度逐漸增加，成分過(guò)冷程度逐漸增加所致[6]。熔覆層中含有WC硬質(zhì)相并成彌散分布，是理想的金相組織形貌。結(jié)合處的熔合區(qū)域深度適中，具有較好的冶金結(jié)合性。圖4（C）中由于送分量過(guò)大、激光能量相對(duì)較小，粉末吸收激光能量不足，出現(xiàn)部分WC不熔現(xiàn)象。這種金相組織形貌硬度大小分布不均。在結(jié)合處并無(wú)明顯的熔合區(qū)域，熔覆層和基體涇渭分明，不具有冶金結(jié)合性。

綜上所述，將正交實(shí)驗(yàn)表格1中的工藝參數(shù)組對(duì)照?qǐng)D3的截面宏觀形貌進(jìn)行分類：類型A（1、3、4、5、9、13），類型B（2、7、10、14、15），類型C（6、8、11、12、16）。以激光能量密度和粉末面密度作為評(píng)估指標(biāo)。不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光能量密度在（100～300）J/mm2且粉末面密度在（50～150）g/mm2的區(qū)間內(nèi)，激光能量密度與粉末面密度的比值達(dá)到（1.5～2.0）之間時(shí)，就可以得到宏觀形貌較好的單道熔覆層（類型B）。

3.3 工藝參數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響程度分析

以熔覆層寬度和高度的比值W/H、熔覆層極限厚度H/r和稀釋率η=h/H+h作為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)雙月牙形熔覆層進(jìn)行評(píng)價(jià)。主要原因?yàn)槿鄹矊訉挾群透叨鹊谋戎凳窃u(píng)價(jià)平整度的指標(biāo)，對(duì)多道多層熔覆搭接性具有重要影響。熔覆層高度和激光半徑比可作為判斷熔覆層是否出現(xiàn)孔洞的重要指標(biāo)。有相關(guān)研究表明熔覆層的稀釋率是表示基體材料在熔覆層中的擴(kuò)散程度，稀釋率的大小直接影響熔覆層的冶金結(jié)合性能[7-9]，如表2所示。

表2 工藝參數(shù)和評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.2 Technological Parameter and Test Results Evaluation Index

結(jié)合表2工藝參數(shù)和評(píng)價(jià)指標(biāo)，繪制出效應(yīng)曲線圖，如圖5所示。

圖5 工藝參數(shù)與評(píng)價(jià)指標(biāo)效應(yīng)曲線圖Fig.5 Evaluating Indicators and Technological Parameter Trend Chart

圖5中，寬高比（γ）、極限厚度（δ）和稀釋率（η）隨工藝參數(shù)的改變發(fā)生不同程度的變化。由于實(shí)驗(yàn)中存在誤差，尚需使用方差分析法進(jìn)一步確定激光能量密度和粉末面密度分別對(duì)寬高比、極限厚度和稀釋率的影響。方差分析結(jié)果，如表3～表5所示。

表3 熔覆層寬高比W/H的方差分析Tab.3 ANOVA for the Ratio（W/H）

表4 熔覆層的極限厚度H/r的方差分析Tab.4 ANOVA for the Ratio（H/r）

表5 稀釋率h/H+h的方差分析Tab.5 ANOVA for the Ratio（h/H+h）

對(duì)方差結(jié)果進(jìn)行分析：寬高比（γ）方差分析表中F1=3.070＜F2=8.429（F1為激光能量密度、F2為粉末面密度）表示粉末面密度的影響程度大于激光能量密度；對(duì)于極限厚度（δ）方差分析表中F1=29.447＜F2=75.520 表示粉末面密度的影響程度大于激光能量密度；對(duì)于稀釋率（η）方差分析表中F1=9.450＜F2=8.429表示粉末面密度的影響程度略大于激光能量密度。上述方差分析結(jié)果與圖4中工藝參數(shù)與評(píng)價(jià)指標(biāo)效應(yīng)曲線圖所描述極差直觀分析一致。

寬高比主要影響參數(shù)為粉末面密度。由圖5（a）可知熔覆層的寬高比隨著粉末面密度變大而減小。這是由于粉末面密度變大（送粉量變大或掃描速度變?。┤鄹驳交w上的粉末不斷累積致使熔覆層不斷增高導(dǎo)致高度變化趨勢(shì)逐漸大于寬度變化趨勢(shì)。

極限厚度主要影響參數(shù)為粉末面密度。由圖5（b）可知熔覆層的極限厚度隨著粉末面密度變大而增大。當(dāng)激光光斑直徑一定時(shí)，粉末面密度變大（送粉量變大或掃描速度變?。┤鄹驳交w上的粉末不斷累積，熔覆層不斷增高，致使極限厚度也不斷增加。

稀釋率主要的影響參數(shù)中激光能量密度略小于粉末面密度。由圖5（c）可知稀釋率隨著激光能量密度與粉末面密度增大而減小。結(jié)合宏觀形貌規(guī)律分析進(jìn)行討論，當(dāng)激光能量密度與粉末面密度比值越大時(shí)，輸入的激光能量被粉末吸收后擴(kuò)散程度，稀釋率的大小直接影響熔覆層的冶金結(jié)合性能[7-9]。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)激光能量密度在（100～250）J/mm2的同時(shí)粉末面密度（50～100）g/mm2的區(qū)間內(nèi)，激光能量密度與粉末面密度的比值達(dá)到（1.5～2.0）之間時(shí)，可以得到較好的雙月牙形單道熔覆層。

（2）在上述工藝參數(shù)內(nèi)，雙月牙形熔覆層晶胞尺寸大小均勻，中部以上位置以等軸晶為主，融合區(qū)域以柱狀樹枝晶為主，WC硬質(zhì)相彌散分布，結(jié)合處具有良好的冶金結(jié)合性。

（3）隨著激光能量密度與粉末面密度的比值由大到小，熔覆層中部位置金相組織也有粗大的胞狀晶向等軸晶、樹枝晶、及未融化的WC組織轉(zhuǎn)變。

（4）粉末面密度是熔覆層寬高比和極限厚度的主要影響因素，粉末面密度越大，熔覆層寬高比越小，極限厚度越大。激光能量密度與粉末面密度的比值是稀釋率的主要影響因素，稀釋率隨著激光能量密度與粉末面密度的比值增大而減小。