鑄鐵表面激光熔覆1725/WC復(fù)合涂層工藝參數(shù)優(yōu)化

楊海麗，周海寬，張凱奕

（1.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院,現(xiàn)代冶金技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 唐山 063210；2.天津市永昌焊絲有限公司,天津市高端裝備制造焊接材料及技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300300）

0 引言

球墨鑄鐵具有優(yōu)良的鑄造性能、切削加工和耐磨性能，且生產(chǎn)成本較低，廣泛用于制造各類缸體、端蓋、曲軸等關(guān)鍵部件，這類部件一般體積大、形狀復(fù)雜、制作周期較長。多數(shù)鑄鐵零部件在磨損、腐蝕等惡劣工況下使用，極易導(dǎo)致關(guān)鍵部位提前失效[1]。為實(shí)現(xiàn)鑄鐵零部件的再利用，延長其使用壽命，如何快速恢復(fù)鑄鐵類零部件損傷表面尺寸精度同時(shí)增強(qiáng)其表面的性能是目前面臨的技術(shù)難題[2-4]。零部件表面制備涂層不但能夠恢復(fù)設(shè)備工作表面外形尺寸而且能夠有效強(qiáng)化表面性能[5-6]。激光熔覆作為一種常用的表面處理技術(shù)，采用激光作為熱源對(duì)零件進(jìn)行快速熔覆，由于激光能量密度高，熱影響區(qū)和基體變形小，成形質(zhì)量好。同時(shí)，激光熔覆技術(shù)制備的涂層在結(jié)合強(qiáng)度、力學(xué)性能、耐腐蝕性能等方面均顯示出了傳統(tǒng)方式無法比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[7-8]。Ni 基粉末具有良好的自熔性，對(duì)多種基體和第二相均有良好的潤濕性，并能與多種基體實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)合。尤其是Ni 元素不與C 元素直接發(fā)生反應(yīng)且可以有效地阻止C 元素的擴(kuò)散。因此，在碳當(dāng)量較高的基體上可以形成質(zhì)量較好的涂層。此外，Ni 基材料具有優(yōu)良的耐磨性、耐腐蝕性和相對(duì)適中的價(jià)格在激光熔覆領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。1725 是一種Ni-Cr-B-Si 系合金粉末，具有良好自熔性能及優(yōu)良的耐腐蝕性能。WC 的硬度(HV)可以達(dá)到2 700～3 200，在Ni 基粉末中加入WC 可以使復(fù)合涂層整體硬度提高，顯著降低磨料對(duì)涂層的磨損，從而提高工件表面的耐磨性[9-11]。激光熔覆WC 復(fù)合涂層大多應(yīng)用在中低碳鋼或不銹鋼表面，在球墨鑄鐵表面激光熔覆WC 復(fù)合涂層的研究尚不多見。在激光熔覆時(shí)，工藝參數(shù)的選擇對(duì)熔覆效果起決定性作用。筆者以球墨鑄鐵為基體，采用激光熔覆技術(shù)在鑄鐵表面制備1725/WC 復(fù)合涂層，以稀釋率和硬度為主要指標(biāo)，利用正交試驗(yàn)對(duì)激光熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)工藝并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，為在鑄鐵表面制備性能優(yōu)異的1725/WC 復(fù)合涂層提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

基體材料為球墨鑄鐵QT400-15，化學(xué)成分如表1 所示，組織形貌如圖1(a)所示，為鐵素體+球狀石墨，樣品尺寸為100 mm×100 mm×10 mm。采用砂紙去除表面氧化層，用無水乙醇清洗后吹干。熔覆材料為1725 粉末，化學(xué)成分如表2 所示，粒度為50～130 μm，粉末形貌如圖1(b)所示。WC 顆粒為塊狀，粒度為15～45 μm，形貌如圖1（c）所示。所有粉末在使用前進(jìn)行烘干，溫度125 ℃烘干1 h。

表1 球墨鑄鐵QT400-15 化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of QT400-15 nodular cast iron %

圖1 基體、1725 粉末及WC 的SEM 形貌Fig.1 SEM morphologies of the substrate,1725 powder and WC

表2 1725 粉末化學(xué)成分Table 2 Chemical compositions of 1725 powder%

1.2 試驗(yàn)方法

采用德國Laserline 公司的LDF4000-40 光纖耦合半導(dǎo)體激光器（波長900～1 030 nm，額定輸出功率4 000 W），氣動(dòng)同軸送粉進(jìn)行單道熔覆。固定參數(shù)光斑直徑6 mm，WC 比例30%。激光功率、掃描速度及送粉率是影響熔覆層組織和性能的主要參數(shù)，以熔覆層的稀釋率和硬度為指標(biāo)，進(jìn)行了4 因素3水平正交試驗(yàn)，因素水平如表3 所示。

表3 L9(34)正交試驗(yàn)因素水平Table 3 Orthogonal factors and levels of L9(34)

稀釋率是指在激光熔覆中，由于熔化基材的混入而引起的熔覆合金成分的變化程度。用熔化的基材占熔覆層的百分率γ表示[12]。

式中，γ為稀釋率，%；B為熔覆層寬度，mm；H為熔覆層高度，mm；b為基體熔化區(qū)寬度，mm；h為基體熔化區(qū)寬度，mm。將激光熔覆試樣沿垂直激光掃描方向進(jìn)行線切割，獲得熔覆層截面，然后進(jìn)行鑲嵌、研磨、拋光制備金相試樣，4%硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間10 s。采用光學(xué)顯微鏡觀察熔覆層截面形貌。利用金相分析軟件對(duì)B、H、b及h進(jìn)行測(cè)量，通過式（1）計(jì)算出稀釋率。

采用HV-1000 型顯微硬度計(jì)測(cè)量熔覆層顯微硬度，每點(diǎn)間隔100 μm，載荷0.2 kg，停留時(shí)間15 s，每點(diǎn)測(cè)量三次，取算術(shù)平均值。

采用ZEISS Sigma 300 型掃描電鏡（SEM）觀察熔覆層的截面形貌，利用該設(shè)備配備的X 射線能譜分析（EDS）各元素的含量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析見表4。

表4 L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析Table 4 Experimental results and range analysis of L9(34) orthogonal test

2.2 工藝參數(shù)對(duì)熔覆層截面形貌的影響

圖2 為9 組正交試驗(yàn)條件下制備的熔覆層的截面形貌，由圖2 可見，所有熔覆層均沒有裂紋，但是基本都有氣孔的形成。除了從鑄鐵基體中析出的氣孔外，還有一部分氣孔產(chǎn)生的原因可能是WC 熔化分解時(shí)析出的氣孔。WC 顆粒傾向于偏聚在熔覆層的底部和邊緣位置，中間部位WC 顆粒較少。這是因?yàn)樵囼?yàn)所用激光光源為圓形光斑，光斑能量呈高斯分布，越靠近中心部位能量越高，越遠(yuǎn)離中心的位置能量越低，因此，越靠近熔池中心的部位WC 熔解的越多。與此同時(shí)，熔池中的表面張力梯度驅(qū)動(dòng)和Marangoni 效應(yīng)會(huì)影響熔池流動(dòng)從而也影響WC 顆粒的分布[13]。由于WC 的密度比基體大很多，在重力和Marangoni 對(duì)流作用下WC 偏聚在底部和邊緣部位，WC 分布機(jī)理如圖3 所示。

圖2 9 組正交試驗(yàn)制備的熔覆層截面形貌Fig.2 Section morphologies of cladding coatings prepared under different process conditions

圖3 WC 分布機(jī)理示意Fig.3 Schematic diagram of WC distribution mechanism

2.3 工藝參數(shù)對(duì)熔覆層稀釋率的影響

在激光熔覆過程中，在高能量的激光作用下，粉末材料會(huì)熔化形成熔池，熔池與基體相互作用化學(xué)元素進(jìn)行擴(kuò)散形成冶金結(jié)合，與焊接一樣會(huì)產(chǎn)生稀釋作用[14]。但由于激光瞬時(shí)能量高及迅速凝固的特點(diǎn)，其稀釋率一般要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通堆焊。稀釋率的大小對(duì)熔覆層的質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用。稀釋率過低，表明熔覆層與基體結(jié)合力差，甚至產(chǎn)生開裂和剝落。而稀釋率過高則基材被熔化得過多，基體材料過多進(jìn)入熔覆層，結(jié)合區(qū)性能變差，嚴(yán)重影響熔覆層的力學(xué)性能。極差R的大小反應(yīng)了該因素的水平變動(dòng)對(duì)指標(biāo)影響的大小。R值越大，影響就越大。由表4 看出，3 個(gè)因素對(duì)稀釋率影響的主次順序?yàn)椋篈＞C＞B，即激光功率對(duì)稀釋率的影響最顯著，其次是送粉率，掃描速度的影響較小。這是由于激光功率越高，粉末和基體吸收的能量也越高，熔池的溫度也越高，對(duì)于基體的稀釋作用也越強(qiáng)。送粉率對(duì)稀釋率的影響是由于粉末輸入量越多，對(duì)激光輻照的屏蔽作用越強(qiáng)，當(dāng)粉末輸入量過多時(shí)由于能量不足也會(huì)導(dǎo)致基體的稀釋作用越來越低，從而降低稀釋率。

2.4 工藝參數(shù)對(duì)熔覆層硬度的影響

對(duì)于同一種材料來說，一般硬度越高其耐磨性越好。由正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析可知，對(duì)熔覆層表面顯微硬度影響最大的因素是送粉率，其次是激光功率，最后是掃描速度。激光功率過大時(shí)，熔覆層吸收能量過多，組織粗化，甚至過燒，硬度值降低。激光功率過低時(shí)，粉末熔解不充分，導(dǎo)致組織不均勻，平均硬度值也會(huì)降低。合理的激光功率有助于形成晶粒細(xì)小、組織致密的熔覆層。送粉率對(duì)硬度的影響主要是粉末屏蔽激光輻照的作用導(dǎo)致熔池吸收的能量降低，從而影響熔覆層硬度值。掃描速度表示激光在熔池輻照的時(shí)間長短，影響粉末是否充分熔化，對(duì)硬度值也有一定的影響。

綜上所述，送粉率主要是影響粉末輸入量，過多會(huì)對(duì)熔池吸收激光能量起到屏蔽作用。應(yīng)該盡量設(shè)計(jì)在合理范圍內(nèi)，減少對(duì)熔池吸收能量的影響又可以節(jié)約粉末，提高粉末利用率。在本試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，激光能量越高、作用時(shí)間越長，熔池吸收的能量越多，熔池高度和寬度越大而硬度值越低。并且，激光功率、掃描速度對(duì)熔覆層形貌、稀釋率和硬度的影響是一個(gè)相互作用的關(guān)系，本質(zhì)上影響熔覆層形貌、稀釋率和硬度的是熔池吸收的能量大小和作用時(shí)間長短。綜合熔覆層組織、稀釋率、顯微硬度指標(biāo)，選取單道熔覆1725/WC 最優(yōu)工藝為：激光功率2 000 W，掃描速度15 mm/s，送粉率10 g/min。

2.5 最優(yōu)工藝驗(yàn)證

采用最優(yōu)工藝制備的1725/WC 熔覆層截面的SEM 形貌如圖4 所示。由圖4（a）可以看出WC 在整個(gè)熔覆層中分布比較均勻。熔覆層中有少量氣孔但沒有裂紋。由4（b）可以看出，在熔覆層與基體的熔合區(qū)界面處形成了平面晶。在熔池高溫的作用下，基體部分被熔化，熔融液體進(jìn)入石墨球的“外殼”，由于石墨球附近是“富碳區(qū)”，在其周圍發(fā)生了共晶反應(yīng)生成了萊氏體。而在未被熔化的基體中由于碳元素的擴(kuò)散和激光熔覆快速加熱和快速冷卻的作用下形成了馬氏體。在熔覆層的中上部以樹枝晶和等軸晶為主，尤其是頂部多數(shù)都是細(xì)小的等軸晶和共晶組織，如圖4（c）、（d）所示。這是由于熔池頂部與外界直接接觸，散熱較快，且可以向各個(gè)方向散熱，容易形成細(xì)小的等軸晶。熔覆過程中還有一些細(xì)小的碳化物，這是在凝固過程中的析出相或是部分未完全熔解的WC。對(duì)圖4（d）中的典型位置進(jìn)行EDS 分析，結(jié)果如表5 所示。由檢測(cè)結(jié)果可以推測(cè)，A 點(diǎn)主要是未熔解的WC 顆粒，除了C、W 元素外，還有少量的Ni 元素，這是由于1725 中的Ni 元素進(jìn)行了擴(kuò)散。B 點(diǎn)是以γ-Ni 為基體相的固溶體，B點(diǎn)除了含有Cr、Ni、Fe、Si、Al 等基材粉末中固有元素，還有一定質(zhì)量的W 元素，說明WC 熔解后與1725 基材進(jìn)行了元素?cái)U(kuò)散，部分W 固溶其中。C點(diǎn)為Cr、Fe 與Ni 基體形成的共晶組織。D 點(diǎn)的W 含量很高，為未完全熔解WC 或者析出的新相。熔覆層的平均硬度(HV0.2)值為483.0，明顯高于基體的平均硬度(HV0.2)180.6 。

圖4 最優(yōu)工藝制備的1725/WC 熔覆層截面形貌Fig.4 Cross section morphologies of 1725/WC cladding coating prepared under the optimized process

表5 圖4（d）中標(biāo)記點(diǎn)EDS 分析Table 5 EDS analysis of marker points in Fig.4(d)%

3 結(jié)論

1）激光功率對(duì)熔覆層稀釋率的影響最顯著，其次是送粉率，掃描速度的影響較小。對(duì)熔覆層表面顯微硬度影響的主次順序?yàn)樗头勐剩竟β剩緬呙杷俣取?/p>

2）鑄鐵表面單道熔覆1 725/WC 復(fù)合涂層最優(yōu)工藝為：激光功率2 000 W，掃描速度15 mm/s，送粉率10 g/min。

3）最優(yōu)工藝制備的1 725/WC 復(fù)合涂層沒有裂紋且WC 分布較均勻，熔覆層的平均硬度(HV0.2）為483.0，明顯高于基體的平均硬度180.6。