40CrNiMo鋼表面激光熔覆層力學(xué)性能研究

李育森，劉志鵬，邱長軍

（南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

40CrNiMo鋼是一種中鉻鎳鉬調(diào)質(zhì)鋼，廣泛用于航空航天、汽車和冶金等制造領(lǐng)域，主要用于制造高載荷、大截面、沖擊載荷的構(gòu)件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸、大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、噴氣渦輪機(jī)軸及飛機(jī)起落架等零部件[1-3]。而這些零部件服役時(shí)在應(yīng)力集中的作用下易產(chǎn)生微裂紋，降低材料的強(qiáng)度和伸長率，使材料發(fā)生失效。為了解決這一問題，許多學(xué)者對提高40CrNiMo鋼力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究，孔德軍等[4]使用激光淬火發(fā)現(xiàn)40CrNiMo鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率分別提高了25.3%、24.4%和7.1%，而斷面收縮率降低了7.6%，有效改善了基體的性能。Chen Huan等[5]研究了多次激光噴丸對40CrNiMo鋼力學(xué)性能和組織的影響，結(jié)果表明：經(jīng)過3次激光噴丸沖擊，40CrNiMo表面顯微硬度、壓殘余應(yīng)力、強(qiáng)度和塑性均有顯著提高。同時(shí)，還誘發(fā)了表面層的亞晶粒、碳化物析出和位錯(cuò)等微觀組織。

激光熔覆作為新型的表面改性技術(shù)，具有熱影響區(qū)小、冷卻速度快、熔覆層稀釋率低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為近年來的研究熱點(diǎn)[6-7]。但是目前針對40CrNiMo鋼表面激光熔覆的研究報(bào)道較少，本文采用激光熔覆方法在40CrNiMo鋼基體上制備了鐵基熔覆層，對熔覆層的顯微組織、顯微硬度、拉伸性能進(jìn)行了表征和分析，為提升40CrNiMo力學(xué)性能提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)基體材料采用40CrNiMo鋼板，基體尺寸為100 mm×60 mm×15 mm，熔覆前將基體去除氧化層，酒精超聲波清洗后烘干待用。粉末為自配經(jīng)真空氣霧化制備的鐵基球形粉末，粒度為48～180 μm，實(shí)驗(yàn)前置于干燥箱中烘干處理，溫度為50 ℃，時(shí)間為8 h。

表1 粉末與40CrNiMo的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

使用XL-F1000型連續(xù)光纖激光器，采用同軸送粉在40CrNiMo鋼表面進(jìn)行激光熔覆，熔覆過程如圖1（a）所示。激光工藝參數(shù)：激光功率為480 W，掃描速度為480 mm/min、光斑直徑為2 mm，搭接率為50%，送粉率為6 g/min，保護(hù)氣體為氮?dú)?。圖2為制備的鐵基熔覆層宏觀形貌，可以看出表面平整、無氣孔、開裂等缺陷。

圖1 激光熔覆及試樣

圖2 熔覆層表面宏觀形貌

使用線切割制備試樣，并將切好的試樣用砂紙打磨和拋光，采用王水腐蝕，時(shí)間為3～5 s。使用XRD-7000型X射線衍射儀進(jìn)行物相分析；使用JSM-6490LA型掃描電鏡進(jìn)行微觀分析；使用HXD-1000B型顯微硬度計(jì)依次測量基體至熔覆層橫截面方向的顯微硬度；測試3次取平均值，方式如圖3。采用WDW-20E 材料萬能試驗(yàn)機(jī)測試熔覆層室溫拉伸性能；取樣位置如圖1（b）所示，試樣尺寸如圖1（c）所示。

圖3 顯微硬度測試示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熔覆層顯微組織分析

熔覆層的XRD衍射結(jié)果如圖5（a）所示，可見熔覆層主要由M相和少量的M23C6相組成，由于熔覆過程中使用高純氮?dú)獗Ｗo(hù)，因此檢測未出現(xiàn)其他氧化物。圖5（b）、圖5（c）為熔覆層的OM和SEM圖，其中EDS結(jié)果如表2所示。從中可以看出基體與熔覆層之間存在明顯過渡區(qū)域，區(qū)域組織主要以細(xì)小的等軸晶為主，熔覆層中部則以柱狀晶和少量的樹枝晶為主。從線掃描結(jié)果可以看出，Cr、Fe元素在結(jié)合處存在一定波動(dòng)，但未發(fā)生突變，結(jié)合表2點(diǎn)掃描結(jié)果同樣可以看出各元素并沒有突變，而是有一個(gè)平穩(wěn)的過渡區(qū)域[8]，這是因?yàn)榛w在激光束作用下與熔覆層之間元素發(fā)生了相互擴(kuò)散，使基體與熔覆層之間的元素含量平穩(wěn)過渡。

表2 圖5中A～F點(diǎn)化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

圖5 熔覆層顯微組織分析

2.2 顯微硬度

圖6（a）為基體、過渡區(qū)和熔覆層之間的截面顯微硬度分布曲線，從圖中可以看出熔覆層的顯微硬度為415～450 HV0.2，約為基體（328～340 HV0.2）的1.28倍。顯微硬度從基體到熔覆層呈現(xiàn)增加的趨勢，這是由于激光熔覆過程中冷卻速度快產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化，以及馬氏體的形成和位錯(cuò)密度的增加，提高了顯微硬度[9-11]。

圖6 拉伸性能分析

2.3 拉伸性能

圖6（b）為基體與熔覆層的室溫拉伸曲線，拉伸試樣分別取自激光熔覆層3個(gè)不同區(qū)域。從圖中可以看出，熔覆層的抗拉強(qiáng)度為（1250±30）MPa，屈服強(qiáng)度為（1020±20）MPa，斷后伸長率為（14±1）%，相比于基體分別提升了21.4%（抗拉強(qiáng)度）、22.9%（屈服強(qiáng)度）和16.7%（斷后伸長率）。而熔覆層強(qiáng)度更高的原因一方面是因?yàn)镹i、Cu的含量高于基材，提高了熔覆層強(qiáng)度，改善了韌性；另一方面是因?yàn)榧す馊鄹残迯?fù)零件時(shí)的激冷作用，使晶粒細(xì)小，產(chǎn)生細(xì)晶和彌散強(qiáng)化，進(jìn)一步提高熔覆層的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度[12-13]。

3 結(jié)論

本文采用激光熔覆方法在40CrNiMo鋼基體表面上制備鐵基熔覆層，所制備的激光熔覆層表面平整，基體與熔覆層之間存在明顯的過渡區(qū)域，結(jié)合界面無氣孔、裂紋等缺陷，與基體形成了良好的冶金結(jié)合，熔覆層顯微組織主要由馬氏體和少量的M23C6碳化物組成。熔覆層性能優(yōu)異，抗拉強(qiáng)度為（1250±30）MPa，屈服強(qiáng)度為（1020±20）MPa，斷后伸長率為（14±1）%，顯微硬度為415～450 HV0.2，約為基體（328～340 HV0.2）的1.28倍，均優(yōu)于基體。