激光能量密度對(duì)激光熔覆組織性能的影響

楊新意，程延海

1中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 江蘇徐州 221000

2中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇徐州 221000

激 光熔覆是通過高能量密度的激光照射金屬粉 末，使粉末和基體熔化，進(jìn)而在基體材料表面熔覆上一層或多層熔覆層。由于激光熔覆具有激光能量密度大，熱影響區(qū)小，成型速度快等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造中。徐采云等人[1]在 45 鋼表面利用激光熔覆的方法熔覆了一層 WC-Co 顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合涂層，分析了熔覆層的顯微組織及表面硬度，發(fā)現(xiàn)了熔覆層組織更加均勻，但硬度與基體相比略有下降。王岳亮等人[2]通過激光熔覆成型的方法在 H13 鋼表面熔覆 H13 粉末，研究了激光熔覆工藝參數(shù)對(duì)熔覆層高度及熱影響區(qū)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了光斑尺寸對(duì)熔覆層高度及熱影響區(qū)影響巨大。朱國(guó)斌等人[3]應(yīng)用激光熔覆成形 304 不銹鋼，分析了熔覆層的顯微組織和宏觀形貌，得出了激光熔覆過程中σ相析出的時(shí)間更加充分的結(jié)論。王燕華等人[4]采用激光熔覆的方法制備了鎳包鑄造碳化鎢粉末和鑄造碳化鎢粉末 2 種熔覆層，分別研究了熔覆層的耐磨性，發(fā)現(xiàn)了鎳包鑄造碳化鎢粉末熔覆層的成形性更好，耐磨性相較于基體大幅度提高。礦山機(jī)械的工作環(huán)境通常都比較惡劣，對(duì)機(jī)械性能要求比較嚴(yán)格，Q345 由于其優(yōu)良的性能和高性價(jià)比被廣泛的應(yīng)用于礦山機(jī)械。然而，對(duì)于一些采用 Q345 制造的礦山機(jī)械關(guān)健件，由于對(duì)硬度等性能指標(biāo)要求較高，所以實(shí)際工程應(yīng)用的效果不盡人意，如果將制造材料更換為性能指標(biāo)較高的材料，則會(huì)帶來(lái)生產(chǎn)成本劇增等問題。因此，筆者系統(tǒng)地闡述了采用激光熔覆的方法，在 Q345 基體材料上熔覆一層高性能異質(zhì)熔覆層以提高礦山機(jī)械的整體性能。

1 試驗(yàn)過程與方法

1.1 激光熔覆試驗(yàn)材料

熔覆粉末選用 Fe-Cr-B 基合金粉末，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表 1 所列。

表1 Fe-Cr-B 合金粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 Mass fraction of Fe-Cr-B alloy powder %

基體材料采用 Q345，應(yīng)用線切割技術(shù)將其切割為 70 mm×60 mm×20 mm 試塊，其化學(xué)成分如表 2 所列。

表2 Q345 化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of Q345 steel %

采用同步送粉式激光熔覆的方法，熔覆工藝參數(shù)的選取參考了工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，取激光掃描速度為 0.02 m/s，轉(zhuǎn)速為 1.8 r/min，光斑直徑為 3 mm，搭接率為 50%，試樣 1、試樣 2 和試樣 3 的激光功率分別為 1.6、1.8、2.0 kW。激光能量密度可以更清楚的表示單位面積上的熱輸入。

式中：ρ為激光能量密度，kW/m2；P為激光功率，kW；A為熔覆面積，m2；V為掃描速度，m/s，B為掃描寬度，m。

由式 (1) 可得，試樣 1、試樣 2 和試樣 3 的激光能量密度分別為 26.7、30.0、33.3 J/mm2。

1.2 微觀組織及成分分析

應(yīng)用線切割技術(shù)將激光熔覆后的試樣切割為 10 mm×10 mm×10 mm 試塊，隨后依次采用 400、600、800、1 000、1 200、1 500、2 000 目砂紙打磨并用拋光布拋光試樣的縱截面，當(dāng)縱截面拋光至光滑無(wú)劃痕時(shí)即可認(rèn)為拋光完成。將拋光后的試樣采用王水腐蝕 10～15 s，將腐蝕后的試樣用酒精清理干凈并風(fēng)干，最后采用掃描電子顯微鏡 (SEM) 對(duì)試樣進(jìn)行微觀組織的觀察，并使用能量色散譜儀對(duì)試樣進(jìn)行線掃描 (EDS) 測(cè)量得出元素分布規(guī)律。

1.3 顯微硬度測(cè)量

應(yīng)用線切割技術(shù)得到 10 mm×10 mm×10 mm 試塊，采用 2 000 目砂紙打磨拋光，采用顯微硬度計(jì)測(cè)量其硬度。依據(jù)材料屬性選擇所加載荷為 9.8 N，加載時(shí)長(zhǎng)為 15 s，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)間的距離為 0.1 mm。為了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每個(gè)熔覆深度取 3 個(gè)平行的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并最終取 3 個(gè)點(diǎn)測(cè)量值的平均值作為該深度的硬度值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熔覆層宏觀形貌分析

激光熔覆宏觀形貌如圖 1 所示。試樣采用單層多道激光熔覆，由于每個(gè)試樣所采用的激光能量密度不同，表面形貌也略有不同，試樣 1 和試樣 2 中部有明顯的凹陷道次，而試樣 3 的表面成形則較好。這主要是因?yàn)榧す馊鄹睬盎w材料未經(jīng)預(yù)熱，因此在熔覆起始道次由于熱輸入不足造成粉末不能完全熔化，進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)凹陷區(qū)域，而試樣 3 沒有這樣的凹陷區(qū)域是因?yàn)樵嚇?3 相較于試樣 1 和試樣 2，激光能量密度最大，粉末得到了充分的熔化，因此表面成形良好[5]。

圖1 熔覆層宏觀形貌Fig.1 Macromorphology of cladding layer

2.2 熔覆層微觀組織分析

通過改變激光熔覆工藝參數(shù)進(jìn)而改變激光能量密度。在熔覆過程中，激光能量密度會(huì)直接影響熔池單位面積的熱輸入，進(jìn)而影響到熔池的溫度和凝固速度，其中熔池底部熔覆層與基體結(jié)合處的微觀組織結(jié)構(gòu)直接影響到熔覆層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。試樣融合線處微觀組織如圖 2 所示。由圖 2 可知，熔覆層底部主要為垂直于基體表面生長(zhǎng)的樹枝晶，試樣 1 的枝晶尺寸范圍為 3～8 μm；試樣 2 的枝晶尺寸范圍為 3～12 μm；試樣 3 的枝晶尺寸范圍為 5～18 μm。激光能量密度越大，樹枝晶的尺寸越大[6]。熔覆層與基體的結(jié)合處存在一條白色的光亮帶，其中，試樣 1 和試樣 2 的光亮帶比較明顯，試樣 3 由于激光能量密度比較高使得基體與熔覆層之間的元素?cái)U(kuò)散更加充分，結(jié)合帶不那么明顯，故結(jié)合強(qiáng)度更高。

圖2 試樣融合線處微觀組織Fig.2 Microstructure of fusion line on sample

2.3 熔覆層顯微硬度分析

熔覆層顯微硬度分布如圖 3 所示。通過在 Q345 表面熔覆一層異質(zhì)熔覆層，在不同激光能量密度下，熔覆層的硬度略有不同，熔覆層的硬度相較于基體材料總體提升 2 倍以上，熱影響區(qū)的硬度也得到大幅提升。試樣 3 的熔覆層硬度略低于試樣 1 和試樣 2，這主要是因?yàn)樵嚇?3 的激光能量密度比較大，熔池溫度較高，凝固速度較慢，樹枝晶有充分的時(shí)間長(zhǎng)大，進(jìn)而影響了熔覆層的硬度。熱影響區(qū)硬度提高的原因與熔覆層不同，熱影響區(qū)的材料與基體相同，但由于熱影響區(qū)靠近熔池底部，使得在熔覆過程中，熱影響區(qū)經(jīng)歷了一次熱處理過程，進(jìn)而提高了熱影響區(qū)的硬度。

圖3 熔覆層顯微硬度分布Fig.3 Microhardness distribution of cladding layer

2.4 激光熔覆層組成元素分析

熔覆層線掃描后的元素分布如圖 4 所示。由于采用的是單層多道激光熔覆，熔覆層厚度較薄，因此在線掃描過程中選擇測(cè)量深度為 2 mm。分析熔覆層及基體材料的元素組成，確定最終標(biāo)定的 4 種元素為 Fe、Cr、C、Si，其中橫坐標(biāo)代表距離熔覆層表面的距離，縱坐標(biāo)代表相關(guān)元素的含量。由圖 4 可知，不同激光能量密度下熔覆層的厚度有差別，激光能量密度越大，熔覆層的厚度越大。熔覆層中 Fe 元素的含量略低于基體中 Fe 元素的含量，由于粉末成分中 Cr 元素的含量較高，熔覆層中 Cr 元素的含量相較于基體中 Cr 元素的含量大幅度提升，C、Si 2 種元素在基體和熔覆層中的含量較低且基本不變，熔覆層和基體元素分布的規(guī)律也進(jìn)一步解釋了熔覆層硬度遠(yuǎn)高于基體的原因。

圖4 熔覆層線掃描Fig.4 linear scanning of cladding layer

3 結(jié)語(yǔ)

通過在 Q345 基體上熔覆一層 Fe 基熔覆層，使得基體表面的硬度大幅提高。通過對(duì)微觀組織的分析發(fā)現(xiàn)基體與熔覆層結(jié)合良好，熔覆層中元素分布均勻；激光能量密度對(duì)熔覆層的性能影響巨大，在一定范圍內(nèi)，激光能量密度越大，熔覆層微觀組織越粗大，硬度越低，熔覆層與基體的結(jié)合越好。