激光熔覆參數對列車車軸修復組織形貌的影響

王行濤 祝弘濱 魏 濤 李明高 趙明元

(1.中車工業(yè)研究院有限公司 北京 100070；2.中國中車股份有限公司 北京 100036)

0 引言

激光熔覆作為一種新型的表面改性技術在近年來發(fā)展迅速。在高能量密度激光束作用下將金屬基體表面加熱熔化并形成熔池，金屬粉末在熔池中沉積凝固，形成冶金結合熔覆層[1]。該技術具有熔覆材料體系廣泛、結合強度高、稀釋率低、對工件的熱和變形影響小等諸多優(yōu)點，在再制造工程中廣泛應用于零件的局部修補，達到修復或改善零部件性能、延長使用壽命的目的[2]。

軌道交通車軸在使用過程中負責承擔鐵路列車的載荷，運行環(huán)境極為復雜，遭受到各種應力的復合作用，這種復雜的多種應力耦合極易導致修復層疲勞裂紋的萌生和擴展，因此車軸修復層應與車軸本體材料一樣具有較高的強度和優(yōu)良的塑性與韌性，以防止使用過程中修復層裂紋萌生[3]。

針對軌道交通車軸的修復，本次研究使用CRRC-SP-1低合金鋼金屬粉末作為35CrMoA車軸的修復材料，重點探討激光功率、送粉率、掃描速度、 搭接率等在實際熔覆過程中影響修復組織質量的幾個重要參數，測試了最優(yōu)工藝參數下熔覆組織的力學性能，晶粒度和內部缺陷。

1 材料與測試方法

35CrMoA是一種高端軌道交通的車軸材料，金相組織如圖1所示，主要含鐵素體、貝氏體和珠光體[4-5]。鋼材的組織皆為鍛態(tài)組織，晶粒細小均勻，無明顯的織構取向性，綜合力學性能良好。本文參照35CrMoA車軸成分，設計了編號為CRRC-SP-1的合金氣霧化粉末，專門用于軌道交通車軸零件的修復，具體成分如表1所示。

表1 CRRC-SP-1粉末成分w(t) /%

圖1 35CrMoA典型金相組織

2 試驗結果與分析

2.1 激光功率對熔覆層形貌和組織結構的影響

激光功率是利用激光技術修復破損零部件過程中重要的工藝參數，修復區(qū)的熔池依靠激光功率所提供的能量使金屬粉末連續(xù)熔化而形成，激光功率的高低將會決定粉末熔化是否徹底、熔池存在時間以及尺寸、激光熔覆層與基體之間熱影響區(qū)的范圍等。本試驗采用控制變量法，保持送粉率12 g/min，掃描速度8 mm/s不變，觀察激光功率從1 500 W提升到3 000 W對修復層形貌的影響。 CRRC-SP-1合金粉末激光熔覆于35CrMoA后的單道熔覆層橫截面形貌如圖2所示。圖3為激光功率對熔覆層寬度和高度影響的折線圖。結合圖2和圖3可知，當激光功率在從1 500 W提升到3 500 W的過程中，激光熔覆層均表現出了良好的冶金結合形貌。在掃描速度和送粉率保持不變的條件下，熔覆層的寬度和高度出現隨著激光功率的增加而逐漸增大的形況。這是因為熱輸入量隨激光功率提高而增加，熔池體積也隨之變大，因此更多粉末進入熔池，使得熔覆層寬度和高度增加。其中熔覆層高度由0.42 mm增加到0.51 mm，寬度由3.38 mm增加到4.66 mm。當激光功率繼續(xù)提升到3 500 W時，熔覆層寬度繼續(xù)提升到5.04 mm，整體上表現出隨激光功率提升線性增加的狀態(tài)。而熔覆層的高度反而從0.51 mm降低0.04 mm至0.47 mm。這種現象可以解釋為當激光功率達到3 500 W時，基體吸收的激光輸入能量提高，基體表層吸收能量后熔化，熔池尺寸增大，熔池溫度會進一步提高，同時鋼水黏度隨溫度升高而降低，飛濺現象增多，因而導致激光功率在從3 000 W增加至3 500 W時，熔覆層高度減小。而熔覆層寬度基本上只與熔池尺寸相關，所以熔覆層寬度得以繼續(xù)增大。

圖2 CRRC-SP-1不同激光功率下熔覆層截面形貌

圖3 激光功率對CRRC-SP-1熔覆層寬度和高度的影響

2.2 送粉率對熔覆層形貌和組織結構的影響

保持激光功率2 500 W，掃描速度8 mm/s不變，觀察送粉率從4 g/min提升到20 g/min條件下熔覆層截面的形貌變化，如圖4所示。將送粉量對CRRC-SP-1熔覆層寬度和高度的影響進行了對比，如圖5所示。在圖4、5中，熔池中粉末的量直接影響了熔覆層的高度。當送粉率從4 g/min增長到8 g/min時，熔覆層寬度從4.21 mm緩慢增加至4.22 mm，隨后熔覆層寬度會隨著送粉率的增高而逐步降低。當送粉率在20 g/min時，熔覆層寬度降至4.08 mm，相較最高時下降了3.3%。隨著送粉率的逐漸提高，更多粉末沉積進入熔池，導致熔覆層寬度上升，但是試驗中激光功率保持恒定，送粉率進一步增加會使其吸收更多的激光能量，單位面積內基體吸收的能量相應減少，進而熔池尺寸減小，熔覆層寬度也隨之下降。對熔覆層高度而言，高度和送粉率保持了相對呈線性的增長關系，當送粉率從4 g/min提高至20 g/min時，熔覆層高度也從0.17 mm增長至0.79 mm，提高了365%。相對而言，熔覆層高度對送粉率的敏感度遠高于熔覆層寬度。

圖5 送粉量對CRRC-SP-1熔覆層寬度和高度的影響

2.3 掃描速度對熔覆層形貌和組織結構的影響

保持激光功率2 500 W，送粉率 16 g/min不變，觀察掃描速度從4 mm/s提升到12mm/s條件下熔覆層截面的形貌變化，圖6展示了掃描速度對熔覆層寬度和高度的影響。掃描速度影響了激光在某位置照射的時間長短，對熱輸入有著顯著影響，進而影響到熔覆層形貌尺寸。在激光功率和送粉率不變的前提下，隨著掃描速度增加，熔覆層的寬度由4.74 mm減小到3.75 mm，而高度也相應由1.22 mm減小到0.46 mm。因為掃描速度越大，光斑和粉斑在單位面積駐留的時間就越短，激光的熱輸入隨之減少而導致熔池尺寸減小，同樣，熔池中沉積粉末的量也會減小，二者共同作用，所以隨著掃描速度的增大，熔覆層寬度和高度均逐漸減小。

圖6 掃描速度對熔覆層寬度和高度的影響

2.4 搭接率對熔覆層形貌和組織結構的影響

搭接率會影響熔覆層的成形質量，不合適的搭接率會導致浮渣、孔隙等缺陷的產生。保持激光功率為2 500 W，送粉率為16 g/min，掃描速度為8 mm/s不變，研究搭接率從30%提升到50%對熔覆層的影響。圖7為單層多道熔覆層橫截面形貌。為了表示熔覆層上表面的平整度，本試驗采用熔覆層高度差來描述該參數，即測量最高波峰與最低波谷之間的高度差。圖8為各熔覆層的寬度及熔覆層高度差的測量結果。綜合圖7、8可知，隨著搭接率的提升熔覆層寬度逐漸下降，而熔覆層高度差逐漸上升。當搭接率在30%到40%時，熔覆層橫截面的幾個波峰高度基本一致，頂面波浪形貌較為明顯，當搭接率為45%和50%時，搭接的熔覆層橫截面頂部形貌呈弧形，熔覆層高度差異明顯，平坦區(qū)不明顯，這是由于搭接率過大導致。此外過大的搭接率會加大熔覆層結合區(qū)的陡峭程度，增大熔覆層高度，易產生孔隙和結合不良等缺陷。考慮到過小的搭接率還會導致熔覆層寬度較小，降低修復效率，影響修復的經濟性。因此，結合熔覆層寬度和熔覆層表面平整度，對于CRRC-SP-1金屬粉末優(yōu)選搭接率應以40%為宜。

圖7 CRRC-SP-1不同搭接率下熔覆層截面形貌

圖8 不同搭接率下熔覆層的高度和寬度

結合試驗結果確定最優(yōu)的工藝參數(見表2)進行多道多層搭接激光熔覆試驗，圖9為三層激光熔覆層形貌。由圖9可以看出，使用優(yōu)化后的工藝參數制備的多道多層激光熔覆層表面平坦，沒有氣孔、裂紋缺陷，激光熔覆層與基體呈現良好的冶金結合。圖10為CRRC-SP-1熔覆層金相組織，熔覆層組織為貝氏體組織和M-A島。

表2 優(yōu)化后的多層熔覆工藝參數

圖9 CRRC-SP-1合金多道多層熔覆層形貌

圖10 CRRC-SP-1合金1 000×熔覆組織

2.5 力學性能分析

表3為熔覆層圓棒拉伸試驗結果，參考標準TB/T 1027.2—2015《機車車軸 第2部分：車軸》中35CrMoA材料的拉伸和沖擊力學數據，基于表2中優(yōu)化后的工藝參數，CRRC-SP-1低合金鋼粉末的熔覆力學性能均能滿足標準要求。

表3 熔覆層圓棒拉伸試驗數據

2.6 晶粒度測試

CRRC-SP-1合金修復試樣各項力學性能均能滿足35CrMoA車軸材料指標要求，進一步測試CRRC-SP-1熔覆組織的晶粒度。由于激光熔覆組織是一種不均勻組織，通常三層以上激光熔覆組織才會區(qū)域穩(wěn)定。因此在5層熔覆組織上表面選取3個視場進行晶粒度測量，評級結果如表4所示，各處晶粒度均大于等于5級，且最高與最低級差別不超過3級，滿足35CrMoA車軸材料指標要求。

表4 晶粒度評級結果

2.7 超聲缺陷檢測

對CRRC-SP-1熔覆層進行超聲缺陷檢測，判斷熔覆組織內部缺陷情況。檢測試樣尺寸為20 mm×20 mm×20 mm，其中基體高度為5 mm，熔覆層高度為15 mm，超聲缺陷檢測結果顯示熔覆層中有100 μm～200 μm的圓形缺陷，缺陷當量值小于3.2 mm，符合TB/T 1027.1—2015標準的要求。推測其中缺陷為小型氣孔和夾雜物。

3 總結

本文針對軌道交通車軸材料修復問題，利用自研的低合金鋼粉末材料，分析激光熔覆修復工藝參數，包括激光功率、送粉率、掃描速度和搭接率對修復組織形貌的影響，得出最佳的工藝參數方案，在激光功率2 500 W，送粉率16 g/min，掃描速度8 mm/s，搭接率40%的工藝參數下，CRRC-SP-1低合金鋼熔覆組織的力學性能、晶粒度以及內部缺陷均符合TB/T 1027.2—2015《機車車軸 第2部分：車軸》標準要求。目前該粉末已經開始進行車軸修復工程化應用驗證，本次試驗結果也為后續(xù)車軸修復材料和工藝的開發(fā)提供了理論基礎和數據支撐。