高速動(dòng)車組EA4T車軸激光增材修復(fù)研究

何廣忠，鄭成功，劉偉亮

中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062

0 前言

高速軌道車輛車軸為動(dòng)車組走行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，直接影響軌道車輛的行車安全。在軌道車輛各級(jí)維修過程中，都需要進(jìn)行車軸的熒光磁粉探傷等安全性檢測(cè)工作，以避免存在微小疲勞裂紋而導(dǎo)致的服役失效。在車軸服役或檢修過程中，車軸表面容易產(chǎn)生劃傷、磕碰傷等，當(dāng)劃傷深度超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時(shí)，需要進(jìn)行報(bào)廢處理。因此，針對(duì)因較深局部劃傷導(dǎo)致車軸報(bào)廢的修復(fù)技術(shù)及相應(yīng)的服役可靠性驗(yàn)證，對(duì)于整個(gè)行業(yè)具有重要意義。傳統(tǒng)的電弧熔覆修復(fù)方式由于熱輸入量大，對(duì)基材的服役性能會(huì)造成一定程度的影響，在軌道車輛車軸的技術(shù)要求中禁止對(duì)車軸進(jìn)行焊接修復(fù)。激光增材修復(fù)是近年來新興的以激光為能量源的增材制造技術(shù)，可嚴(yán)格控制熱輸入，熱影響區(qū)小，已得到了普遍的關(guān)注和研究應(yīng)用［1-6］，為軌道車輛行業(yè)相關(guān)修復(fù)技術(shù)提供了優(yōu)選方案［7-10］。

本文主要研究激光功率和掃描速度兩個(gè)因子對(duì)IN625熔覆EA4T車軸鋼性能的影響，分析工藝參數(shù)對(duì)材料內(nèi)部殘余應(yīng)力及變形的影響、工藝參數(shù)與顯微組織及性能的關(guān)系、增材修復(fù)樣品的應(yīng)力腐蝕性能測(cè)試等，以確定最優(yōu)的車軸激光熔覆工藝。

1 試驗(yàn)材料和方法

EA4T鋼是一種低碳低合金鋼，主要用于高速列車車軸，其組織由回火索氏體和少量鐵素體組成。樣件選用實(shí)際厚度約為20 mm的EA4T車軸切片。熔覆粉末選擇625鎳基粉末，粉末粒度為53～150 μm?；w和625鎳基粉末的化學(xué)成分見表1。

選擇10 kW的LDF-10000-100的Laserline半導(dǎo)體激光器進(jìn)行車軸熔覆試驗(yàn)，通過前期修復(fù)粉料選擇所進(jìn)行的工藝試驗(yàn)，本文激光熔覆工藝參數(shù)設(shè)置為：功率2000W、2500W、3000W三個(gè)水平，掃描速度7 mm/s、11 mm/s、15 mm/s三個(gè)水平，共9組參數(shù)。其他參數(shù)固定為：光斑直徑φ5 mm，焦距330 mm，送粉量20 g/min，步進(jìn)為單道寬的50%，送粉氣（Ar）流量12 L/min，保護(hù)氣（Ar）流量15 L/min。

不同工藝參數(shù)熔覆后單道及多道單層宏觀形貌及探傷結(jié)果如圖1所示。在多道搭接式熔覆過程中，由于首道熔覆時(shí)工件的溫度和表面狀態(tài)與后續(xù)熔覆道顯著不同，因此容易導(dǎo)致熔覆寬度、高度、熔深等與其他熔覆道不同。采取首尾道熔覆兩遍、中間道熔覆一遍的方式，使其熔覆厚度始終大于中間的熔覆道，保持宏觀形貌的完整性，單層熔覆厚度約為0.5 mm。由圖1可知，9組熔覆試樣均成形良好，著色探傷表明熔覆試樣無裂紋等缺陷。

圖1 不同工藝熔覆后單道及多道宏觀形貌及探傷結(jié)果Fig.1 Macro morphology and flaw detection results of single and multi-channel after cladding by different processes

2 結(jié)果分析

2.1 宏觀金相分析

不同工藝參數(shù)下多道熔覆后熔深、熔高、HAZ厚度、稀釋率見表2。由表2可知，在相同的掃描速度下，隨著激光功率的增加，熔合區(qū)深度呈現(xiàn)出越來越深的趨勢(shì)，熔高也隨功率增加而增大。2 000 W功率制備的熔覆試樣稀釋率均小于20%，較2 500 W、3 000 W制備的熔覆試樣稀釋率小。這是由于功率越大，比能量越大，熱輸入越大，而粉量一定，粉末所需能量是一定的，故作用于基體多余能量越多，導(dǎo)致基材熔化比例增大。

表2 不同工藝下多道熔覆熔高、熔深、HAZ厚度及稀釋率Table 2 Multi-pass melting height，penetration depth，HAZ thickness and dilution ratio under different processes

2.2 顯微硬度

對(duì)不同參數(shù)制備的熔覆試樣各區(qū)域進(jìn)行顯微硬度分析，發(fā)現(xiàn)變化趨勢(shì)相似，故隨機(jī)選擇工藝4單道熔覆進(jìn)行分析。工藝4從熔覆層表面到基體的顯微硬度分布如圖2、圖3所示，1、2點(diǎn)位于熔覆層及熔深區(qū)域，3、4點(diǎn)位于HAZ區(qū)，5、6點(diǎn)位于基體區(qū)域?？梢钥闯?，熔覆層及熔深區(qū)域顯微硬度與基體硬度相當(dāng)，在200～250 HV范圍內(nèi)，HAZ區(qū)域硬度明顯高于基體硬度，為450～650 HV，這是HAZ區(qū)域發(fā)生相變硬化及細(xì)晶強(qiáng)化所致，而熔覆層和熔深區(qū)域發(fā)生的是液化凝固，形成的是柱狀晶和等軸晶鑄態(tài)組織，以及由于625鎳基粉末（20 HRC，相當(dāng)于230 HV）和基體本身硬度低，導(dǎo)致熔覆層及熔深層硬度不高。

圖2 工藝4制備單道熔覆試樣熔覆層到基材顯微硬度變化及測(cè)量位置Fig.2 Microhardness change and measurement position from cladding layer to substrate prepared by process 4

圖3 不同工藝下熔覆各區(qū)域顯微硬度Fig.3 Macrohardness of the defferent deposition processes

2.3 微觀金相組織

由于激光熔覆屬于快熔快冷快凝過程，熔覆組織具有一定耐蝕性，故用FeCl3溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕。工藝4的多道熔覆試樣顯微組織如圖4所示。

圖4 工藝4制備多道熔覆樣顯微組織Fig.4 Microstructure of multi-channel cladding sample prepared by process 4

由圖4a、4b可知，熔覆層及熔深區(qū)域組織為具有一定取向的柱狀晶和胞狀晶，其取向垂直于液固界面向上生長(zhǎng)；由圖4c、4d可知，搭接底部有明顯的輪廓痕跡（見圖中虛線），一定長(zhǎng)度之后的輪廓基本看不見，兩道之間熔為一體，同時(shí)柱狀晶及胞狀晶的取向并未改變，保持其外延生長(zhǎng)的特性。

為了觀察HAZ區(qū)顯微組織，用4%硝酸酒精腐蝕觀察面，HAZ區(qū)及基體顯微組織如圖5所示。

圖5 HAZ及基體顯微組織Fig.5 Microstructure of HAZ and matrix

由圖5a可知，HAZ區(qū)組織具有明顯的分層現(xiàn)象；由圖5b、5c可知，HAZ區(qū)上部是尺寸大小不等的板條馬氏體，這是由于該區(qū)域冷速快，超過馬氏體相變臨界冷卻速度，從而形成了馬氏體；由圖5d、5e可知，HAZ區(qū)中部及下部是晶粒細(xì)小的鐵素體、貝氏體以及回火馬氏體；由圖5f～5h可知，基體區(qū)組織由晶粒大的鐵素體、珠光體、貝氏體組成，同時(shí)發(fā)現(xiàn)基體組織中存在尺寸不等的氣孔，個(gè)別大的氣孔尺寸在40 μm左右，多數(shù)在20 μm以內(nèi)，如圖中白色箭頭所示。

3 力學(xué)性能檢測(cè)

針對(duì)上述9組工藝參數(shù)，通過對(duì)稀釋率、氣孔直徑、是否熔合良好、硬度、HAZ厚度、微觀組織、外觀進(jìn)行評(píng)判，選擇工藝1、工藝2、工藝4、工藝5、工藝7這5組較優(yōu)參數(shù)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，分別進(jìn)行熔覆制樣，如圖6所示?？紤]到修復(fù)車軸的力學(xué)性能需要綜合考慮基材和熔覆層的共同影響，本文采用半增材試樣進(jìn)行試驗(yàn)，半增材試樣指試樣厚度一半是IN625粉末，另一半是基材EA4T材料。

圖6 拉伸試樣和沖擊試樣堆積宏觀形貌Fig.6 Stacked maroscopic morphology of the tensile speciment and the impact speciment

3.1 拉伸性能

利用CMT-5205電子萬能試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)半增材試樣和基材的拉伸性能，其中拉伸試樣尺寸按照ASTM E8標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，拉伸速率為5 mm/min。5組工藝半增材及基材的上屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度如圖7所示?？梢钥闯?，相較基材的上屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，工藝2的上屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均為最大。

圖7 5組工藝半增材及基材的上屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度Fig.7 Upper yield strength and tensile strength of semi additive and base material in 5 groups of processes

圖8為5組工藝半增材及基材的延伸率，可以看出，工藝2的延伸率也是最大。

圖8 5組工藝半增材及基材的延伸率Fig.8 Elongation of semi additive and base material in 5 groups of processes

對(duì)比發(fā)現(xiàn)5種不同工藝制備的半增材試樣的上屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率均高于基材，且工藝2制備的半增半基試樣拉伸性能最好。

3.2 沖擊性能

利用Zwick rkp450擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)半增材試樣和基材的低溫沖擊性能，試驗(yàn)環(huán)境-40℃，擺錘能量450 J。

不同工藝及基材的沖擊吸收功如圖9所示?？梢钥闯?，半增材試樣的沖擊吸收功均小于基材沖擊吸收功，但其最小沖擊功為60 J，仍高于標(biāo)準(zhǔn)下限要求的40 J，滿足要求。其中工藝1制備的半增材試樣沖擊功最大為90 J，工藝2制備的半增材試樣沖擊功次之為80 J，兩者之間差值在10 J，結(jié)合拉伸試驗(yàn)結(jié)果，最終選定工藝2（功率2 000 W，掃描速度11 mm/s）作為最優(yōu)工藝。

圖9 不同工藝及基材的沖擊吸收功Fig.9 Impact absorption energy of different processes and substrates

3.3 應(yīng)力腐蝕

采用最優(yōu)工藝制備半增材試樣，將基材試樣和半增材試樣放置沸騰MgCl2腐蝕液中3 h后觀察其宏觀形貌，如圖10所示。由圖10可知，基材試樣和半增材試樣在沸騰MgCl2腐蝕液中均未發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

圖10 基材試樣和半增材試樣應(yīng)力腐蝕形貌Fig.10 Stress corrosion shape of base material sample and semi additive sample

3.4 疲勞試驗(yàn)

采用最優(yōu)工藝參數(shù)2制備半增半基熔覆試樣，檢測(cè)其高周疲勞性能。在室溫下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，采用縱向拉-拉加載方式，應(yīng)力循環(huán)曲線為正弦曲線，拉-拉載荷應(yīng)力比為0.1，循環(huán)基數(shù)為107，振動(dòng)頻率100 Hz。

通過升降法測(cè)定基材的疲勞循環(huán)次數(shù)，然后用基材的疲勞循環(huán)次數(shù)近百萬次左右的應(yīng)力值作為半增半基的恒定應(yīng)力，測(cè)定半增半基試樣在恒定應(yīng)力水平下的振動(dòng)循環(huán)次數(shù)，并與基材進(jìn)行對(duì)比。不同應(yīng)力水平下基材的振動(dòng)循環(huán)次數(shù)如表3所示。

表3 不同應(yīng)力水平下基材的振動(dòng)循環(huán)次數(shù)Table 3 Vibration cycle times of substrate under different stress levels

由表3可知，當(dāng)應(yīng)力水平低于560 MPa時(shí)，基材的振動(dòng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到設(shè)定的107次而未斷裂；當(dāng)應(yīng)力水平高于600 MPa時(shí)，隨著應(yīng)力水平增高，基材的振動(dòng)循環(huán)次數(shù)逐漸降低。由于應(yīng)力水平600 MPa時(shí)振動(dòng)循環(huán)次數(shù)為8.87×105次，應(yīng)力水平560 MPa時(shí)振動(dòng)循環(huán)次數(shù)大于107次，兩者只差40 MPa，故選擇600 MPa作為半增材試樣的應(yīng)力水平。

表4是半增材熔覆試樣在恒定應(yīng)力水平600 MPa下的循環(huán)次數(shù)。由表4可知，經(jīng)過多次重復(fù)試驗(yàn)，在恒定應(yīng)力水平600 MPa下，半增半基熔覆試樣的循環(huán)次數(shù)在60萬～120萬次波動(dòng)，其平均循環(huán)次數(shù)為90萬次，與基材的88.7萬次相似，可見在同一應(yīng)力水平下，在EA4T車軸上熔覆IN625鎳基粉末材料，其疲勞壽命與基材相當(dāng)。

表4 恒定應(yīng)力水平600 MPa下半增半基熔覆試樣的振動(dòng)循環(huán)次數(shù)Table 4 Vibration cycle times of half increased and half base cladding specimen under constant stress level 600 MPa

4 結(jié)論與展望

（1）不同工藝的EA4T車軸熔覆試樣均成形良好，無裂紋等缺陷。熔覆層及熔深區(qū)域組織為具有一定取向的柱狀晶和胞狀晶，生長(zhǎng)方向垂直熔池液固界面朝著熔池內(nèi)部生長(zhǎng)且具有外延生長(zhǎng)特性，HAZ從熔池邊緣到基體區(qū)組織依次為板條馬氏體、回火馬氏體+晶粒細(xì)小的鐵素體+貝氏體、晶粒較大的鐵素體+貝氏體。

（2）工藝2（功率2 500 W，掃描速度11 mm/s，光斑直徑5 mm，送粉量20 g/min，步進(jìn)量為單道熔寬的50%）為最優(yōu)工藝，其半增材試樣的拉伸性能和沖擊性能均為幾組工藝中最優(yōu)，且上屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率高于基材，沖擊功為80 J，低于基材沖擊功94 J，但高于標(biāo)準(zhǔn)要求的40 J。

（3）對(duì)于最優(yōu)工藝制備的熔覆層，在沸騰MgCl2溶液中，最優(yōu)工藝制備的半增半基熔覆試樣與基材均未出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂；在同應(yīng)力水平下，IN625鎳基粉末熔覆與基材的疲勞壽命相當(dāng)。

（4）后續(xù)將針對(duì)整根車軸進(jìn)行熔覆試驗(yàn)，進(jìn)一步開展加工后的車軸熔覆層的殘余應(yīng)力測(cè)試，以及整根車軸的疲勞性能測(cè)試和服役性能測(cè)試。