掃描速度對激光熔覆Ni60涂層組織性能的影響

劉俊航,　劉喜明

(長春工業(yè)大學 材料科學與工程學院， 吉林 長春　130012)

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掃描速度對激光熔覆Ni60涂層組織性能的影響

劉俊航,劉喜明*

(長春工業(yè)大學 材料科學與工程學院， 吉林 長春130012)

摘要：運用激光熔覆技術在Q235鋼表面熔覆Ni60合金，研究了不同掃描速度對熔覆層的顯微組織、硬度和耐磨損性能的影響。實驗表明,隨著掃描速度的增加，激光熔覆層的硬度和耐磨性得到改善。

關鍵詞：激光熔覆; Ni60; 耐磨性

0引言

激光熔覆技術是指以不同的添料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料，經(jīng)激光輻照使之和基體表面一薄層同時熔化,并快速凝固后形成稀釋度極低,與基體材料成冶金結(jié)合的表面涂層,從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性等工藝方法。激光熔覆是一個復雜的物理、化學冶金過程，是一種對裂紋敏感的工藝[1-5]。激光表面熔覆含有各種體積分數(shù)硬質(zhì)顆粒的復合涂層越來越受關注,尤其是碳化物-金屬復合涂層在改善基材的磨損抗力方面顯示出巨大的潛力[6-7]。

在表面噴焊用自熔合金粉末中,Ni60是廣泛應用的品種之一,因為用Ni60噴焊后的零部件表面硬度在HRC60左右,相當于滲碳、滲硼、鍍鉻和堆焊等表面硬化處理后的硬度,又具有良好的耐金屬間摩擦磨損、耐低應力磨粒磨損、耐腐蝕和抗氧化等性能,可以切削和磨削加工,能適應工件同時受磨損、腐蝕和高溫的綜合作用,所以，能獲得幾倍乃至幾十倍提高零件使用壽命的效果[8-9]。

1試驗材料及試樣制做

1.1試驗材料

基體材料選擇應用廣泛的Q235鋼,其強度和塑性較好, 具有良好的表面熔覆性能。為避免基體材料變形造成對試樣的影響，選擇厚度為6 mm的Q235鋼板，其加工成尺寸為90 mm×50 mm×5 mm小塊，并用砂紙將表面氧化皮去除，用酒精擦拭干凈,Q235鋼的各項參數(shù)見表1。

表1　 Q235鋼的化學成分及性能參數(shù)　　wt%

激光熔覆制造是一個多影響因素的復雜過程，因此深入了解主要影響因素對成形質(zhì)量的影響規(guī)律，優(yōu)化工藝參數(shù)至關重要。

試驗選用Ni60B合金粉末作為工藝優(yōu)化材料，因為Ni60B主要成分為Ni，價格比純Ni粉便宜，可降低試驗成本，且有良好的成形性，具有一定的強度，可以有效地反映出成形工藝參數(shù)在成形質(zhì)量上的影響規(guī)律。Ni60B的化學成分見表2。

表2　Ni60B的化學成分　　　　wt%

1.2試樣制作

熔覆時分別采用不同掃描速度，見表3。

表3　試驗參數(shù)　　　　mm/min

以獲得不同掃描速度的Ni60熔覆層對不同掃描速度的熔覆層進行顯微組織分析、硬度檢測、磨損試驗，比較研究不同掃描速度對激光熔覆工藝制造的試樣性能的影響規(guī)律。激光熔覆工藝參數(shù)為：激光輸出功率2.2 kW、激光束作用直徑3.5 mm、送粉速率5 g/min、載氣流量200 L/h、激光距噴嘴距離8 mm，保護氣為氬氣。

不同掃描速度條件下的熔覆層的宏觀形貌如圖1所示。

圖1　不同掃描速度下熔覆層試樣

在4個掃描速度下制備的激光熔覆的試樣，表面平整、光滑、無宏觀裂紋和氣孔，熔覆材料與基體之間形成了冶金結(jié)合。在其他試驗參數(shù)相同的情況下，隨著掃描速度的增加，熔覆層的厚度減薄、寬度減小。

2實驗結(jié)果及分析

2.1熔覆層的顯微組織

將上述試驗參數(shù)獲得的熔覆層沿垂直掃描速度方向切開，進行橫斷面顯微組織觀察，試樣熔覆層和熱影響區(qū)在500倍光學顯微鏡下照片如圖2所示。

(a) A1

(b) A2

(c) A3

(d) A4

熔覆層的組織主要受成分和加熱冷卻條件的制約。由圖2可以看出，在其他試驗參數(shù)相同的條件下，隨著掃描速度的增加，基體熔化量減少，熱影響區(qū)減小，基體對熔覆層的冷卻速度加快，獲得的熔覆層組織趨于細化。

單道激光熔覆后獲得的涂層均勻致密。Ni60熔覆層剖面的低倍組織形貌如圖3所示。

(a) A1

(b) A2

(c) A3

(d) A4

由表到里(自上而下)可以分為4個區(qū)域:熔化區(qū)、結(jié)合區(qū)、基材熱影響區(qū)及基體區(qū)。熔化區(qū)為合金涂層，結(jié)合區(qū)為合金涂層與基材熱影響區(qū)的熔合帶，表現(xiàn)為一條明顯的寬為幾個微米的“亮帶”，結(jié)合區(qū)以上為基材熱影響區(qū)，主要由馬氏體組成，這是因為熔池底部的基體溫度高于臨界點Ac3，當激光束移動后，依靠基體的傳熱發(fā)生淬火得到馬氏體組織。隨著離開結(jié)合區(qū)的距離增加，加熱溫度不斷降低，由相變區(qū)、部分相變區(qū)最后過渡到基體組織[10-11]。

在其他熔覆參數(shù)相同情況下，隨著掃描速度的增加，界面形態(tài)由平直向曲形、波浪形變化，如圖4所示。

(a) A1

(b) A2

(c) A3

(d) A4

此現(xiàn)象是由熔覆過程中熔池內(nèi)液體產(chǎn)生擾動所致，擾動使基體表面熔化部分強制卷入熔池。

圖4所示熔覆層與基體間界面處有一條白亮層，是送粉激光熔覆最常見的組織之一，是在高能激光束快速掃描時，熔層瞬間熔化并形成熔池，通過熔體傳給基體表面的熱量使表面薄層微熔并與熔層合金產(chǎn)生分子或原子級交互擴散，從而形成了牢固的冶金結(jié)合帶。

2.2熔覆層硬度檢測結(jié)果

熔覆層的硬度是熔覆層的重要性能指標之一，為研究不同掃描速度對所形成的激光熔覆層的硬度的影響，分別對A1、A2、A3、A4熔覆層的硬度進行檢測分析。激光熔覆層顯著的化學成分、物相分布和顯微組織的不均勻性決定了熔覆層硬度的不均勻性，實驗采用型號為FM700的顯微硬度計檢測了熔覆層、熔覆層與基體界面附近、基體的硬度，檢測位置為4個區(qū)域：

1)熔覆層非稀釋區(qū)；

2)熔覆層稀釋區(qū)；

3)基體重結(jié)晶區(qū)；

4)基體區(qū)。

顯微硬度檢測點示意圖如圖5所示。

圖5　顯微硬度檢測點示意圖

在每一個區(qū)域內(nèi)分別檢測5個值，取平均值，檢測結(jié)果見表4。

表4　不同區(qū)域的維氏硬度值　　　　HV

顯微硬度計的參數(shù)為：加載載荷0.98 N、加載時間15 s。所測數(shù)值為HV維氏硬度。

硬度具有典型的階梯形式，同一熔覆試樣，熔覆層非稀釋區(qū)的硬度最高，熔覆層稀釋區(qū)的硬度次之，基體重結(jié)晶區(qū)硬度低于熔覆層稀釋區(qū)，基體區(qū)硬度最低，熔覆層的硬度值遠高于基體，這是由于激光熔覆Ni基合金粉末涂層及其枝晶組織保證了熔覆層具有高的硬度值；對于同一區(qū)域，在其他工藝參數(shù)相同的情況下，掃描速度的增加有助于晶粒細化，熔凝層中的枝晶間距也相對減小，所以具有良好的境界強化與韌化，使熔覆層硬度隨掃描速度的增加而提高。

2.3熔覆層磨損實驗結(jié)果

磨損是模具的主要失效形式之一,磨損實驗在一定條件下可以間接證明熔覆層在一定條件下的使用性能,利用M-200快速磨損試驗機測定不同掃描速度下激光熔覆試樣的耐磨性，加載載荷為10 kg,時間為5min。試驗結(jié)果見表5。

表5　磨損實驗數(shù)據(jù)　　　　　　g

磨損失重量越小，耐磨性越好；相反，耐磨性越差。由表5可見，激光熔覆Ni60合金粉末后的試樣耐磨性與基體相比大大增強。這主要是由于激光熔覆處理后Ni60合金粉末中存在的大量合金元素溶入枝晶產(chǎn)生固溶強化，提高了試樣的耐磨性。在試驗所選擇的掃描速度范圍內(nèi)，隨著掃描速度的增加，試樣的磨損量減小，說明耐磨性變好，這與掃描速度增大熔覆層組織細小、均勻、致密有關。由表5可知，試樣A1的耐磨性最好，其耐磨性約為基體的4.3倍。

3結(jié)語

1)在其他工藝參數(shù)相同的情況下，隨著掃描速度的增加，熔覆層的組織細化，熔覆層和基體的界面形態(tài)由平直向曲形、波浪形變化。

2)激光熔覆后的試樣表面硬度遠高于基體的硬度，在其他工藝參數(shù)相同的情況下，隨著掃描速度的增加，硬度提高。

3)激光熔覆后試樣的耐磨性與基體相比明顯提高，在其他工藝參數(shù)相同的情況下，隨著掃描速度的增加，耐磨性提高。

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Influences of scanning speed on laser cladding Ni60 alloy coating

LIU Junhang,LIU Ximing*

(School of Materials Science & Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

Abstract：With laser cladding technique, Ni60 alloy powder are coated on the surface of Q235 steel. The effects of scanning speed on the microstructure, hardness and wear resistance on coating layer are studied. Experimental results show that the hardness and the wear resistance of coating layer are improved with the increase of scanning speed.

Key words：laser cladding; Ni60; wear resistance.

中圖分類號：TG 456.7

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1374(2016)01-0005-05

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.1.02

作者簡介：劉俊航(1976-)，男，漢族，遼寧葫蘆島人，長春工業(yè)大學碩士研究生，主要從事材料加工方向研究,E-mail:67859262@qq.com. *通訊作者：劉喜明(1963-)，男，漢族，吉林長春人，長春工業(yè)大學教授，博士，主要從事材料加工、材料強韌化、材料分析等方向研究,E-mail:liuxm@ccut.edu.cn.

基金項目：吉林省科技攻關項目(20070305)

收稿日期：2015-10-21