P20H基體激光熔覆Fe90合金粉末組織及性能

方 琳

（東莞理工學(xué)院城市學(xué)院，廣東 東莞 523000）

P20模具鋼常用于中、大型塑料模具制造。由材料硬度較低，使用過程中因熔融塑料中雜質(zhì)和填料沖刷，模具型腔磨損，導(dǎo)致模具失效[1]。工程中常用激光熔覆技術(shù)對(duì)塑料模具進(jìn)行快速、精密修復(fù)，以大幅度延長、提高模具壽命。但受激光功率的局限，激光熔覆的寬度較窄，當(dāng)大面積的熔覆層時(shí)，需采用多道搭接激光熔覆技術(shù)。由于多次加熱、冷卻，會(huì)使熔覆層和基體材料易產(chǎn)生變形，開裂傾向加大[2]。

劉其斌、李紹杰[3]研究激光工藝參數(shù)和Y2O3含量對(duì)葉片鑄造缺陷熔覆開裂敏感性影響，在最佳工藝參數(shù)條件下加入復(fù)合變質(zhì)劑可細(xì)化涂層組織。余菊美[4]研究G312鐵基合金激光熔覆層產(chǎn)生裂紋主要是由于激光熔覆的工藝特點(diǎn)所造成的組織凝固過程中相變體積變化不均勻引起的。姚成武[5]采用過包晶設(shè)計(jì)，熔覆層組織結(jié)果為馬氏體＋殘余奧氏體＋原位生成顆粒增強(qiáng)相，沿晶間分布的相結(jié)構(gòu)為韌性的殘余奧氏體和顆粒增強(qiáng)相，合金系為Fe-C-Cr-Ni-Mo-W-V-Ti-Ce，進(jìn)行多道熔覆，得到不開裂熔覆層。李勝，曾曉雁[6]研究了Ni、Cr和Mo合金元素含量對(duì)鐵基合金激光熔覆層硬度、開裂敏感性和殘余奧氏體含量的影響，結(jié)果表明，隨著Ni含量增加，熔覆層中AR量增加，硬度下降；Cr含量增加，硬度先略微增加，然后下降；Mo含量增加，熔覆層硬度先增加，再下降。

根據(jù)P20模具鋼工作特性，需硬度高和耐磨性好的特點(diǎn)，本文采用激光熔覆技術(shù)，用優(yōu)化工藝參數(shù)（筆者前期研究數(shù)據(jù)）在P20H模具鋼上制備Fe90合金粉末涂層，研究其組織及性能與開裂性問題。以促進(jìn)模具鋼P(yáng)20H激光熔覆Fe90基涂層的研究和應(yīng)用。

1 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

主要目標(biāo)：①熔覆層表面硬度比基體提高1.8倍。②熔覆層得到球狀組織以提高耐磨性。③熔覆層表面成形質(zhì)量好、不開裂。

2 實(shí)驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

基材為P20H模具鋼，成分見表1，試件尺寸為100mm×60mm×20mm；基材樣品經(jīng)淬火、低溫回火調(diào)硬度至39HRC。熔覆材料為Fe90合金粉末，成分見表2。激光熔覆材料均勻地預(yù)置在經(jīng)熱處理的基體表面，預(yù)置合金粉末厚度為1.2mm。采用Nd.YAG激光器作為光源，主要激光工藝參數(shù)為：波長為1064 nm，平均功率350w，最大輸出功率450w，脈沖頻率0.1HZ~100HZ，脈沖寬度為0.3ms~20ms，輸出能量80J。采用激光工藝參數(shù)見表3，用該參數(shù)加工一組厚度為1mm，長度為20mm，7道搭接熔覆，搭接率為40%的試樣。圖1為單道熔覆層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 單道熔覆層結(jié)構(gòu)示意圖

表1 P20H合金成分

表2 Fe90合金粉末成分

表3 P20H激光熔覆Fe90合金粉末工藝參數(shù)

熔覆試驗(yàn)完成后進(jìn)行探傷試驗(yàn)，步驟如下：①清洗工件表面，滲透劑均勻噴涂，滲透5-15分鐘；②清洗滲透劑干凈；③施加顯象劑。探傷實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)無裂紋。圖2為激光熔覆圖及探傷測(cè)試圖。利用線切割沿垂直于掃描方向切出小塊樣品，試樣經(jīng)過鑲嵌、粗磨、細(xì)磨、機(jī)械拋光后進(jìn)行化學(xué)腐蝕，腐蝕液為用30m L HCl+10mL HNO3，腐蝕時(shí)間8s。利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察熔覆層形貌及組織。利用S-3400N掃描電鏡及能譜儀分析激光微觀組織形貌及成分。采用HVS-1000顯微硬度計(jì)測(cè)試涂層截面顯微硬度，載荷為1.96N，加載時(shí)間10s。

圖2 激光熔覆圖及探傷測(cè)試圖

3 試驗(yàn)分析

3.1 金相分析

P20H模具鋼表面激光熔覆Fe90合金涂層顯微組織形貌特征如圖3所示，單道熔覆搭接見圖3a。Fe90合金粉末激光熔覆層、熱影響區(qū)與 P20H基體間存在清晰的光亮帶（圖3b)，熔覆層內(nèi)組織致密、無缺陷，與基體呈冶金結(jié)合，涂層與基材界面形成亮白色的細(xì)晶熱影響區(qū)。從熔覆層的底部到中部，以平面晶、胞狀晶、與樹枝狀晶顯微組織為主，熔覆層上部以等軸晶顯微組織為主。熔覆層內(nèi)的組織形態(tài)主要受熔體中的成分過冷度的影響[7]。激光熔覆能力密度集中，F(xiàn)e90合金與P20H合金界面溫度梯度G很大，熔池底部的結(jié)晶速率R趨近于0，成分過冷度較小，凝固速度較慢，激光能量是由熔覆層頂部向下床底，組織由下至上凝固，熔覆層底部熱加工時(shí)間短，結(jié)晶先在熔池/基體交界處以平面晶出現(xiàn)，組織為胞狀晶為主，圖3c隨著熔池底部距離的增加，R值逐漸增大，G值逐漸減小，故 G/ R值逐漸減小，成分過冷增大，呈現(xiàn)依托基體晶粒生長的特征(圖3c)，涂層中上部組織為樹枝晶；激光熔覆過程中未完成熔化的粉末顆粒會(huì)以氧化物漂浮于激光熔池表面，以致涂層近表面為平行于激光掃描速度方向生長的等軸晶(圖3c)[8-10]。

圖3 P20H模具鋼表面激光熔覆Fe90合金涂層顯微組織形貌特征

3.2 顯微硬度分析

圖4是P20H模具鋼表面激光熔覆Fe90合金涂層顯微硬度，從距熔覆層表面每隔0.1mm點(diǎn)測(cè)量硬度，硬度值見圖4，1~5點(diǎn)是熔覆區(qū)，6~8點(diǎn)是熔合區(qū)，8點(diǎn)~9點(diǎn)是熱影響區(qū)，9點(diǎn)以下是基體。熔覆層深度為0.45mm~0.5mm，熔合區(qū)深度為0.2mm~0.22mm。基體平均顯微硬度值為362HV，隨著離基材表面距離增加，熔覆層硬度變化平穩(wěn)，最大顯微硬度約為668HV，熔覆層顯微硬度平均值約667HV，約是基體1.8倍。顯微硬度分布變化主要因?yàn)榧す饪焖倌淘谕繉觾?nèi)形成大量細(xì)小的α-Fe過飽和馬氏體組織，對(duì)激光熔覆層起到固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化效果。

圖4 P20H模具鋼表面激光熔覆Fe90合金涂層顯微硬度

3.3 熔覆層成分及相分析

圖5是P20H模具鋼基體表面激光熔覆Fe90合金粉末涂層的EDS形貌。放大到10μm發(fā)現(xiàn)，涂層顆粒表面光滑，近似球狀，無明顯棱角，F(xiàn)e90激光熔覆涂層的結(jié)合區(qū)（圖5a），在Fe90合金激光熔覆層與P20H基體界面上形成熔覆涂層與基材結(jié)合良好，激光熔覆融合基體界面呈現(xiàn)出依托基體生長的典型胞狀晶形態(tài)。Fe90激光熔覆涂層的中心區(qū)域?yàn)榍驙罱M織形態(tài)（圖b），單胞結(jié)構(gòu)的中心區(qū)域?yàn)殍F基合金基體組織，即是奧氏體相（α-fe）。

圖5 P20H鋼基體表面激光熔覆Fe90合金粉末涂層的EDS形貌

圖6熔覆層為中上部EDS圖及能譜分析、表4 Fe90合金粉末涂層中上部的EDS各相成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在每距涂層表面100μm的面上，取3~4點(diǎn)，分析微區(qū)成分，表5是Fe90熔覆層各微區(qū)成分的EDS成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從EDS各相分析分析結(jié)果得知，成分主要由：CrB2、Fe2B、Fe3C和合金滲碳體，表5是各微區(qū)成分分析結(jié)果，有Fe、Cr、Si、Mo、C、B分別情況：在底部，由于基體底部的稀釋，F(xiàn)e含量相對(duì)較高，Cr含量比樹枝晶中低，熔覆層頂部的樹枝晶含Si量較中部樹枝晶高。結(jié)合物相分析結(jié)果，認(rèn)為：界面平面晶和基體組成為合金滲碳體，部分Fe由Cr置換，并溶少量Si；樹枝晶為Fe3C固溶體與Cr和Fe的硼化物（CrB2、Fe2B）、碳化物及硅化物組成的復(fù)雜共晶體；在胞狀晶中，Cr的硼化物含量高，在等軸晶中，硅化物的含量較高。

圖6 P20H鋼基體表面激光熔覆Fe90合金粉末涂層的中上部EDS形貌及能譜分析

表4 Fe90涂層中上部的EDS成分分析（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)%）

表5 Fe90熔覆層各微區(qū)成分的EDS成分分析（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)%）

4 結(jié)語

（1）P20H模具鋼表面激光熔覆Fe90合金粉末涂層中，采用Nd.YAG激光器作為光源，工藝參數(shù)為功率310KW，脈寬8MS，頻率8HZ，離焦量210mm，加工速度100mm/s，形成良好的冶金結(jié)合，從基體到熔覆層表面的組織為大量平面晶、樹枝晶、胞狀晶、等軸晶。熔覆層沒有裂紋、氣孔，基體與涂層結(jié)合緊密，優(yōu)化工藝參數(shù)有利了減少裂紋，提高熔覆質(zhì)量[11]。

（2）激光熔覆層的硬度在矩涂層表面0.3mm處為668HV，熔覆層平均值硬度約667HV，基體硬度為362HV，熔覆層硬度約是基體1.8倍。

（3）熔覆層Fe碳合金、合金滲碳體大大提高了熔覆層的硬度和耐磨性。