高速列車道岔關(guān)鍵部位激光再制造工藝研究

楊加才 夷紅志 丁穎杰 顧海龍 毛永文

(中車四方車輛有限公司 山東 青島 266111)

激光再制造的特點(diǎn)是利用損傷或?qū)⒁獔?bào)廢零部件材料作為再制造的基體。通過激光表面硬化技術(shù)來增強(qiáng)工件的表面硬度和組織性能。同時(shí)通過激光再制造使試件表面的涂層厚度大都在微米到毫米間，最終達(dá)到再制造產(chǎn)品的各種性能、質(zhì)量能和新產(chǎn)品的水平一致[1]。

1 試驗(yàn)材料

為制備具有性能優(yōu)良的熔覆層和提高母材表面的硬度、耐磨性能。在配置熔覆層粉末時(shí)應(yīng)考慮粉末具有良好的固態(tài)流動(dòng)性；粉末與母材熱膨脹系數(shù)相近；粉末與基體有良好的潤(rùn)濕性；粉末在熔敷過程中有良好的除氣、造渣性能；熔覆粉末的熔點(diǎn)須在合適的范圍，熔點(diǎn)太低時(shí)熔覆層極易過燒；熔點(diǎn)過高，熔覆層粉末未熔化使其不連續(xù)，導(dǎo)致熔覆層不平整，雜質(zhì)較多等[2]。

本試驗(yàn)采用的熔覆材料分別為：Fe粉、Ni粉、Co粉和Cr+Al+Si+Ti混合粉末。1#、2#、3#的粉末成分如表1所示。其中Fe粉、Ni粉和Co粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)相近，Cr+Al+Si+Ti混合粉末從1#～3#含量依次增加，其中3#是1#的2倍。

表1 試驗(yàn)材料各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

2 高熵合金激光熔覆再制造顯微組織研究

2.1 宏觀形貌

本試驗(yàn)采用行星式球磨機(jī)進(jìn)行球磨，在裝樣和球磨的過程中，都是在氬氣保護(hù)的氛圍中進(jìn)行的，保證球磨時(shí)粉末不與空氣發(fā)生反應(yīng)，球磨轉(zhuǎn)速為100 r/min，球磨2 h，停10 min后直接干磨2 h，使粉末混合均勻。

將球磨好的熔覆粉放入同步送粉器中，設(shè)定好激光工藝參數(shù)后，將粉末經(jīng)過激光的作用在316L不銹鋼制備一條復(fù)合涂層。圖1(a)、(b)、(c)為不同成分熔覆粉末制備出的熔覆涂層的宏觀形貌[3-4]。

從圖中可以看出，1#、2#、3#熔覆層的宏觀形貌表面均呈現(xiàn)出一種平整、光滑狀，并且熔覆層的側(cè)面沒有出現(xiàn)明顯的熔渣起球現(xiàn)象，熔覆涂層致密，無氣孔和裂紋，與基板的冶金結(jié)合良好，具有良好的冶金效果。

圖1 不同成分熔覆層表面宏觀形貌

2.2 光學(xué)顯微組織

圖2為1#試樣在50×金相電鏡下的熔覆層組織全貌，從圖中可以看出，熔覆層主要有等軸晶和樹枝晶，組織分布不均勻，熔覆層內(nèi)有些許的氣孔。

由微觀組織全貌圖2可看到，樹枝晶主要集中在中上部和右上部，樹枝晶之間的晶間距適中，在右端出現(xiàn)少量的橫向枝晶。在A區(qū)域主要是等軸晶，可發(fā)現(xiàn)還存在少量的樹枝晶。B區(qū)域可以看出樹枝晶較多，并且樹枝晶垂直于熔池底部向上生長(zhǎng)，預(yù)測(cè)一定時(shí)間后會(huì)變成等軸晶。C區(qū)域主要有樹枝晶和柱狀晶，且晶粒尺寸很大，可看到些許的等軸晶的尺寸在慢慢變大。

圖2 1#熔覆層在50×的光學(xué)顯微組織全貌

圖3為2#試樣在50×金相顯微鏡下的熔覆層組織全貌，由圖3可以看出熔覆層主要以等軸晶為主，少量的樹枝晶左半部分，并且熔覆層的組織發(fā)生了明顯的細(xì)化。熔覆層的柱狀晶變細(xì)成為樹枝晶。在100×的A區(qū)域可以看出分布的主要是等軸晶，少量的柱狀晶。B區(qū)域主要集中分布樹枝晶，并且樹枝晶有向等軸晶生長(zhǎng)的趨勢(shì)。C區(qū)域是熔池的底部，枝晶的尺寸較大，存在大量的柱狀晶，主要原因可能是熔池底部受熱的能量較大，形成的熔池較深，枝晶有足夠的生長(zhǎng)時(shí)間，過冷度較低，枝晶更容易生長(zhǎng)，使得枝晶尺寸增大[5]。

圖3 2#熔覆層在50×的光學(xué)顯微組織全貌

圖4為3#試樣在50×金相顯微鏡下的熔覆層組織全貌，熔覆層主要是等軸晶和一些即將向等軸晶轉(zhuǎn)變的細(xì)小樹枝晶，并且組織分布均勻，整體致密，表面無氣孔和夾雜的現(xiàn)象。A區(qū)域分布大量的等軸晶。B區(qū)域觀察到有等軸晶和樹枝晶，樹枝晶變得細(xì)小，粗大的樹枝晶消失，枝晶尺寸逐漸變大。C區(qū)域觀察到熔覆層幾乎為等軸晶和一些少量細(xì)小樹枝晶，組織分布均勻，整體致密[5]。

由圖4可看出隨著Cr+Al+Si+Ti含量的增加，熔覆層內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的晶粒細(xì)化，當(dāng)Cr+Al+Si+Ti含量為12.48%時(shí)，熔覆層內(nèi)粗大的柱狀晶和樹枝晶慢慢變細(xì)變小，并開始向等軸晶轉(zhuǎn)變，由圖4所示，這是由于 Al、Si、TI原子容易和熔覆材料Fe和Ni形成固溶體和金屬間化合物異質(zhì)相在結(jié)晶過程中起到了一個(gè)異質(zhì)形核的作用，從而使熔覆層內(nèi)部晶粒得到細(xì)化，因此大量的異質(zhì)形核相當(dāng)于效果良好的晶粒細(xì)化劑。

圖4 3#熔覆層在50×的光學(xué)顯微組織全貌

3 高熵合金激光熔敷再制造力學(xué)性能研究

3.1 顯微硬度

圖5為激光熔覆同軸送粉制備的1#、2#、3#試樣，沿熔覆層到基體方向的顯微硬度分布曲線。首先，從圖中可以看出1#、2#、3#在0～1 mm范圍內(nèi)熔覆層硬度比其他地方高得多，最高分別為260 HV、440 HV、820 HV。1#、2#、3#在1～2 mm范圍內(nèi)硬度都有驟降的趨勢(shì)。在2～5 mm范圍內(nèi)試樣硬度都較低，分析原因是母材可能有元素熔入，使這個(gè)區(qū)域的硬度比熔覆層有明顯下降。

從圖中看出3#的硬度最高，由前面的顯微組織分析可推測(cè)，3#中有大量的組織致密且分布均勻的等軸晶，而等軸晶組織中存在大量的硬質(zhì)G相使其硬度大大提高[6-7]。

圖5 1#、2#、3#熔覆層顯微硬度分布

另外，1#、2#、3#試樣的Cr+Al+Si+Ti的混合粉末比約為1∶1.5∶2，3#試樣的Si和Ti的含量最高，Si和Ti的含量對(duì)熔覆層的硬度有顯著的影響，Si、Ti含量較低的1#試樣硬度只有260 HV，當(dāng)Cr+Al+Si+Ti含量為12.48%時(shí)，硬度達(dá)到820 HV，因此，Si、Al、Cr、Ti的加入可使得熔覆層的硬度顯著地增加。

3.2 彎曲試驗(yàn)

為了測(cè)量1#、2#、3#試樣的抗彎強(qiáng)度，從而分析1#、2#、3#試樣的脆性和低塑性，檢查材料的表面質(zhì)量，本次試驗(yàn)的加載方式是三點(diǎn)彎曲。

由圖6試樣彎曲曲線圖可以看出，1#試樣的抗彎強(qiáng)度最高，達(dá)到3 600 N左右才發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，這說明與2#、3#試樣相比，1#試樣具有良好的塑性。抗彎強(qiáng)度最低的是3#試樣，2 500 N左右就斷裂，說明3#試樣具有較高的脆性。并且發(fā)現(xiàn)3#試樣發(fā)生斷裂后還能承受800 N的抗彎，會(huì)發(fā)生二次斷裂[8]。

圖6 1#、2#、3#試樣彎曲曲線圖

4 結(jié)論

本文利用高熵成分體系的材料實(shí)現(xiàn)了道岔關(guān)鍵部位的再制造，通過試驗(yàn)手段探索合適的高熵合金成分范圍。試驗(yàn)中使用激光熔覆表面強(qiáng)化技術(shù)，在316L不銹鋼表面制備了3組合金成分不同的熔覆層。研究3組不同熔覆粉末成分的熔覆層的宏觀形貌、微觀結(jié)構(gòu)組織、硬度和彎曲性能，獲得以下結(jié)論：

(1)由金相試驗(yàn)可知，與1#、2#試樣相比，3#試樣的等軸晶分布均勻且致密。1#、2#試樣存在一定數(shù)量的樹枝晶和柱狀晶，并且樹枝晶有向等軸晶轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

(2)由硬度試驗(yàn)可知：與1#、2#試樣相比，3#試樣硬度最高，為820 HV，這是由于3#試樣中有大量的組織均勻且致密的等軸晶，因此硬度最高；由彎曲試驗(yàn)可知：與2#、3#試樣相比，1#試樣抗彎強(qiáng)度最高，則說明1#試樣的強(qiáng)韌性最好。3#試樣中含有大量的硬質(zhì)脆性的G相，雖然硬度大幅提高，但是顯著降低了材料的韌性，所以抗彎強(qiáng)度和撓度最低。

(3)綜上試驗(yàn)可知，高熵合金具有許多傳統(tǒng)合金所不及的優(yōu)良特性，用于制備涂層強(qiáng)化了某些特性，如硬度和塑性，更擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍，將高熵合金應(yīng)用于高速列車道岔的修復(fù)中，一方面可以彌補(bǔ)道岔修復(fù)時(shí)的很多缺陷，另一方面，達(dá)到了在現(xiàn)有基體上實(shí)現(xiàn)再制造目的，產(chǎn)生了一定經(jīng)濟(jì)效益。