預(yù)熱溫度對(duì)U75V激光熔覆成形性能的影響

寇榮魁， 朱加雷， 焦向東， 童佟， 李叢偉

(北京石油化工學(xué)院，北京 102600)

0 前言

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，到“十三五”期末，我國(guó)投入使用的高鐵線路總長(zhǎng)超過3.8萬公里，位居世界第一[1]。隨著運(yùn)行線路和建設(shè)里程的持續(xù)增多，軌道出現(xiàn)了側(cè)磨、剝離、擦傷、硌傷等損傷[2]。根據(jù)TB/T 3119—2005《鐵道舊軌使用和整修技術(shù)條件》規(guī)定，可使用激光熔覆進(jìn)行修復(fù)，獲得熔覆層后通過切削加工的方式重新實(shí)現(xiàn)舊軌的修整再使用[3-4]。

激光熔覆存在極熱極冷的“淬火”特性，導(dǎo)致鋼軌的熔覆區(qū)與熱影響區(qū)極易出現(xiàn)大量的馬氏體組織，不符合鋼軌修復(fù)時(shí)禁止馬氏體出現(xiàn)的要求[5-6]。根據(jù)研究[7-11]可知，溫度對(duì)馬氏體組織的轉(zhuǎn)變影響很大。彭謙等人[12]研究預(yù)熱對(duì)激光熔覆12CrNi2合金鋼組織、硬度和拉伸性能的影響，結(jié)果表明,未預(yù)熱的單層熔覆層組織為板條馬氏體，多層熔覆層組織為回火馬氏體和貝氏體混合組織，而預(yù)熱的單層熔覆層組織為貝氏體，多層熔覆層組織主要為粒狀貝氏體，預(yù)熱比未預(yù)熱的截面硬度分布更均勻。Hu等人[13]研究10Ni3CrMoV鋼在室溫和不同預(yù)熱溫度下的焊接性能，結(jié)果表明，在120 ℃下，粗晶區(qū)和熔合區(qū)組織具有較高的抗冷裂性和良好的沖擊韌性，在120 ℃下獲得的焊接接頭具有良好的力學(xué)性能，能夠滿足造船工業(yè)的技術(shù)要求。Su等人[14]研究了預(yù)熱對(duì)42CrMo4/38MnVS6激光焊接接頭組織和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，未預(yù)熱的焊縫組織為片狀馬氏體；隨著預(yù)熱溫度的升高，焊縫中的片狀馬氏體開始向板條馬氏體轉(zhuǎn)變，并再生鐵素體和貝氏體。與不預(yù)熱相比，預(yù)熱后的焊接接頭抗拉強(qiáng)度有所提高。Cai等人[15]利用有限元程序分析了不同預(yù)熱溫度下的溫度場(chǎng)和組織轉(zhuǎn)變的變化規(guī)律，結(jié)果表明，當(dāng)預(yù)熱溫度為20～300 ℃時(shí)，隨著預(yù)熱溫度的升高，熔覆層中貝氏體含量逐漸增加，鐵素體和馬氏體含量逐漸減少；但當(dāng)預(yù)熱溫度高于300 ℃時(shí)，隨著預(yù)熱溫度的升高，熔覆層的冷卻速率急劇下降，鐵素體含量增加，貝氏體含量減少。

文中擬通過對(duì)熔覆試件進(jìn)行不同溫度下的預(yù)熱處理，研究不同預(yù)熱溫度下熔覆層的成形效果，并分析最佳預(yù)熱溫度下熔覆層的微觀組織、硬度及與母材性能的匹配程度。旨在通過預(yù)熱處理降低冷卻速度，改變激光熔覆極冷極熱的“淬火”特性，以達(dá)到減少或者杜絕馬氏體組織產(chǎn)生的目標(biāo)，這對(duì)于進(jìn)一步優(yōu)化鋼軌熔覆修復(fù)具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料與研究方法

1.1 激光填絲熔覆工藝

母材采用10 mm厚度的U75V鋼軌片狀基板， 焊絲采用直徑1.2 mm的AFEW6-86合金鋼絲材,母材與焊絲的具體成分見表1。使用RFL-C6000X光纖激光器和JR-P32-001激光頭進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)前期試驗(yàn)，得到了優(yōu)化的單層激光熔覆工藝參數(shù)見表2。

表1 U75V鋼軌和AFEW6-86鐵基合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 激光熔覆工藝參數(shù)

1.2 預(yù)熱工藝

將母材放在CT-946B微電腦控溫加熱板進(jìn)行加熱，達(dá)到指定溫度后停止加熱。通過對(duì)母材在50～200 ℃溫度梯度內(nèi)預(yù)熱，取值25 ℃為溫度差，研究不同預(yù)熱溫度下熔覆層成形效果及性能變化。

2 試驗(yàn)材料與研究方法

2.1 熔覆層高度的研究分析

以5層5道為試驗(yàn)基礎(chǔ)，利用操作平臺(tái)向上抬升z軸逐層堆積，熔覆層高度分別為0.8 mm，1.0 mm，1.2 mm，1.4 mm，研究高度變化與成形質(zhì)量的影響，為研究預(yù)熱對(duì)多層多道激光熔覆的影響提供基礎(chǔ)。選擇不同的熔覆層高度下多層熔覆層的成形效果如圖1所示。

圖1 不同熔覆層高度下多層熔覆層的成形效果

由圖1分析可知，當(dāng)抬升高度小于單層熔覆層高度1.1 mm時(shí)，焊絲受激光能量影響較大，圖1a和圖1b的外部邊緣位置隨著堆積層數(shù)的增加出現(xiàn)了一定程度的熔池下淌，整個(gè)熔覆層高低不一。當(dāng)熔覆層高度為1.2 mm時(shí)，熔覆層外觀平滑明亮且邊緣無塌陷，熔覆層頂層平整度較高，熔覆層邊界呈現(xiàn)圓弧形。當(dāng)熔覆層高度過大時(shí)，熔覆層與下層之間結(jié)合性會(huì)越來越差，導(dǎo)致熔池的流淌，形成圖1d所示的凹坑缺陷。選用熔覆層高度為1.2 mm進(jìn)行多層堆積成形效果良好，表面平整光滑。

2.2 預(yù)熱處理對(duì)熔覆層成形的影響

50～200 ℃預(yù)熱溫度梯度內(nèi)單層熔覆層的成形效果如圖2所示，熔覆層尺寸變化如圖3所示。由圖2中各宏觀截面圖分析可知，當(dāng)預(yù)熱溫度較小時(shí)，溫度與最佳參數(shù)之間的匹配度較差，熔覆層出現(xiàn)了較大的孔洞和熔深分布不均勻的缺陷，熔覆層整體尺寸波動(dòng)較大。孔洞的產(chǎn)生原因是低溫板材在熔覆過程中金屬元素蒸發(fā)變快，促進(jìn)了小孔的渦流作用，使得更多氬氣進(jìn)入，導(dǎo)致形成孔洞。熔深分布不均勻的原因是低溫板材在熔覆過程中熔池中低熔點(diǎn)的元素?fù)]發(fā)速度加快，形成的等離子云團(tuán)阻礙了部分母材受到激光作用能量，不能形成完整的熔池。

圖2 不同預(yù)熱溫度下熔覆層成形

對(duì)比圖3分析可知，當(dāng)預(yù)熱溫度大于125 ℃后，熔覆層的各尺寸變化平穩(wěn)，但預(yù)熱溫度過大容易使熔覆層往一邊塌陷。因此，125 ℃為最佳預(yù)熱溫度，熔覆層熔寬和余高分別為4.8 mm和1.6 mm。

圖3 預(yù)熱溫度對(duì)熔覆尺寸影響

根據(jù)圖4分析可知，最佳參數(shù)與最佳預(yù)熱溫度下堆積的多層熔覆層的成形效果良好，各道之間的熔合良好、搭接效率較高，且熔覆層的表面平整光滑、無缺陷存在。

圖4 最佳預(yù)熱多層熔覆層

2.3 金相分析

圖5為熔覆層組織圖，圖5a中熔覆區(qū)主要為魏氏組織。魏氏組織會(huì)減弱熔覆層的沖擊韌性和塑性，且增強(qiáng)材料的脆性，使熔覆區(qū)容易產(chǎn)生脆斷。圖5b中熱影響區(qū)主要為針狀馬氏體。珠光體受到激光熱量傳導(dǎo)后發(fā)生了奧氏體轉(zhuǎn)化，但激光作用時(shí)間較短，隨后基材又迅速散熱降溫，導(dǎo)致馬氏體呈現(xiàn)爆發(fā)式的轉(zhuǎn)變。圖5c中熔覆區(qū)主要為下貝氏體?；孱A(yù)熱后溫度一直保持在125 ℃，熔覆層溫度不會(huì)冷卻降至125 ℃以下。隨著熔覆層冷卻速度降低，下貝氏體組織增多。下貝氏體由鐵素體與碳化物構(gòu)成，具有較高的強(qiáng)度和韌性。圖5d中熱影響區(qū)仍存在較多馬氏體組織，靠近熔合線的熱影響區(qū)與熔池溫差較大，受到熱量散發(fā)的影響產(chǎn)生馬氏體組織，預(yù)熱對(duì)該區(qū)域組織成分的影響較小。但隨著遠(yuǎn)離熔合線，馬氏體逐漸減少甚至不再出現(xiàn)。圖5e中熔覆區(qū)主要為粒狀貝氏體。多層堆積時(shí)下層的余溫導(dǎo)致上層堆積的熔覆區(qū)的冷卻變慢，奧氏體發(fā)生中溫轉(zhuǎn)變?yōu)榱钬愂象w。粒狀貝氏體能為材料提供較大的強(qiáng)度和韌性，較為適應(yīng)鋼軌修復(fù)后的性能需求。圖5f中熱影響區(qū)主要為片狀馬氏體。多層堆積引起的回火作用分解了適量馬氏體組織，馬氏體組織大小與密度顯著減少，粗針狀馬氏體的數(shù)量和聚集程度嚴(yán)重下降。圖6為最佳預(yù)熱溫度多層熔覆層。

圖5 熔覆層組織圖

圖6 最佳預(yù)熱溫度多層熔覆層

2.4 硬度分析

由圖7分析可知，無論是否預(yù)熱，單層的熱影響區(qū)的硬度值遠(yuǎn)大于多層，由于單層熔覆層的熱影響區(qū)存在的片狀馬氏體極大地提高了硬度，而多層熔覆層因搭接后的回火作用分解了大部分針狀馬氏體。多層與單層熔覆區(qū)之間的硬度值差距大幅度下降。原因是未預(yù)熱與預(yù)熱后單層的熔覆區(qū)中分別存在魏氏組織與下貝氏體，都提高了材料的硬度。而無預(yù)熱多層的熔覆區(qū)中存在的粒狀貝氏體硬度較小，預(yù)熱多層的熔覆區(qū)中存在的等軸晶與柱狀晶對(duì)硬度變化影響較小。

圖7 各位置硬度變化曲線

綜上所述，預(yù)熱工藝雖然使激光熔覆后試板的冷卻速度降低，但對(duì)馬氏體組織的轉(zhuǎn)變影響較小，需通過回火后處理消除馬氏體，降低硬度值。

3 結(jié)論

(1)選擇過大或過小的熔覆層厚度進(jìn)行多層熔覆層堆積都會(huì)引起熔覆層邊緣塌陷、熔池流淌的缺陷，單層熔覆層厚度為1.2 mm時(shí)成形的熔覆層質(zhì)量較好，表面光滑無缺陷。

(2)預(yù)熱溫度低于125 ℃時(shí)，熔覆層出現(xiàn)了孔洞和熔深分布不均勻的缺陷，整體尺寸波動(dòng)較大，125 ℃預(yù)熱成形的多層熔覆層成形質(zhì)量較好，無明顯缺陷。

(3)單層熔覆層在母材預(yù)熱后熔覆區(qū)組織由魏氏組織變化為下貝氏體，熱影響區(qū)仍存在較多馬氏體，主要為粗晶馬氏體，硬度變化較小。

(4)預(yù)熱的單層和多層熔覆層在熔覆區(qū)的硬度值均大于未預(yù)熱的熔覆層，熱影響區(qū)與之相反。單層熔覆層熱影響區(qū)和熔覆區(qū)的硬度值均大于多層熔覆層，且熱影響區(qū)與熔覆區(qū)之間的差距較大。