TC4表層激光熔覆Fe基合金層組織及性能研究

王 勝，邵思程，畢少平，劉文軍，吳 軍，余文利

(1.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，衢州324000；2.衢州學(xué)院 浙江省空氣動力裝備技術(shù)重點實驗室，衢州324000)

引 言

TC4(Ti-6Al-4V)合金具有較好的硬度和耐磨、耐腐蝕等優(yōu)良性能，在航空航天航海等環(huán)境較為復(fù)雜的環(huán)境下應(yīng)用較為廣泛，尤其在高端裝備制造零部件的生產(chǎn)加工方面，是不可或缺的制造材料[1]。由于在特殊惡劣的環(huán)境狀態(tài)下使用，TC4鈦合金零部件表面存在較為嚴(yán)重的腐蝕和磨損現(xiàn)象，導(dǎo)致鈦合金部件在使用過程中存在不同程度的損壞和老化失效，如未對其及時修復(fù)和保養(yǎng)，會嚴(yán)重影響相應(yīng)設(shè)備的使用壽命和使用安全。因此，為了提高TC4鈦合金表面的耐磨耐蝕耐氧化性能，采用先進的激光制造工藝在TC4表層激光熔覆制備硬度較高的沉積層，研究分析沉積層和TC4基體的顯微形貌和綜合性能的變化規(guī)律，成為目前亟需解決的課題。

國內(nèi)外學(xué)者針對TC4合金表層激光熔覆制備相應(yīng)合金涂層的修復(fù)制造研究方面進行了相關(guān)研究。ZHANG等人[2]利用先進的送粉激光技術(shù)在TC4表面制備了Ni60涂層，研究分析了涂層的單項力學(xué)性能及殘余應(yīng)力分布情況。TIAN等人[3]采用先進的分析技術(shù)方法對激光熔覆制備的B4C沉積層進行了微觀組織形貌的分析。SUN等人[4]研究了TC4合計表面制備TiCp/Ni基合金涂層的工藝參數(shù)優(yōu)化，并采用先進電子顯微設(shè)備對沉積層的顯微形貌和摩擦性能進行了綜合分析和比對。WU等人[5]在TC4表層制備了AlCoCrFeNiTi0.5沉積層組織，分析了沉積層的綜合力學(xué)性能和熔覆宏觀形貌變化規(guī)律。MA[6]為了提高TC4表面耐磨性，采用相應(yīng)CO2激光器，在TC4表層制備了具有較高耐磨度的復(fù)合涂層。LIU等人[7]為了制備無氣孔和裂紋且組織細(xì)致的沉積層，其采用橫流CO2激光器，在TC4表層制備了TiB2與Ni的復(fù)合涂層，提高了TC4鈦合金的耐磨性。ZHANG等人[8]在TC4鈦合金表面多道激光熔覆工藝制備了Ni60A自熔性合金,得到了融合性能較好的激光沉積層組織。ZHENG等人[9]采用正交優(yōu)化試驗，在鈦合金表面制備了缺陷較少的Ti-Mo-Si復(fù)合型涂層組織。PACHECO等人[10]通過多元回歸建立工藝參數(shù)(激光功率、掃描速率和送粉速率)與涂層幾何特征之間的相關(guān)性。MAJUMDAR等人[11]采用連續(xù)波CO2激光在Ti-6Al-4V合金表面直接激光熔覆鈷，詳細(xì)研究了工藝參數(shù)對界面組織、成分和相的影響，得出了TC4合金制備最佳界面力學(xué)和電化學(xué)性能的工藝參數(shù)。SMUROV等人[12]分析了亮溫隨激光功率和熔覆速率的變化規(guī)律，并采用CCD攝像機作為診斷工具，對同軸粉末注射過程中的粒子飛行速度進行在線監(jiān)測研究，實現(xiàn)了激光熔覆過程的在線優(yōu)化。

綜上可知，國內(nèi)外研究學(xué)者對TC4合金表層激光熔覆金屬合金后的沉積層性能的研究與分析較為深入，但分析現(xiàn)有研究成果發(fā)現(xiàn)，針對TC4合金表層激光熔覆制備Fe基(Fe35)合金沉積層的顯微組織形貌、顯微硬度變化等綜合性能的影響規(guī)律分析不多[13]。因此，本文中主要研究TC4鈦合金表面激光熔覆制備Fe基沉積層過程中，分析經(jīng)驗工藝參數(shù)組合對沉積層及TC4基體材料的顯微組織形貌、硬度、顯微硬度等的影響規(guī)律。該研究為延長TC4鈦合金部件在航海航空等惡劣環(huán)境下的服役時間提供了技術(shù)保障。

1 實 驗

1.1 實驗材料

采用TC4合金為激光熔覆基體材料，經(jīng)過高溫回火熱處理后，將基體進行去除雜質(zhì)和氧化皮處理，并用專用的清潔劑進行表面防銹和激光熔覆材料增收處理，且在數(shù)控銑床上進行一定的半精加工，最終將試樣尺寸控制在65mm×65mm×30mm。鐵基粉末材料選擇杭州盛鐳激光生產(chǎn)的Fe35A合金粉末，其洛氏硬度(Rockwell hardness，HRC)為32HRC，粉末粒度范圍為-100目～+270目。Fe基合金和TC4鈦合金的主要成分如表1和表2所示[14-15]。

Table 1 Chemical composition(mass fraction) of Fe35A iron base alloy

Table 2 Chemical composition(mass fraction) of TC4 titanium alloy

1.2 實驗方案

實驗過程全程采用博實工業(yè)機器人與3kW激光修復(fù)系統(tǒng)配備，型號為：SL-GX-3000W;光斑尺寸設(shè)置為6mm×3mm。

在特定合理的經(jīng)驗參數(shù)范圍內(nèi)，采用平行于光斑長邊方向進行激光熔覆實驗。研究Fe35A鐵基合金沉積層的宏觀和微觀質(zhì)量受激光功率、掃描速率、送粉速率等參數(shù)的影響規(guī)律。試樣完成后用高精度洛氏硬度設(shè)備對沉積層進行硬度測試，選取洛氏硬度HRC硬度值最大的熔覆實驗進行深入擴展實驗研究。利用北京時代瑞光的A-41X高精密金相顯微儀觀察沉積層的金相組織變化情況，綜合分析最佳熔覆試樣的組織形貌和性能的變化規(guī)律，最后利用上海邦億的HV-1000Z顯微維氏硬度儀，對距離Fe鐵基沉積表層垂直方向每間距0.1mm深度進行顯微硬度測量，測試載荷設(shè)置為200g,保壓時間為10s[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同工藝參數(shù)下沉積層洛氏硬度對比

如表3所示，根據(jù)經(jīng)驗熔覆參數(shù)實驗表進行激光熔覆實驗，對應(yīng)試樣洛氏硬度HRC值如圖1所示。觀察圖1可知，R3號試樣對應(yīng)的沉積層洛氏硬度HRC值最大為40.2HRC，此時的工藝參數(shù):激光功率為2.3kW,掃描速率為9mm/s，送粉速率為10g/min。在經(jīng)驗參數(shù)的指導(dǎo)實驗下，對3組不同工藝參參數(shù)組合制備而成的試樣進行深入的檢測和研究，并選取洛氏硬度HRC值最大的試樣進行擴展實驗研究，將所得的數(shù)據(jù)在相關(guān)曲線圖上進行表達，綜合分析TC4表面激光熔覆Fe基合金涂層的顯微組織和性能的變化規(guī)律。

Table 3 Experimental parameters of laser cladding test

Fig.1 Rockwell hardness value and error bar diagram of cladding layer under empirical parameters

2.2 工藝參數(shù)對沉積層宏觀形貌的影響

圖2所示為經(jīng)驗參數(shù)實驗下TC4表面Fe35A鐵基沉積層的宏觀形貌狀態(tài)。深入觀察圖2不難發(fā)現(xiàn)，沉積層整體形狀最為飽滿的是R3試樣，R1和R2整體飽滿度均略小于R3；且R1和R2沉積層較R3表面存在較多的裂紋與坑狀形貌，沉積紋路較為雜亂，圖中宏觀形貌最差的是R1試樣；再次觀察R3發(fā)現(xiàn)，其沉積層表面質(zhì)量較高，且沉積紋路均勻，沉積層細(xì)致美觀，由此可知，在R3經(jīng)驗參數(shù)組實驗下，F(xiàn)e35A鐵基沉積層宏觀形貌及表面質(zhì)量最佳。

Fig.2 Macro morphology of cladding layer under empirical parameters

2.3 工藝參數(shù)對沉積層顯微組織的影響

將沉積層表面質(zhì)量最佳的R3試樣和最差的R1試樣，再數(shù)字化測試實驗室內(nèi)進行微觀金相組織的觀察，研究分析沉積層中部熔池微觀金相組織形貌的差別與特征，如圖3a和圖3b所示。

Fig.3 Comparison of microstructure of Fe based alloy coatinga—R1 molten pool in the middle of sedimentary layer b—R3 molten pool in the middle of sedimentary layer

觀察圖3a可知，R1試樣沉積層微觀金相組織晶粒與晶粒之間的間距較大，且晶粒未細(xì)化，晶粒以粗大粒狀表現(xiàn)為主，導(dǎo)致該區(qū)域沉積層硬度值較低；綜合觀察圖3b可知，R3試樣微觀金相組織細(xì)化明顯，晶粒以細(xì)致均勻排列為主，晶粒與晶粒之間排列緊湊細(xì)致，晶粒以細(xì)小密狀排列分布為主，此時沉積層中部熔池整體硬度較高。

2.4 工藝參數(shù)對最佳沉積層組織性能影響

結(jié)合圖1，選擇最佳沉積層R3試樣，在數(shù)字化測試實驗室內(nèi)進行切面3維顯微形貌的分析檢測，如圖4所示。綜合分析圖4不同功能區(qū)3維形貌圖可知，根據(jù)不同區(qū)域的分布及測試情況，可將Fe基沉積層分為四大區(qū)域：基體區(qū)、沉積層頂層熱影響區(qū)、沉積層與基體融合區(qū)、沉積層區(qū)。深入觀察各區(qū)域的3維顯微形貌可知，沉積層與基體融合區(qū)顯微組織融合較好，且晶體組織細(xì)致均勻；沉積層頂層熱影響區(qū)顯微組織變化活躍，排列復(fù)雜且晶相各異；TC4基體組織較為穩(wěn)定，晶體形狀飽滿緊湊；沉積層區(qū)晶體細(xì)化明顯，且排列均勻，顯微結(jié)構(gòu)規(guī)則細(xì)致。

Fig.4 3-D micro morphology zoning map of the best cladding layera—matrix region b—heat affected zone at the top of sedimentary layer c—fusion zone between deposition layer and substrate d—sedimentary area

2.5 工藝參數(shù)對沉積層顯微硬度的影響

再次結(jié)合表3，選取最佳工藝參數(shù)組合熔覆試樣R3，將其進行整體切面后測量所得沉積層區(qū)域的幾何形狀寬度和高度為5.5mm×0.62mm。顯微硬度值的測量則利用高精度顯微維氏硬度儀，選取距離沉積區(qū)頂層間距差為每0.1mm的位置進行檢測，其值變化規(guī)律曲線如圖5所示。

結(jié)合圖4，綜合分析圖5可知，從左至右劃分為0mm～0.4mm為沉積層頂層的熱影響區(qū)、0.4mm～1.0mm為沉積層區(qū)、1.0mm～1.6mm為沉積層底層的熱影響區(qū)、1.6mm～2.0mm為TC4基體區(qū)。分析圖5不難發(fā)現(xiàn)，沉積層頂層的熱影響區(qū)、沉積層區(qū)和沉積層底層的熱影響區(qū)三大區(qū)域的維氏硬度(Vickers hardnes，HV)值均高于TC4基體，其中沉積層區(qū)的顯微硬度平均值在645.5HV，最大值可達656HV，力學(xué)性能明顯優(yōu)于基體區(qū)。由于沉積層頂層的熱影響區(qū)內(nèi)晶相組織結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜且冷卻速度較快，導(dǎo)致該區(qū)域顯微硬度值較低[16]；分析圖5可知，沉積層區(qū)中試樣的顯微硬度迅速增大，該區(qū)域處于試樣的中部位置，該位置散熱速度緩慢，且晶粒逐步細(xì)化，產(chǎn)生了大量的馬氏體組織[16]，促使沉積層區(qū)的顯微硬度大幅提高；隨著檢測深度的再次增大，超出沉積層底部熱影響區(qū)后試樣的顯微硬度HV值迅速降低至204HV并趨于穩(wěn)定，此時進入TC4基體區(qū),表現(xiàn)為TC4的力學(xué)性能。

Fig.5 HV value distribution and error bar of microhardness of the best cladding layer

3 結(jié) 論

(1)在TC4表層激光熔覆Fe基合金實驗過程中，當(dāng)經(jīng)驗參數(shù)控制在激光功率2.3kW、掃描速率為9mm/s、送粉速率為10g/min時，能夠得到高質(zhì)量的Fe基合金沉積層，其表面紋路均勻，沉積層規(guī)整飽滿，宏觀形貌最佳，沉積層表層洛氏硬度高達40.2HRC。

(2)在最佳經(jīng)驗參數(shù)實驗下，TC4鈦合金基體與Fe基合金沉積層熔合度高，顯微觀察沉積層內(nèi)部金相組織形貌發(fā)現(xiàn)，其晶粒細(xì)化明顯，排列緊湊，顯微形貌好，顯微硬度平均值達645.5HV，最高達656HV。實現(xiàn)了在TC4鈦合金表面高質(zhì)量制備Fe基合金沉積層的目的。