激光熔覆修復(fù)30CrMnSiA合金鋼的顯微組織和性能研究

龐義斌 ，胡鳳嬌，張 峰，張 帥 ，周智文

1.航發(fā)優(yōu)材（鎮(zhèn)江）增材制造有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212132

2.凌云科技集團有限責任公司，湖北 武漢 430000

0 前言

電動絞車滾筒在實際使用過程中槽尖與鋼索會發(fā)生接觸式摩擦，槽尖容易發(fā)生磨損而失效。為了既保證滾筒槽尖的尺寸，又提高其使用壽命，目前工業(yè)上常采用堆焊和噴涂等材料表層改性方法來實現(xiàn)。但零件表面堆焊時的熱輸入不易控制，噴涂層為機械結(jié)合層，存在結(jié)合力不足等問題［1-2］。激光熔覆作為先進的材料表層改性技術(shù)，是利用高能激光來沖擊材料表面，使基體表面薄層與熔覆材料共同熔化并快速凝固，形成冶金結(jié)合層，具有能量密度高、熱影響小、稀釋率低、熔覆層結(jié)合性好、易于自動化生產(chǎn)等優(yōu)點，在高性能表面制備、失效零件修復(fù)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［3-5］。

電動絞車滾筒的材質(zhì)為30CrMnSiA高強合金鋼，目前關(guān)于高強鋼激光熔覆修復(fù)已有較多報道，如在30CrMnSiNi2A鋼表面熔覆1Cr15Ni4Mo3粉末［6］，在300M鋼表面熔覆 AerMet1000 粉末［7］等。30CrMnSiA高強鋼表面激光熔覆修復(fù)應(yīng)用主要集中在18CrMoA和鐵基等合金粉末［8-9］，存在基體熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致熔覆層強度低于基體強度［10］。因此，如何對受損的零部件進行強韌性匹配修復(fù)是30CrMnSiA材質(zhì)零件修復(fù)亟需解決的技術(shù)難題之一。

研究表明，熔覆材料選型時，選擇與基體成分相同或相近的合金粉末對構(gòu)件綜合性能至關(guān)重要［11］。因此，本文以在飛機制造業(yè)應(yīng)用較為廣泛的30CrMnSiA合金鋼為對象，選用與基體成分相同的30CrMnSiA粉末作為熔覆材料，針對滾筒激光熔覆修復(fù)的性能需求，以拉伸性能、沖擊性能、硬度等作為熔覆層結(jié)合性能的評價指標，探索滿足滾筒性能需求的成形工藝，解決熱影響區(qū)軟化問題，為飛機制造業(yè)零件的修復(fù)和使用提供理論支持。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及設(shè)備

試驗基材為30CrMnSiA合金鋼，尺寸100 mm×100 mm×10 mm，化學成分如表1所示。激光熔覆原材料為15～53 μm的30CrMnSiA粉末，使用前在真空烘箱中進行100 ℃×1 h烘干處理。

表1 30CrMnSiA鋼化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Table 1 Chemical composition of 30CrMnSiA steel （wt.%）

激光熔覆成形設(shè)備使用六軸機器人激光直接沉積成形設(shè)備，主要包括：TruDisk6002碟片式激光器、KUKA KR90六軸機器人、KUKA DKP400變位機、Medicoat振動送粉器、SPR4800加工機床等。

激光熔覆前，使用電動打磨槍打磨基板表面，并用丙酮擦拭。通過前期工藝試驗，綜合考核熔覆層外觀成形與組織形貌（不允許有未熔合、微裂紋等微觀缺陷），優(yōu)化的30CrMnSiA粉末激光熔覆參數(shù)見表2。

表2 優(yōu)化的激光熔覆參數(shù)Table 2 Optimized laser cladding parameters

1.2 試驗方法

拉伸力學性能試板制備如圖1所示，開45°坡口，對接間隙為0.5 mm。采用多層多道激光熔覆對稱填充坡口，即熔覆上側(cè)一層后，翻面熔覆對側(cè)一層，依次類推進行填充，以降低殘余應(yīng)力，減少變形。按照GB/T228.1—2010，在圖1對接接頭中取樣，取樣位置如圖2所示，上下坡口隨機共取3個試樣。拉伸試樣如圖3所示，厚度為2 mm（均為對接填充區(qū)域），對接試板中心位于拉伸試樣的中心部位。采用美特斯CMT5105萬能拉伸試驗機測試對接試樣的室溫拉伸性能，拉伸速率為1 mm/min。

圖1 拉伸力學性能試板示意（單位：mm）Fig.1 Schematic diagram of tensile property test plate

圖2 對接拉伸試樣取樣位置Fig.2 Sampling position of butt tensile sample

圖3 拉伸試樣尺寸示意Fig.3 Schematic diagram of tensile specimen size

室溫沖擊力學性能試板制備如圖4a所示，在10 mm厚30CrMnSiA鍛件上熔覆8 mm厚30CrMn‐SiA增材，試板尺寸為140 mm×200 mm×10 mm。試塊為10 mm厚30CrMnSiA鍛件和8 mm厚30CrMn‐SiA增材件，熔覆后進行退火（190 ℃×2 h）。按照GB/T229.1—2007，室溫沖擊試樣取樣位置及尺寸分別如圖4a、4b所示，開U形缺口，缺口位于5 mm增材和5 mm鍛件的結(jié)合線平面。采用PIT452C-2型擺錘沖擊試驗機進行室溫夏比沖擊試驗，擺錘300 J。

圖4 沖擊試樣取樣位置及尺寸示意Fig.4 Schematic diagram of sampling position and size of impact sample

拉伸和沖擊試驗不用同一塊試板的原因是：拉伸試驗主要為評估修復(fù)后的結(jié)合性能以及修復(fù)部位性能的好壞，沖擊試樣若在拉伸試板上進行加工和激光熔覆，基材厚度只有1 mm，不能客觀評估實際修復(fù)零件結(jié)合部位的沖擊性能，而一半鍛件、一半增材能較好地解決該問題。

在拉伸試樣上截取金相試樣，采用硝酸酒精溶液進行腐蝕，使用DM4M金相顯微鏡進行組織觀察。采用Qness Q10M顯微維氏硬度計測試試樣左側(cè)與右側(cè)橫截面的基材、熱影響區(qū)、激光增材區(qū)的硬度，測試載荷為500 N，加載時間為15 s。采用IT500-A場發(fā)射掃描電鏡檢測金相組織、拉伸與沖擊斷口形貌。采用ATOS Tripe scan型三維光學掃描儀對比滾筒修復(fù)前后尺寸。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 組織分析

拉伸試樣和沖擊試樣的宏觀形貌如圖5所示，試樣表面呈銀白色，光滑平整、無波紋，成形較美觀。

圖5 性能測試試樣宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of performance test sample

圖6為激光熔覆30CrMnSiA拉伸試樣的宏觀和顯微組織。圖6a為金相宏觀組織，由30CrMnSiA基材、熱影響區(qū)和30CrMnSiA增材區(qū)3部分組成，圖6b～6d分別為圖6a中1、2、3標示位置的放大組織SEM照片。基材與增材區(qū)之間有一條連續(xù)的白色亮帶（見圖6a），其顯微組織主要由平面晶組成，說明結(jié)合界面為牢固的冶金結(jié)合［12］。30CrMnSiA接頭無裂紋、氣孔和夾雜等缺陷?；膮^(qū)主要是馬氏體與鐵素體，塊狀組織為鐵素體，塊狀組織之間為馬氏體。熱影響區(qū)寬約0.5 mm，組織形貌未表現(xiàn)出明顯的變化，主要為一束束排列的板條和少量小顆粒，其組織為馬氏體和極少的鐵素體。在多層多道焊的熱循環(huán)作用下，馬氏體發(fā)生少量分解，過飽和的碳原子在冷卻過程中析出碳化物，使得熔覆層組織主要為馬氏體基體上分布著少量的硬質(zhì)相碳化物顆粒。

圖6 30CrMnSiA激光熔覆的宏觀和顯微組織Fig.6 Macrostructure and microstructure of 30CrMnSiA laser coating

2.2 顯微硬度

激光熔覆30CrMnSiA拉伸試樣橫截面硬度分布曲線如圖7所示。由圖可知，熱影響區(qū)出現(xiàn)了硬化現(xiàn)象，淬硬區(qū)寬度約為0.2 mm，最高值達450 HV0.5，熱影響區(qū)寬約0.5 mm。熔覆區(qū)硬度約380 HV0.5，高于基材區(qū)硬度（360 HV0.5）。熔覆層主要由馬氏體和少量碳化物硬質(zhì)相組成，而基材含有少量鐵素體，鐵素體的硬度比馬氏體低，所以熔覆層硬度高于母材區(qū)。圖8為結(jié)合層Si、Cr和Mn元素顯微硬度測量位置EDS線掃結(jié)果，熱影響區(qū)組織主要為馬氏體和極少的極小鐵素體，碳化物硬度比馬氏體小，同時合金元素在鐵素體中的固溶強化效果從好到差依次為 Mn、Cr、Si［13-14］，熱影響區(qū) Mn、Cr含量較高，由于馬氏體化與合金元素固溶強化的共同作用，熱影響區(qū)出現(xiàn)硬化現(xiàn)象。

圖7 熔覆試樣截面硬度曲線Fig.7 Section hardness curve of cladding sample

圖8 結(jié)合層線掃結(jié)果Fig.8 Line scanning results of bonding layer

2.3 拉伸性能

30CrMnSiA對接試樣和30CrMnSiA鍛件室溫拉伸性能試驗結(jié)果如圖9所示。激光熔覆接頭的平均抗拉強度和平均屈服強度分別為1 176 MPa和1 049 MPa，均為母材的104%，延伸率為10.4%，達到母材的75%。研究表明［15-16］，抗拉強度與硬度成正比，即硬度小的區(qū)域在拉伸過程中優(yōu)先發(fā)生塑性變形而斷裂。接頭未出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，因此對接試樣均斷裂于基材區(qū)，圖10為激光熔覆接頭室溫拉伸斷裂照片，也證明了這點。同時，熔覆層與熱影響區(qū)占拉伸試樣一定比例，硬度較基材高，塑性變形階段存在差異，拉伸斷裂前塑性變形主要為基材變形，所以延伸率低于單純的鍛件基材。分析認為，接頭強度高于鍛件母材強度，拉伸性能良好，且零件修復(fù)性能主要要求為強度和沖擊性能滿足要求，所以修復(fù)后的拉伸性能符合試件要求。

圖9 30CrMnSiA對接試樣和鍛件室溫拉伸性能Fig.9 Room temperature tensile properties of 30CrMnSiA butt joint sample and forge piece

圖10 拉伸試樣斷裂位置Fig.10 Fracture position of tensile sample

圖11a、11b分別為30CrMnSiA對接接頭與鍛件拉伸斷裂后的斷口形貌，均為基材斷口形貌。對接接頭的基材斷口比鍛件的基材斷口韌窩多且深，且韌窩中分布著小顆粒強化相。30CrMnSiA鍛件斷口有一定的撕裂的現(xiàn)象，均為韌性斷裂。

圖11 拉伸試樣斷口形貌Fig.11 Fracture morphology of tensile sample

2.4 沖擊性能

表3為30CrMnSiA對接接頭與基材室溫沖擊性能試驗結(jié)果。30CrMnSiA增材-30CrMnSiA鍛件、30CrMnSiA鍛件沖擊韌性平均值分別為115.8 J/cm2、72 J/cm2，對接接頭沖擊韌性遠超標準值（49 J/cm2），是鍛件的161%。這是因為在激光多層多道的熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)析出物增多，合金化作用增強，有利于結(jié)合區(qū)組織強化。而形成的單層多道熔覆層，由于激光快熱快冷工藝使得單層上部極小厚度區(qū)域組織細小，在多層多道熔覆時，上層細小的組織被重新熔化，熔覆形態(tài)最終保留為梯度特征降低、性能良好的細小柱狀晶組織，有利于提高接頭組織均勻性，進而提升整體性能。同時，影響接頭韌性的組織因素有組織類型和晶粒尺寸，接頭填充區(qū)域晶粒尺寸明顯小于基材［17-18］，因此其沖擊韌性高于鍛件。圖12為沖擊試樣宏觀斷裂照片，在擺錘沖擊下，30CrMnSiA增材-30CrMnSiA鍛件結(jié)合區(qū)沒有出現(xiàn)脫落及剝離，表明基體和增材區(qū)界面處為致密的冶金結(jié)合。

表3 30CrMnSiA對接接頭與基材室溫沖擊性能Table 3 Room impact properties of 30CrMnSiA butt joint and substrate

圖12 沖擊試樣斷裂照片F(xiàn)ig.12 Fracture photo of impact sample

圖13為30CrMnSiA增材-30CrMnSiA鍛件和30CrMnSiA鍛件的沖擊斷口形貌。30CrMnSiA增材-30CrMnSiA鍛件試樣斷口（見圖13a）呈現(xiàn)混合斷裂特征，左側(cè)基材斷口呈現(xiàn)明顯的撕裂棱特征，韌窩較少；右側(cè)增材區(qū)斷口比較平整，由大量的韌窩組成，呈韌性斷裂特征，同時撕裂棱的減少表明韌性增強。30CrMnSiA鍛件斷口（見13b）特征與圖13a左側(cè)相似，整體仍呈現(xiàn)韌性斷裂特征但塑性有所下降。

圖13 沖擊試樣斷口形貌Fig.13 Fracture morphology of impact sample

2.5 應(yīng)用實例

采用以上工藝成功修復(fù)了電動絞車滾筒，修復(fù)前后尺寸對比如圖14所示，除了修復(fù)區(qū)尺寸變化外，其余區(qū)域均未發(fā)現(xiàn)明顯變形，說明修復(fù)過程中熱輸入控制較均勻，未造成滾筒槽尖的變形，表明激光熔覆修復(fù)工藝是可行的。

圖14 電動絞車滾筒修復(fù)前后尺寸對比Fig.14 Comparison of dimensions of electric winch roller before and after repair

3 結(jié)論

（1）30CrMnSiA激光熔覆增材區(qū)與基材之間形成了致密、無缺陷的冶金結(jié)合，熱影響區(qū)組織主要為馬氏體和少量鐵素體，熔覆層主要為馬氏體和少量碳化物。

（2）30CrMnSiA修復(fù)強度、沖擊韌性高于鍛件母材，熱影響區(qū)硬度較高，已不再是失效區(qū)域。總之，采用激光熔覆工藝，接頭強韌性匹配，可用于修復(fù)滾筒槽尖缺損，力學性能滿足指標要求。

（3）使用激光熔覆技術(shù)和具體修復(fù)工藝的電動絞車滾筒變形小，變形可控，也解決了基體熱影響區(qū)軟化問題，可延長零件壽命，節(jié)約巨大的成本，但修復(fù)接頭的疲勞性能、持久性能需要繼續(xù)投入研究，完善增材修復(fù)理論體系建設(shè)。