扫描速度对激光熔覆Ni60涂层组织性能的影响

刘俊航,　刘喜明

(长春工业大学 材料科学与工程学院， 吉林 长春　130012)



扫描速度对激光熔覆Ni60涂层组织性能的影响

刘俊航,刘喜明*

(长春工业大学 材料科学与工程学院， 吉林 长春130012)

摘要：运用激光熔覆技术在Q235钢表面熔覆Ni60合金，研究了不同扫描速度对熔覆层的显微组织、硬度和耐磨损性能的影响。实验表明,随着扫描速度的增加，激光熔覆层的硬度和耐磨性得到改善。

关键词：激光熔覆; Ni60; 耐磨性

0引言

激光熔覆技术是指以不同的添料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化,并快速凝固后形成稀释度极低,与基体材料成冶金结合的表面涂层,从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等工艺方法。激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，是一种对裂纹敏感的工艺[1-5]。激光表面熔覆含有各种体积分数硬质颗粒的复合涂层越来越受关注,尤其是碳化物-金属复合涂层在改善基材的磨损抗力方面显示出巨大的潜力[6-7]。

在表面喷焊用自熔合金粉末中,Ni60是广泛应用的品种之一,因为用Ni60喷焊后的零部件表面硬度在HRC60左右,相当于渗碳、渗硼、镀铬和堆焊等表面硬化处理后的硬度,又具有良好的耐金属间摩擦磨损、耐低应力磨粒磨损、耐腐蚀和抗氧化等性能,可以切削和磨削加工,能适应工件同时受磨损、腐蚀和高温的综合作用,所以，能获得几倍乃至几十倍提高零件使用寿命的效果[8-9]。

1试验材料及试样制做

1.1试验材料

基体材料选择应用广泛的Q235钢,其强度和塑性较好, 具有良好的表面熔覆性能。为避免基体材料变形造成对试样的影响，选择厚度为6 mm的Q235钢板，其加工成尺寸为90 mm×50 mm×5 mm小块，并用砂纸将表面氧化皮去除，用酒精擦拭干净,Q235钢的各项参数见表1。

表1　 Q235钢的化学成分及性能参数　　wt%

激光熔覆制造是一个多影响因素的复杂过程，因此深入了解主要影响因素对成形质量的影响规律，优化工艺参数至关重要。

试验选用Ni60B合金粉末作为工艺优化材料，因为Ni60B主要成分为Ni，价格比纯Ni粉便宜，可降低试验成本，且有良好的成形性，具有一定的强度，可以有效地反映出成形工艺参数在成形质量上的影响规律。Ni60B的化学成分见表2。

表2　Ni60B的化学成分　　　　wt%

1.2试样制作

熔覆时分别采用不同扫描速度，见表3。

表3　试验参数　　　　mm/min

以获得不同扫描速度的Ni60熔覆层对不同扫描速度的熔覆层进行显微组织分析、硬度检测、磨损试验，比较研究不同扫描速度对激光熔覆工艺制造的试样性能的影响规律。激光熔覆工艺参数为：激光输出功率2.2 kW、激光束作用直径3.5 mm、送粉速率5 g/min、载气流量200 L/h、激光距喷嘴距离8 mm，保护气为氩气。

不同扫描速度条件下的熔覆层的宏观形貌如图1所示。

图1　不同扫描速度下熔覆层试样

在4个扫描速度下制备的激光熔覆的试样，表面平整、光滑、无宏观裂纹和气孔，熔覆材料与基体之间形成了冶金结合。在其他试验参数相同的情况下，随着扫描速度的增加，熔覆层的厚度减薄、宽度减小。

2实验结果及分析

2.1熔覆层的显微组织

将上述试验参数获得的熔覆层沿垂直扫描速度方向切开，进行横断面显微组织观察，试样熔覆层和热影响区在500倍光学显微镜下照片如图2所示。

(a) A1

(b) A2

(c) A3

(d) A4

熔覆层的组织主要受成分和加热冷却条件的制约。由图2可以看出，在其他试验参数相同的条件下，随着扫描速度的增加，基体熔化量减少，热影响区减小，基体对熔覆层的冷却速度加快，获得的熔覆层组织趋于细化。

单道激光熔覆后获得的涂层均匀致密。Ni60熔覆层剖面的低倍组织形貌如图3所示。

(a) A1

(b) A2

(c) A3

(d) A4

由表到里(自上而下)可以分为4个区域:熔化区、结合区、基材热影响区及基体区。熔化区为合金涂层，结合区为合金涂层与基材热影响区的熔合带，表现为一条明显的宽为几个微米的“亮带”，结合区以上为基材热影响区，主要由马氏体组成，这是因为熔池底部的基体温度高于临界点Ac3，当激光束移动后，依靠基体的传热发生淬火得到马氏体组织。随着离开结合区的距离增加，加热温度不断降低，由相变区、部分相变区最后过渡到基体组织[10-11]。

在其他熔覆参数相同情况下，随着扫描速度的增加，界面形态由平直向曲形、波浪形变化，如图4所示。

(a) A1

(b) A2

(c) A3

(d) A4

此现象是由熔覆过程中熔池内液体产生扰动所致，扰动使基体表面熔化部分强制卷入熔池。

图4所示熔覆层与基体间界面处有一条白亮层，是送粉激光熔覆最常见的组织之一，是在高能激光束快速扫描时，熔层瞬间熔化并形成熔池，通过熔体传给基体表面的热量使表面薄层微熔并与熔层合金产生分子或原子级交互扩散，从而形成了牢固的冶金结合带。

2.2熔覆层硬度检测结果

熔覆层的硬度是熔覆层的重要性能指标之一，为研究不同扫描速度对所形成的激光熔覆层的硬度的影响，分别对A1、A2、A3、A4熔覆层的硬度进行检测分析。激光熔覆层显著的化学成分、物相分布和显微组织的不均匀性决定了熔覆层硬度的不均匀性，实验采用型号为FM700的显微硬度计检测了熔覆层、熔覆层与基体界面附近、基体的硬度，检测位置为4个区域：

1)熔覆层非稀释区；

2)熔覆层稀释区；

3)基体重结晶区；

4)基体区。

显微硬度检测点示意图如图5所示。

图5　显微硬度检测点示意图

在每一个区域内分别检测5个值，取平均值，检测结果见表4。

表4　不同区域的维氏硬度值　　　　HV

显微硬度计的参数为：加载载荷0.98 N、加载时间15 s。所测数值为HV维氏硬度。

硬度具有典型的阶梯形式，同一熔覆试样，熔覆层非稀释区的硬度最高，熔覆层稀释区的硬度次之，基体重结晶区硬度低于熔覆层稀释区，基体区硬度最低，熔覆层的硬度值远高于基体，这是由于激光熔覆Ni基合金粉末涂层及其枝晶组织保证了熔覆层具有高的硬度值；对于同一区域，在其他工艺参数相同的情况下，扫描速度的增加有助于晶粒细化，熔凝层中的枝晶间距也相对减小，所以具有良好的境界强化与韧化，使熔覆层硬度随扫描速度的增加而提高。

2.3熔覆层磨损实验结果

磨损是模具的主要失效形式之一,磨损实验在一定条件下可以间接证明熔覆层在一定条件下的使用性能,利用M-200快速磨损试验机测定不同扫描速度下激光熔覆试样的耐磨性，加载载荷为10 kg,时间为5min。试验结果见表5。

表5　磨损实验数据　　　　　　g

磨损失重量越小，耐磨性越好；相反，耐磨性越差。由表5可见，激光熔覆Ni60合金粉末后的试样耐磨性与基体相比大大增强。这主要是由于激光熔覆处理后Ni60合金粉末中存在的大量合金元素溶入枝晶产生固溶强化，提高了试样的耐磨性。在试验所选择的扫描速度范围内，随着扫描速度的增加，试样的磨损量减小，说明耐磨性变好，这与扫描速度增大熔覆层组织细小、均匀、致密有关。由表5可知，试样A1的耐磨性最好，其耐磨性约为基体的4.3倍。

3结语

1)在其他工艺参数相同的情况下，随着扫描速度的增加，熔覆层的组织细化，熔覆层和基体的界面形态由平直向曲形、波浪形变化。

2)激光熔覆后的试样表面硬度远高于基体的硬度，在其他工艺参数相同的情况下，随着扫描速度的增加，硬度提高。

3)激光熔覆后试样的耐磨性与基体相比明显提高，在其他工艺参数相同的情况下，随着扫描速度的增加，耐磨性提高。

参考文献：

[1]刘喜明.送粉式激光熔覆基础理论研究[D].长春：中国科学院长春光学精密机械研究所，1998.

[2]潘清跃.激光快速凝固下材料的组织形成规律研究[D].西安：西北工业大学,1997.

[3]Pelletier J M, Sahour M C, Pilloz M, et al. Influence of processing conditions on geometrica features of laser cladding obtained by powder injection[J]. Journal of Materials Science,1993,28:5184-5188.

[4]徐庆鸿,郭伟，田锡唐,等.激光熔覆三维温度场数值模型的建立与验证[J].焊接学报,1997,18(2):58-62.

[5]王存山.宽带激光熔覆Ni-WC梯度复合涂层组织与性能[J].应用激光,2001,21(3):151-158.

[6]Cerri W, Martinella R, Moretal G P. Laserdeposition of carbide reinforcedcoatings[J]. Surf. Coat. Technol.,1991,49(1):40-45.

[7]刘喜明，连建设，崔晓鹏，等.送粉激光熔覆WC陶瓷层的高温组织与性能[J].长春工业大学学报：自然科学版，2002，23(1)：21-26.

[8]朱润生.金属粉末表面喷焊技术[J].上海金属,1979(1):41-51.

[9]顾德撰.国外白熔合金表面喷焊技术[M].上海:上海科学技术文献出版社，1980.

[10]陈传忠.熔覆工艺对Ni60A激光熔覆层微观组织的影响[J].应用激光，2001,21(6)：381-384.

[11]王存山，夏元良，李刚，等.宽带激光熔覆Ni基合金涂层结合区组织结构[J].应用激光，2001,21(2)：88-90.

Influences of scanning speed on laser cladding Ni60 alloy coating

LIU Junhang,LIU Ximing*

(School of Materials Science & Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

Abstract：With laser cladding technique, Ni60 alloy powder are coated on the surface of Q235 steel. The effects of scanning speed on the microstructure, hardness and wear resistance on coating layer are studied. Experimental results show that the hardness and the wear resistance of coating layer are improved with the increase of scanning speed.

Key words：laser cladding; Ni60; wear resistance.

中图分类号：TG 456.7

文献标志码：A

文章编号：1674-1374(2016)01-0005-05

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.1.02

作者简介：刘俊航(1976-)，男，汉族，辽宁葫芦岛人，长春工业大学硕士研究生，主要从事材料加工方向研究,E-mail:67859262@qq.com. *通讯作者：刘喜明(1963-)，男，汉族，吉林长春人，长春工业大学教授，博士，主要从事材料加工、材料强韧化、材料分析等方向研究,E-mail:liuxm@ccut.edu.cn.

基金项目：吉林省科技攻关项目(20070305)

收稿日期：2015-10-21