不同气氛下激光熔覆Fe901修复40Cr组织与性能的研究

张文龙，张安峰，齐宝路，李　帅，张连重，李涤尘

（西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，快速制造国家工程研究中心，高端制造装备协同创新研究中心，陕西西安710049）



不同气氛下激光熔覆Fe901修复40Cr组织与性能的研究

张文龙，张安峰，齐宝路，李帅，张连重，李涤尘

（西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，快速制造国家工程研究中心，高端制造装备协同创新研究中心，陕西西安710049）

摘要：在不同气氛下进行激光熔覆Fe901修复40Cr实验，从微观组织、元素分析、力学性能等角度探讨不同气氛对修复的影响，研究野外环境下氮气替代氩气的可行性。结果表明：不同气氛下的熔覆组织均为树枝晶和等轴晶的混合组织；不同气氛下的熔覆层中，氮、氧元素含量变化较小，和Fe901粉末相比没有明显增加；不同气氛下修复试样的抗拉强度和延伸率较接近，抗拉强度均达到基材的92.5 %以上，延伸率不低于4 %。激光熔覆Fe901修复40Cr的组织和性能受气氛的影响很小，用氮气替代氩气送粉基本能满足野外环境下应急快速修复零件的要求。

关键词：激光熔覆；修复；气氛；力学性能

装备零件在野外环境中失效具有偶然性，若无备用零件或距离补给地较远，将导致设备无法正常运行。如能及时、快速地修复零件，使设备重新投入使用，可节约资源、降低损失，具有巨大的工程应用价值。

与传统修复技术相比，激光熔覆修复技术具有热量输入小、热影响区小、不易损伤基体、熔覆层与基体结合强度高等优点。近年来，通过国内外对激光熔覆修复技术进行的研究表明，激光熔覆修复过程大部分是在惰性气体（如氩气）保护的环境中进行的。然而，由于野外环境中的零件失效具有偶然性，携带氩气（Ar）也不方便，使野外熔覆修复很难在惰性气体保护的环境中进行。与惰性气体相比，氮气（N2）可通过发生器从空气中制取，尤其适合在野外环境中对失效零件进行快速修复。

本文针对野外环境下的中碳钢零件快速修复，分别在Ar送粉Ar保护、Ar送粉无保护、N2送粉无保护3种不同气氛下进行激光熔覆Fe901修复40Cr实验，从微观组织、元素分析、力学性能等角度探讨不同气氛环境对修复的影响，研究用N2替代Ar的可行性。

1　实验条件及方法

实验在LDF-1000A型激光直接成形系统上进行，实验设备包括Nd：YAG激光器、带手套箱的工作台、送粉器、同轴送粉喷嘴、冷水机及辅助装置等。实验所用Fe901球形粉末粒度为50～100 μm，其化学成分见表1。基材选用40Cr棒材，尺寸为φ10mm×25 mm。

表1　Fe901粉末的主要成分

实验前，将Fe901粉末置于真空干燥箱中，并在120℃环境下真空干燥4 h，以去除水分、增加粉末流动性。基材表面先用砂轮打磨成粗糙表面，再用丙酮清洗，以除去油污，然后用乙醇清洗干净。送粉气体为Ar和N2，在Ar保护和空气环境中分别进行熔覆实验，粉末由送粉器经同轴送粉喷嘴输送至激光熔池中。实验使用的主要工艺参数见表2。

表2　激光熔覆实验工艺参数

在40Cr棒料上进行激光熔覆Fe901实验时，每个试样的熔覆层和基材各占50 %，并将试样分为A、B、C 3组。A组试样的送粉气体为Ar，且Ar保护熔覆；B组试样的送粉气体为Ar，但无保护熔覆；C组试样的送粉气体为N2，也无保护熔覆。将试样按GB/T 228.1—2010标准[1]的规定进行常温拉伸试样的制备，用Istron5985电子万能材料试验机测试修复后的力学性能。用LECO600气体元素分析仪分别测定A、B、C组中Fe901熔覆层和Fe901粉末的氧、氮元素含量，取样1 g，测量3次并取平均值。用VH-600光学显微镜和S-3000N扫描电子显微镜对微观组织和拉伸断口形貌进行分析，用HXD-2000TMSC/LCD显微硬度计对修复试样进行显微硬度的测试，加载载荷200 g，保持时间10 s。

2　实验结果与讨论

2.1熔覆层显微组织

图1是激光熔覆Fe901微观组织。激光熔覆单道横截面微观组织见图1a，可见从熔覆层底部到顶部晶体形貌依次为平面晶、胞状晶、柱状树枝晶和等轴晶。这是由于熔覆层刚开始凝固时，熔池与基体之间存在很大的正温度梯度G，凝固速率R很小，界面处不存在成分过冷，晶体通过基体的非均匀形核作用而保持平面生长的方式，在结合面处形成平面晶组织，平面晶的形成说明熔覆层与基体之间达到冶金结合；随着结晶过程的进行，温度梯度与凝固速率的比值（G/R）逐渐减小，成分过冷区破坏了固液界面的稳定性，晶体从平面晶过渡形成一种稳定的胞状晶组织；在熔覆层的中上部，（G/R）值进一步减小，且由于结晶潜热的释放，晶体的生长方向沿着散热最快的方向生长，从而形成生长方向与基体结合面大致垂直的柱状晶和树枝晶组织；而在熔覆层顶部，固液界面前沿液体的成分过冷大于非自发形核所需的过冷度时，界面前沿的液体将会自发形核，生长形成等轴晶。

图1　激光熔覆Fe901微观组织

由图1b可见，实体熔覆层的组织为枝晶和等轴晶的混合组织。这是因为在实体熔覆过程中，已成形的熔覆层和基体相比具有较高的温度，且随着结晶过程中结晶潜热的不断释放，凝固时的温度梯度G减小、结晶速度R增大，故（G/R）值减小，固液界面前沿液体中的成分过冷增大，因此形成枝晶和等轴晶的混合组织。

2.2熔覆层的氮、氧元素含量分析

在不同气氛下激光熔覆Fe901熔覆层内部的氮、氧元素含量分析结果见表3。可看出，在3种不同气氛下，熔覆层的氮、氧元素含量变化很小，和Fe901粉末中的氮、氧元素含量相比没有明显增加。即不同气氛环境对Fe901熔覆层的氮、氧元素含量影响很小，因此，在野外环境中可选用N2替代Ar进行零件的快速修复。

表3　激光熔覆Fe901试样的氮、氧元素分析结果

由表3还可看出，粉末中氮的质量分数为0.029 %，与熔覆层的氮含量相差很小；粉末中氧的质量分数为0.021 %，明显高于熔覆层的氧含量。其原因主要有以下几方面：①氧为表面活性元素，覆盖在熔池表面，阻碍熔池吸氮[2]，且在激光功率不大的情况下，氮气很难电离并与合金元素发生反应，故在3种不同的气氛环境中，Fe901熔覆层和粉末的氮元素含量差别很小；②送粉气体保护熔池与空气中的氧气隔离，Fe901粉末中的Si、B元素在熔池中进行脱氧冶金反应，产生的夹渣绝大多数飞溅出熔池，保护熔池不被氧化，抗氧化性好，故在3种不同的气氛环境中，熔覆层的氧元素含量基本相同；③粉末采用雾化原理制成，雾化介质中的氧气使粉末含有一定的氧[3]，且粉末暴露在空气中，表面易被氧化，所以导致粉末中的氧含量较熔覆层高。

2.3拉伸性能和显微硬度分析

在不同气氛下激光熔覆Fe901修复试样的拉伸性能数据见表4。可看出，在3种不同气氛下，熔覆修复试样的屈服强度、抗拉强度和延伸率均较接近，且屈服强度超过基体、抗拉强度达到基体的92.5 %以上、延伸率均不低于4 %，表明熔覆修复层与基材结合性能良好。由于Fe901熔覆层的塑性差，基体的塑性良好，且Fe901的强度比基体高，故在承受拉伸载荷时，主要是基体参与变形，因此，修复后的性能主要体现基体的性能。

表4　激光熔覆Fe901修复试样及基体的拉伸性能数据

通过以上分析，对Fe901合金粉末来说，不同气氛对激光熔覆修复40Cr的性能影响很小，在野外环境中采用N2替代Ar作为送粉气进行熔覆修复后的性能完全满足使用要求。

图2是在不同气氛下激光熔覆Fe901修复拉伸试样和拉伸曲线，图3是拉伸试样断口SEM形貌及金相图。由图2a可见，Fe901修复试样的断裂位置大多是在靠近结合面的熔覆层处，这说明Fe901修复40Cr后性能的薄弱位置在结合面处。同时，由图2b可知，40Cr在断裂前发生明显的弹塑性变形，而Fe901只发生弹性变形就已断裂。由于熔覆层与基体的组织、性能差别很大，在承受横向拉伸过程中，熔覆层与基体的变形不一致；在结合面处为了保持变形的连续性，会产生切应力，导致结合面端点处应力集中[4-5]，易在此处开始失效，结合面端点处均存在撕裂（图3e、图3f）。

图2　激光熔覆Fe901修复试样及拉伸曲线

修复试样的断口分析表明：熔覆层的断口呈现河流花样的脆性断裂形貌（图3a）；裂纹源位于熔覆层与基体结合面端点处，裂纹在端点处开始撕裂，然后沿着熔覆层呈射线状扩展（图3a、图3e）；断口局部位置出现韧窝形貌（图3b），说明断裂前熔覆层发生少量的塑性变形；基材塑性良好，断裂处有明显的颈缩，断口出现明显的纤维区形貌，微观形貌呈现大量韧窝，属于韧性断裂（图3c、图3d）。

图3　拉伸试样断口形貌及金相图

图4是激光熔覆Fe901修复试样显微硬度随熔覆层高度的变化曲线。可看出，熔覆层的显微硬度虽有波动，但基本稳定在700 HV0.2左右，远高于基体硬度300 HV0.2。较高的硬度为Fe901熔覆层的耐磨性提供了保证，可适用于磨损类零件的修复。

3　结论

（1）Fe901粉末激光熔覆修复40Cr中碳钢的结合面处为典型平面晶组织，层内主要为柱状晶和树枝晶的混合组织，顶部为细小等轴晶。

（2）在Ar送粉Ar保护、Ar送粉无保护、N2送粉无保护等3种气氛环境下，Fe901熔覆层中的氮、氧元素含量变化很小，和Fe901粉末中的氮、氧元素含量相比没有增加。不同气氛下，修复试样的强度和延伸率较接近，屈服强度均高于基体，抗拉强度均达到基材的92.5 %以上，延伸率均不低于4 %。气氛环境对激光熔覆Fe901修复40Cr的性能和氮、氧元素含量的影响很小，故野外环境下可用N2替代Ar作为送粉气源。

（3）Fe901熔覆层的显微硬度约为700 HV0.2，远高于基体硬度300 HV0.2，故耐磨性好，可适用于磨损类零件的修复。

图4　显微硬度测量结果

参考文献：

[1]全国钢标准化技术委员会. GB/T 228.1—2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法[S].北京：中国标准出版社，2011.

[2]周德光，罗伯钢，曾立，等.钢中氮的控制及其对质量的影响[J].炼钢，2005，21（1）：43-46.

[3]逯峙.新型铁基合金粉末制备及氧含量可控研究[D].长沙：中南大学，2009.

[4]田帅.异质材料界面强度的理论与数值分析[D].扬州：扬州大学，2013.

[5]田乃良，杜建荣，周昌枳.激光熔覆添加碳化钨的镍基合金应力状况研究[J].中国激光，2004（4）：505-508.

Study on Mechanical Properties and Microstructure of 40Cr Repaired by Laser Cladding Fe901 under Different Atmospheres

Zhang Wenlong，Zhang Anfeng，Qi Baolu，Li Shuai，Zhang Lianzhong，Li Dichen
（State Key Laboratory for Manufacturing System Engineering，Rapid Manufacturing National Engineering Research Center，The High-end Manufacturing Equipment Collaborative Innovation Research Center，Xi′an Jiaotong University，Xi′an 710049，China）

Abstract：Experiments for repairing 40Cr by laser cladding Fe901 under the different atmospheres. The influence of different atmospheres on the repairing is discussed in terms of microstructure，elements analysis and mechanical properties，intending to investigate the feasibility of replacing Ar with N2in laser cladding repair in the wild environment. The results show that the microstructure of cladding layers under different atmospheres，are composites of dendritic crystals and equiaxed crystals. The contents of N and O in the cladding layers under different atmospheres differ little，or no increase more accurately，compared with that of Fe901 powder. The tensile strength and ductility of samples repaired under different atmospheres differs slightly，among which the tensile strength all reach to 92.5 % of the substrate，and the ductility surpasses 4 %. The atmosphere influences slightly on the microstructure and properties of 40Cr repaired by laser cladding Fe901，which means that replacing Ar with N2can totally satisfy the requirement of the emergency repairing in the wild environment.

Key words：laser cladding；repairing；atmosphere；mechanical property

第一作者简介：张文龙，男，1990年生，硕士研究生。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51275392）

收稿日期：2015-08-03

中图分类号：TG113，TG115

文献标识码：A

文章编号：1009－279X（2016）01－0040-04