CO2激光熔覆镍基合金粉末的组织和性能*

徐国建， 李春光， 杭争翔， 刘珊珊， 田希玉

(沈阳工业大学 材料科学与工程学院， 沈阳 110870)



CO2激光熔覆镍基合金粉末的组织和性能*

徐国建， 李春光， 杭争翔， 刘珊珊， 田希玉

(沈阳工业大学 材料科学与工程学院， 沈阳 110870)

为了提高核发电成套设备的阀体性能，采用CO2激光器在SUS316LN奥氏体不锈钢表面熔覆了镍基合金粉末.利用光学显微镜、扫描电子显微镜、电子探针分析仪、X射线衍射仪、能谱分析仪、显微硬度计和磨损试验机等对熔覆层的组织和性能进行了研究.结果表明，从熔覆层熔合线到表面的组织依次由平面晶生长区、亚共晶区，共晶区与过共晶区组成.亚共晶组织的初晶相由γ-Ni相组成，而过共晶组织的初晶相由CrB和Cr7C3相组成.CO2激光熔覆层具有较高的维氏硬度和耐磨性能，且其裂纹断口形貌属于解理断裂.

CO2激光熔覆； 镍基合金； 过共晶组织； 共晶组织； 初晶相； 维氏硬度； 耐磨性能； 解理断裂

激光熔覆技术是一种先进的增材制造技术，该技术利用具有高能量密度的激光束作为热源，通过预置粉末或同轴送粉的方式，完成零件表面缺陷的修复[1].可以通过优化离焦量、激光功率、扫描速度与送粉速度来控制熔覆层的稀释率[2-3].近年来，激光熔覆技术发展得十分迅速，在工业中得到了广泛的应用，该技术能够显著提高材料的硬度、耐磨性和耐蚀性等多种性能[4-7].与传统表面改性技术相比，激光熔覆技术具有许多优势，可用于重载条件下零件的表面强化与修复，诸如大型齿轮、大型曲轴等零件的修复[8-9].

由于具有优异的强韧性和耐蚀性，SUS316LN奥氏体不锈钢在核发电成套设备中得到了广泛应用[10].然而，SUS316LN奥氏体不锈钢的耐磨性能较差.为了提高SUS316LN奥氏体不锈钢的耐磨性能，通常采用等离子和TIG熔覆方法在SUS316LN不锈钢表面熔覆合金强化层.不过，由于热输入量和热应力过高，在热影响区很容易产生液化裂纹.另外，由于焊接残余应力较大，大大提高了熔覆层的裂纹敏感性[11].激光熔覆技术具有作用时间短、热影响区小等优势，因而该技术成为一种理想选择.为了提高SUS316LN奥氏体不锈钢的性能，本文在最佳激光熔覆工艺参数条件下，采用CO2激光熔覆技术在SUS316LN不锈钢阀体上熔覆了镍基合金粉末，并研究了该熔覆层的显微组织和性能.

1　材料与方法

1.1试验材料

阀体材质为SUS316LN奥氏体不锈钢，其形状及尺寸如图1所示(单位：mm).

图1　阀体的形状及尺寸Fig.1　Shape and size of valve body

SUS316LN奥氏体不锈钢的化学成分为w(C)=0.03%；w(Si)=0.6%；w(Mn)=2%；w(Cr)=18%；w(Ni)=12%；w(Mo)=3%；w(N)=0.16%；w(P)=0.045%；w(S)=0.03%；余量为Fe.激光熔覆所用镍基合金粉末的直径范围为47～165 μm，该粉末的化学成分为w(C)=0.7%；w(Si)=4.28%；w(Cr)=14.56%；w(Co)=0.09%；w(B)=3.37%；w(Fe)=3.80%；余量为Ni.

1.2试验设备

阀体的CO2激光熔覆系统如图2所示.CO2激光器的额定功率为2 400 W.送粉系统采用鞍山煜宸科技有限公司自主研发的RC-PGF-D-2送粉器.送粉量由粉盘的旋转速度决定，且送粉气体为氩气.利用AKASHI AAV-500型自动硬度测量仪测定了试样的维氏硬度.

图2　阀体的CO2激光熔覆系统Fig.2　CO2 laser cladding system for valve body

采用MMORPG200型磨损试验机测试熔覆层的耐磨性能，且磨损试验装置示意图如图3所示.摩擦盘由GCr15轴承钢制成，其尺寸为φ50 mm×10 mm、硬度为60～65 HRC.磨损试样的尺寸为14 mm×10 mm×10 mm.熔覆层的表面需要与摩擦盘接触，经过机械加工后，熔覆层的厚度约为1 mm.在试验过程中，所施加载荷大小为98 N，滑动速度为62.8 m/min，试验时间为30 min.可以根据耐磨试验结果测定熔覆层的摩擦系数μ，其计算公式为

μ=M/RP

(1)

式中：M为摩擦力矩；R为摩擦盘的半径；P为施加载荷.

图3　磨损试验装置示意图Fig.3　Schematic wear test device

1.3熔覆最佳工艺参数

CO2激光熔覆最佳工艺参数是激光输出功率为2 100 W；离焦量为15 mm；CNC-XY工作台水平行走速度为3.58 mm/min；旋转工作台的旋转速度为2.96 r/min；粉末供给速度为25 g/min；送粉气体流量为2.5 L/min；保护气体流量为20 L/min；阀体熔覆前预热温度为693～723 K；熔覆层间搭接量为30%；熔覆后的冷却工艺为空冷.

1.4组织分析

完成CO2激光熔覆后，对试样进行切割.经研磨和抛光后，利用王水(HCl和HNO3的体积比为3∶1)进行腐蚀.采用光学显微镜和扫描电子显微镜，观察了熔覆层的显微组织.利用波长色散光谱仪对熔覆层进行了电子探针显微分析.采用能谱分析仪分析了熔覆层的化学成分.利用X射线衍射仪表征了熔覆层的相组成.

2　结果与讨论

2.1熔覆层的裂纹敏感性

2.1.1熔覆层的裂纹特征

采用CO2激光器分别进行焊道长度为50 mm的单道和多道熔覆试验.图4为单道熔覆层的裂纹形态.由图4可见，在预热温度较低的情况下，单道熔覆层会产生垂直于熔覆层长度方向的横向裂纹(见图4a)，而单道熔覆层的纵向断面如图4b所示.横向裂纹的前沿终止于熔合线附近，且未向热影响区扩展，这是由于母材金属具有良好强韧性的缘故.裂纹的扩展既有穿晶方式，也有沿晶方式.当预热温度高于673 K时，在进行单道熔覆时，可以有效防止此类横向裂纹的产生.由试验结果可知，熔覆层的裂纹敏感性随着预热温度的升高而降低，这是因为预热可以降低焊接残余应力和冷却速度.

图5为多道熔覆层的熔覆顺序和裂纹形态.由图5可知，裂纹产生方向基本垂直于熔覆层的长度方向.当预热温度高于693 K时，能够有效防止多道熔覆层中裂纹的产生.

2.1.2熔覆层的断口形貌

CO2激光熔覆层的断口形貌如图6所示.由图6可见，在熔覆层的断口中可以观察到明显的山形和解理台阶断口形貌，由此可以初步判断，熔覆层的裂纹是由熔覆层的淬硬性造成的，且属于解理断裂.

图4　单道熔覆层的裂纹形态Fig.4　Crack morphologies of single-pass cladding layer

图5　多道熔覆层的熔覆顺序和裂纹形态Fig.5　Cladding sequence and crack morphology of multi-pass cladding layer

2.2磨损试验

CO2激光熔覆层和等离子熔覆层的摩擦系数和磨损失重如图7所示.由图7a可知，CO2激光熔覆层的摩擦系数介于0.42～0.48之间；等离子熔覆层的摩擦系数介于0.51～0.58之间.由图7b可知，CO2激光熔覆层的磨损失重为6.8 mg，等离子熔覆层的磨损失重为8.8 mg.可见，CO2激光熔覆层的耐磨性能优于等离子熔覆层，且其耐磨性能约为传统等离子熔覆层的1.3倍[12].

图6　CO2激光熔覆层的断口形貌Fig.6　Morphologies of fracture surface for CO2 laser cladding layer

图7　不同熔覆层的摩擦系数和磨损失重Fig.7　Friction coefficient and wear weight loss of different cladding layers

CO2激光熔覆层磨损后的表面形态如图8所示.由图8可知，磨损后的熔覆层表面具有突起的硬质相(硼化物或碳化物).通过测量和计算可知，在CO2激光熔覆层的磨损表面中，硬质相所占的体积分数约为46%.CO2激光熔覆层的硬质相尺寸较为细小，尺寸约为5 μm.硬质相的存在显著提高了熔覆层的耐磨性能.随着硬质相体积分数的增加与尺寸的减小，熔覆层耐磨性能将会随之提高.

图8　CO2激光熔覆层磨损后的表面形态Fig.8　Surface morphology of CO2 laser cladding layer after wear

2.3熔覆层的硬度

CO2激光熔覆层的硬度曲线如图9所示.由图9可知，母材硬度介于188～210 HV之间；熔合区的硬度约为545 HV；熔覆层的硬度介于732～1 035 HV之间.可见，熔覆层的硬度明显高于母材的硬度，由此可知激光熔覆层具有很高的硬度.

图9　CO2激光熔覆层的硬度曲线Fig.9　Hardness curve for CO2 laser cladding layer

2.4熔覆层的显微组织

CO2激光熔覆层的XRD图谱如图10所示.由图10可以观察到，熔覆层主要由γ-Ni、CrB和Cr7C3相组成.

CO2激光熔覆层的显微组织如图11所示.由图11可见，熔覆层的上部组织由过共晶组织组成.从熔覆层熔合线到表面的组织依次为平面晶生长区、亚共晶区、共晶区和过共晶区(见图11a).过共晶组织中的初晶相形态可以呈现针状(见图11b)、粒状(见图11c)和块状(见图11d).初晶相的最

图10　CO2激光熔覆层的XRD图谱Fig.10　XRD spectrum for CO2 laser cladding layer

图11　CO2激光熔覆层的显微组织Fig.11　Microstructures of CO2 laser cladding layer

大尺寸约为5 μm.这是由于CO2激光熔覆具有快速加热和快速冷却的特点，从而抑制了晶粒长大的缘故.

利用电子探针分析仪(EPMA)对CO2激光熔覆层的成分进行了分析，结果如图12所示.由图12可知，熔覆层的初晶相主要为CrB相，且初晶相形态可以呈现粒状、针状、棒状和块状.由图12还可以观察到，熔覆层中也存在少量的Cr7C3相.

图12　CO2激光熔覆层的EPMA分析结果Fig.12　EPMA analysis results of CO2 laser cladding layer

CO2激光熔覆层亚共晶组织的EDS分析结果如图13所示.由图13可知，在亚共晶组织的初晶相中，Ni和Fe含量较高，而Cr和C含量较低.因此，可以初步判断亚共晶组织初晶相由γ-Ni相组成.利用能谱成分分析仪(EDS)对CO2激光熔覆层中的松枝状共晶组织进行分析，其结果如图14所示.由图14可知，松枝状共晶组织中Ni和Fe含量较低，而Cr和C含量较高.因此，可以初步判断松枝状物质由Cr7C3与CrB相组成；共晶组织由γ-Ni+Cr7C3相或γ-Ni+CrB相组成.

3　结　论

采用CO2激光器在SUS316LN奥氏体不锈钢阀体上熔覆了镍基合金粉末，并对熔覆层的组织和性能进行了分析，得出如下结论：

图13　CO2激光熔覆层亚共晶组织的EDS分析Fig.13　EDS analysis for hypoeutectic structure in CO2 laser cladding layer

图14　CO2激光熔覆层共晶组织的EDS分析Fig.14　EDS analysis for eutectic structure in CO2 laser cladding layer

1) 熔覆层从熔合线到表面的组织依次由平面晶生长区、亚共晶组织区、共晶组织区和过共晶组织区组成.

2) 熔覆层亚共晶组织初晶相由γ-Ni相组成；过共晶组织初晶相由CrB与Cr7C3相组成；共晶组织均由γ-Ni+CrB相或γ-Ni+Cr7C3相组成.

3) 熔覆层具有较高的硬度和耐磨性能.熔覆层硬度范围约为732～1 035 HV，摩擦系数约为0.42～0.48，磨损失重约为6.8 mg.

4) 在单道熔覆过程中，当预热温度高于673 K时，可以有效防止横向裂纹的产生；在多道熔覆过程中，当预热温度高于693 K时，可以有效防止横向裂纹的产生.

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(责任编辑：尹淑英英文审校：尹淑英)

Microstructure and performance of Ni-based alloy powder prepared with CO2laser cladding

XU Guo-jian, LI Chun-guang, HANG Zheng-xiang, LIU Shan-shan, TIAN Xi-yu

(School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to improve the performance of valve body in the complete nuclear power generation equipment, the Ni-based alloy powder was deposited on the surface of SUS316LN austenitic stainless steel with CO2laser. The microstructure and performance of cladding layer were analyzed with the optical microscope (OM), scanning electronic microscope (SEM), electronic probe microanalyzer (EPMA), X ray diffractometer (XRD), energy dispersive spectrometer (EDS), micro-hardness tester and wear tester. The results show that the microstructures from the fusion line of cladding layer to the surface are composed of the planar crystal growth zone, hypoeutectic zone, eutectic zone and hypereutectic zone, respectively. The primary phase in the hypoeutectic microstructure is γ-Ni phase, and the primary phases in the hypereutectic structure consist of CrB and Cr7C3phases. The CO2laser cladding layer has higher Vickers hardness and wear resistance, and the fracture mode of the layer belongs to the cleavage fracture.

CO2laser cladding; Ni-based alloy; hypereutectic structure; eutectic structure; primary phase; Vickers hardness; wear resistance; cleavage fracture

2015-12-23.

辽宁省科技创新重大专项计划项目(201411004).

徐国建(1959-)，男，辽宁大连人，教授，博士生导师，主要从事激光加工工艺及成套加工设备等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.04.05

TG 456.7

A

1000-1646(2016)04-0384-07

*本文已于2016-05-12 14∶01在中国知网优先数字出版. 网络出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160512.1401.038.html