激光熔覆Ni30WC合金粉末修补42CrMo钢的研究

刘明磊, 刘芳, 陆兴

(大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连116028)

激光熔覆Ni30WC合金粉末修补42CrMo钢的研究

刘明磊, 刘芳, 陆兴

(大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连116028)

作为高速列车车轴常用的原材料，42CrMo车轴钢在工作中，常因发生疲劳、拉伤断裂、局部磨损等问题而影响使用.为了延长工件使用寿命，在实验中利用激光熔覆技术修复其磨损失效区域，在功率850 W，扫描速度8 mm/s的条件下，对车轴钢42CrMo熔覆Ni30WC镍基粉末，制备出与基体结合牢固的熔覆涂层.利用显微镜(OM)，扫描电镜(SEM)观察涂层组织形貌，利用X射线衍射仪(XRD)分析涂层物相组成，使用显微硬度仪测量涂层硬度.结果表明：在熔覆层中，主要形成WC﹑W2C﹑(Cr,Ni)和NiC等物相，涂层与基体结合牢固，但存在明显的裂纹，孔洞等缺陷.涂层硬度显著提高，是基体硬度的3倍以上.

激光熔覆；镍基粉末；42CrMo；硬度

0 引言

车轴钢42CrMo因其强度、淬透性高，韧性好，淬火时变形小等优点，被广泛用于制造机车曲轴和连杆、机车牵引用的大齿轮、增压器传动齿轮、后轴等重要零部件，也可用于石油开采、武器制造、工矿机械等诸多领域[1-2].由于42CrMo钢除了承受正常的设计载荷外，还需要承受不同程度的冲击载荷作用，尤其是以磨粒磨损形式出现的损伤更多，这使得材料的破损率很高， 通过激光再制造技术对42CrMo车轴钢进行局部修补，以将延长其使用寿命、提高经济效益[3-7].

激光再制造技术是指利用高能激光束对报废的工件﹑零件作再制造处理的各类先进激光技术的总称.它主要是对产生表层摩擦磨损，腐蚀侵蚀或发生总体变形的报废零部件进行修补，并可提高其表面性能.在实际应用过程中，作为重要分支的激光熔覆技术得到了日益的重视.激光熔覆是通过在基体表面添加涂覆材料，利用高能密度的激光束使之与基体表面一起熔化凝固的方法，在基材表面形成与其冶金结合的熔覆层[8-10].与其他传统的制造方法比较，激光熔覆具有组织均匀致密，微观缺陷少，对基体的热影响小，生产周期短，效率高，设计灵活，粉末成分可控等优点[11-17]而被普遍接受和应用.

本文通过在基体42CrMo车轴钢上激光熔覆Ni30WC镍基合金粉末，观察熔覆后涂层的微观组织，裂纹状况和性能变化，对车轴钢42CrMo的局部修补和性能提供技术支持.

1 实验材料及方法

基体材料选用42CrMo钢,样块尺寸为20 cm×5 cm×2 cm.选用80#砂纸去除材料表面的氧化皮并用无水乙醇清洗.熔覆粉末选用Ni30WC镍基合金粉末(化学成分见表1).采用德国KUKA公司的KR30HA型机器人，送粉器为LZT-0980M-V型送粉器,实验中采用同步送粉法.为了能够在实验中抑制裂纹的产生和扩展，先要对基体做预热处理，之后进行熔覆.实验的工艺参数：激光功率为850 W,光斑直径为3 mm,扫描速度为8 mm/s，在整个熔覆过程中以氩气为实验保护气.

表1 Ni30WC合金粉末的化学成分 %

实验后，使用线切割机沿垂直于激光扫描的方向进行切割，对切割后的样品横截面研磨抛光，再用按3∶1比例调配的盐酸和硝酸混合溶液(王水)对样品做腐蚀处理.用Keyerce1000E三维视频显微镜和日本电子JSM-6360LV型扫描电子显微镜(SEM)及附带能谱仪(EDS)，对微区成分、显微组织进行分析和表征，用荷兰帕纳科Empyream型X-射线衍射仪观察判断熔覆层中含有的物相，再使用显微硬度仪测量样品的硬度，载荷200g,加载时间15s,测量3次取平均值.

2 实验结果及讨论

2.1 熔覆涂层的微观组织

图1(a)为50倍下涂层扫描图，可以看到在基体42CrMo上熔覆Ni30WC粉末后，形成了一层约1.1 mm厚的Ni30WC涂层，基体与涂层之间的直线为两者元素互换形成的结合区.涂层中广泛分布的白色块状组织经过XRD检测和EDS分析结果可以判断为WC或是W2C.在其周围的灰色组织为镍基固溶体或镍基合金化合物.通过观察熔覆涂层500倍下显微组织图(图1(b))，可以发现涂层底部，靠近界面处区域，主要是平面晶和细小树枝晶.这是因为熔覆层中的显微组织形貌主要是由温度梯度G、凝固速率R以及冷却速率dT/dt等因素共同决定的.其中温度梯度和凝固速率的比值，即G/R影响了凝固过程中显微组织的特征，而冷却速率控制了显微组织的基本尺度.而通常在熔池的底端，温度梯度最大，而凝固速率最小，相应的温度梯度与凝固速率的比值也就最大.凝固的开始阶段，平面晶以外延生长的方式在涂层的基底位置上形核生长， 然后随着液固两相界面的推进，温度梯度G逐步减小，凝固速率R则逐步增大，而G/R则减小.之后的凝固组织形态则转变成树枝状晶和胞状枝晶，最后演变成为典型快熔快凝组织.

(a) 熔覆层低倍SEM全貌

(b) 涂层OM组织形貌

通过观察涂层中微区显微组织扫描图2，再结合能谱(1)的 EDS分析结果，图2中的富含元素是W、C，没有其它元素，其中W的质量分数为84.88% ，C的质量分数为15.12%.说明白色块状组织为WC相或在激光熔覆过程中分解析出的W2C，运用XRD检测证实了涂层确实存在着WC和W2C相，WC溶解多，元素烧损严重，在图中呈现块状形态.

图2 Ni30WC涂层的微区组织SEM图

2.2 熔覆涂层的外观形貌

图3为熔覆后100倍下的Ni30WC涂层显微组织图，从图中可以发现，涂层与基体间有一条平直清晰的冶金结合带，这表明熔覆层和基体间形成了牢固的冶金结合，在涂层的使用过程中，不容易产生涂层剥落现象.与传统热喷涂涂层的机械结合方式比较，结合力更强，也更加稳固.不过可以看到熔覆层表面平整光滑程度不高，整体凸凹不平，起伏波动较大.在图中的纵向扩展的裂纹清晰可见，涂层中还存在着一些气孔.涂层中裂纹的主要是因为WC或W2C和镍基粉末的热物性相差过大，导致产生巨大的热应力，当应力超过材料的抗拉强度的时候，就会产生裂纹，并在WC或W2C晶粒边缘萌生，进而扩展，贯穿整个涂层.

图3 Ni30WC涂层100倍下显微组织图

由于裂纹本身巨大的破坏性，降低了零件的使用寿命和造成材料不必要的浪费.所以必须尽量抑制裂纹的产生和扩展.通过对基体的预热处理，可以实现对裂纹的有效控制.在熔覆前对车轴钢42CrMo的预热，就大大降低了裂纹的产生和扩展，但并没有完全抑制裂纹的出现.这是在后续实验中需要解决的问题.比如可以通过在基体上添加与之能良好润湿的过渡层或者在熔覆材料中添加塑韧性较强的第二相或稀土元素[18-20]等手段来抑制裂纹的产生和扩展.

2.3 熔覆涂层的物相分析

从Ni30WC涂层的X射线衍射图谱，图4中可以看出，在涂层中主要生成WC﹑W2C﹑(Cr,Ni)﹑NiC和FeNi等物相，虽然WC和W2C在组织中存在数量较多，分布广泛，不过因为WC与镍基金属密度差异较大，WC颗粒在激光熔池中存在沉降现象，所以在涂层中WC和W2C晶粒更多的集中在熔池的中部和底部区域，限制它们对XRD图谱中衍射峰强度的影响，但可以清楚地看到对次强峰等其他衍射峰的影响依然很大.在强烈激光辐照的作用下，镍基粉末中主要元素Ni、Fe等元素会在熔池高温环境中形成铁镍化合物和固溶体，由于它们数量众多，分布广泛，构成了X射线衍射图谱中的最强峰.

图4 激光熔覆Ni30WC合金粉末涂层 XRD 图谱

2．4 熔覆层显微硬度分析

图5为Ni30WC熔覆涂层的硬度曲线，在曲线中可以看出，从熔覆层到热影响区再到基体，硬度呈现由高到低的整体梯度变化.这是由于镍基涂层中分布着大小不等的增强相WC或W2C颗粒，致使在涂层不同区域的硬度值有一定幅度波动.经检测，熔覆层的平均硬度为913 HV，是基体硬度的3倍以上.富集了大块WC晶粒的区域硬度值更高，显微硬度值甚至可达2 000 HV以上.熔覆层的高硬度主要是由WC及W2C的第二相强化作用而导致的，而在激光快熔快凝的作用下，铬，硼等元素会固溶在镍基固溶体中，形成固溶强化，也间接提高了涂层的硬度.

图5 涂层显微硬度曲线

3 结论

本文是在车轴钢42CrMo上通过激光熔覆Ni30WC镍基合金粉末，制备出高硬度涂层，对熔覆层中断面的微观组织﹑宏观形貌﹑物相组成和显微硬度进行观察分析，得到了下列结论：

(1)经过熔覆，Ni30WC合金粉末与基体形成了牢固的冶金结合.但在熔覆层中，存在明显裂纹、气孔等缺陷；

(2)激光熔覆后，涂层中主要形成WC﹑W2C﹑(Cr,Ni)和NiC等物相；

(3)在高硬度第二相WC和W2C的影响下，涂层的硬度值显著提高.熔覆层的平均硬度为913 HV，是基体硬度的3倍以上.

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Abstrate: Aiming at local wear of 42CrMo high-speed train axle, laser cladding technology is used to repair the wear area. With the laser power of 850 W at scanning speed of 8 mm/s, Ni30WC nickel powder was laser cladded on 42CrMo substrate. The microstructure of the coating was observed by microscope (OM), scanning electron microscope (SEM), the phase composition of the coating was analyzed by XRD, and the hardness of coating was measured by the microhardness tester. The results show that WC, W2C, (Cr, Ni) and NiC are mainly formed in the cladding layer, and the coating and the substrate are firmly combined. Howerver, obvious defects such as cracks and holes are observed. The hardness of the coating is increased significantly, which is more than 3 times of that hardness of the substrate.

Repair of 42CrMo Steel by Laser Cladding Ni30WC Alloy Powder

LIU Minglei , LIU Fang，LU Xing

(Schoool of Materials Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

laser cladding; nickel based powder; 42CrMo; hardness

1673- 9590(2017)04- 0130- 04

2016- 10- 18

刘明磊(1983-)，男，硕士研究生；刘芳(1978-)，女，副教授，博士，主要从事材料的表面改性及纳米材料的研究E- mail:13614264506@163.com.

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