激光熔敷制备高速钢涂层

尹 燕，路 超，刘鹏宇，肖梦智 ，蔡伟军 ，3，张瑞华，屈岳波

（1.兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，甘肃兰州730050；2.中国钢研科技集团有限公司，北京100081；3.阳江市五金刀剪产业技术研究院，广东阳江529533）

激光熔敷制备高速钢涂层

尹 燕1，路 超1，刘鹏宇1，肖梦智1，蔡伟军1，3，张瑞华2，3，屈岳波2，3

（1.兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，甘肃兰州730050；2.中国钢研科技集团有限公司，北京100081；3.阳江市五金刀剪产业技术研究院，广东阳江529533）

为了利用高速钢的优良性能，拓展其应用范围、降低使用成本，采用同轴送粉激光熔敷技术，在3mm厚的普通用不锈钢侧面制备高硬度的高速钢耐磨涂层，并对熔敷后的试样进行热处理。分析涂层的显微组织，研究热处理制度对涂层显微硬度的影响，测试涂层的耐磨性能。结果表明：涂层热处理前主要为细小等轴晶，组织为淬火马氏体+残留奥氏体+少量碳化物；热处理后主要为回火马氏体+少量残留奥氏体+大量析出碳化物；获得了最佳热处理参数，热处理后涂层硬度大幅度提高，约为基材的2倍；相同磨损条件下，耐磨涂层的磨损失质量仅为基体的1/5。

高速钢；激光熔敷；涂层；显微组织

0 前言

高速钢（High Speed Steel，HSS）是一种加入较多的 W、Mo、Cr、V、Co 等合金元素的高合金工具钢，硬度、耐磨性和耐热性高，又称高速工具钢或锋钢。因其工艺性能好，强度与韧性配合好，主要用于制造复杂的薄刃和耐冲击的金属切削刀具，也可用于制造高温轴承和冷挤压模具等[1-2]。粉末冶金高速钢中碳化物颗粒细小且分布均匀，因此与碳化物含量相同的普通高速钢相比，其强韧性大大提高。但是由于粉末冶金高速钢价格是普通高速钢的3～4倍，应用受到限制。

激光熔敷因其能量密度高、加热及冷却速度快、引起工件变形小、与基体形成冶金结合等优点，在材料表面涂层的制备领域发展迅速，目前可应用于模具、航空零部件的修复，高性能复合材料的制备等[3-4]。因此，利用激光熔敷技术在普通不锈钢表面制备高速钢涂层，既可有效利用高速钢的优良性能又可降低使用成本。本研究采用同轴送粉激光熔敷技术在普通不锈钢基体上制备高硬度的高速钢涂层，并对熔敷后的试样进行热处理，分析其组织、显微硬度及耐磨性能，以期为高性能高速钢的拓展应用提供试验依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验原材料

基材选用常用不锈钢2Cr13，经激光切割加工成尺寸为100mm×30mm×3mm的矩形试样。熔敷材料选择高钴含量的高速钢粉末W6Mo5Cr4V3Co8，粉末粒度150～325目，粉末成分如表1所示。粉末为球形粉末，形貌如图1所示。

表1 高速钢粉末W6Mo5Cr4V3Co8的化学成分Table 1 Chemical composition of high speed steel powder W6Mo5Cr4V3Co8%

1.2 涂层制备及热处理

激光熔敷设备为德国通快公司的TruDisk2002激光器配备ZPZJ1610数控机床专机，激光器额定功率2 000 W，波长1 030 nm，光斑直径3 mm，离焦量+25 mm，气体流量0.5 L/min。其他配套设备选用RC-PGF-D-2双筒智能型载气送粉器和MCWL-120精密水冷机。

图1 激光熔敷高速钢粉末形貌Fig.1 Morphology of high speed steel powder deposited by laser cladding

熔敷前用无水乙醇、丙酮清洗试样，去除表面氧化物及油污等杂质，预热至150℃；送粉气体及保护气均选用纯度大于99.99%的氩气，熔敷前将粉末置于DZF-1真空干燥箱内120℃烘干2 h。

利用正交试验优化熔敷工艺参数，获得最佳参数如表2所示。

表2 激光熔敷工艺参数Table 2 Parameters of Laser cladding

由于激光熔敷冷却速度很快，熔敷后涂层为淬火态，为了优化涂层性能，将熔敷后的试样进行回火处理，回火保温时间均为1 h，回火3次，共6组试样，回火温度如表3所示。

表3 不同试样的回火温度Table 3 Temperature of different samples

1.3 涂层表征

采用MX-10正置金相显微镜和JSM-6700型扫描电子显微镜对腐蚀好的试样进行显微组织观察及分析。

采用HV-1000型显微硬度计测试试样的微区域硬度，测试载荷200 g，保荷10 s，沿涂层最大熔深方向从涂层表面到基体每间隔0.2 mm测试一点，每处测试点的硬度取同一纵向深度不同位置5次测量的平均值，以分析试样由涂层表面到基体的硬度变化。

采用MMS-2B销盘式磨损试验机在室温条件下进行干式滑动摩擦磨损试验，测试基体和涂层磨损量。采用激光切割机加工尺寸为10 mm×10 mm×3 mm试样，用300～1 500目的金相砂纸按照砂纸颗粒度由高到低的顺序打磨试样，并进行抛光处理，对磨材料使用尺寸为φ4的GCr15钢珠。设定转速215 r/min，试验力 150 N，磨损时间 120 min；用精度0.1 mg的精密测重仪测量试样质量并记录磨损试验前后的质量，每次称量前超声波清洗15 min。磨损量为试样磨损试验前后质量差。

2 试验结果和分析

2.1 涂层形貌

熔敷粉末的特性和激光工艺参数共同决定了涂层表面的宏观形貌，而涂层表面宏观形貌在一定程度上也可反映熔敷涂层的宏观质量[5]。研究表明：激光功率密度过小，基材表面未熔，导致涂层和基材结合不牢，容易剥落，涂层表面出现局部起球、孔洞等外观缺陷；激光功率密度过大，又会导致涂层稀释率增大，严重降低涂层的使用性能，熔敷粉末过烧、蒸发，涂层不平度增加[6]。因此，合理选择激光工艺参数对控制涂层的稀释率、提高涂层质量和性能具有至关重要的作用。

熔敷后试样的宏观形貌如图2所示。涂层外观均匀连续、平整光滑，未出现裂纹、起球及未熔合等宏观缺陷；经X射线无损检测未发现微裂纹及气孔等内部缺陷。

图2 激光熔敷试样宏观形貌Fig.2 Macroscopic morphology of laser cladding specimens

2.2 涂层显微组织

涂层显微组织如图3所示。其中图3a为涂层结合面组织，可以看出，接合面由涂层、结合区和基材三部分组成。涂层无裂纹、气孔等缺陷，且与基材结合较为紧密，形成良好的冶金结合[7]。结合区较窄，说明基材对涂层的稀释率较低。在相同的腐蚀条件下，光学显微镜下观察到涂层颜色较亮，而基材颜色较暗，这在一定程度上说明涂层的耐蚀性高于基材。图3b为涂层中部显微组织，呈典型的高速钢淬火组织。这是由于在激光热源的作用下，粉末快速熔化并凝固，晶粒形核后来不及长大，形成较细的等轴晶；又由于高速钢中含有较多的合金元素如W、Mo、Cr、V、Co，在高速冷却过程中来不及析出，冷却后形成典型的淬火马氏体。由于合金元素含量很高，钢的马氏体转变温度Ms点逐渐降低，淬火后的残留奥氏体含量增加，同时在晶界处有少量的碳化物析出，如图3b箭头所示。所以熔敷冷却后形成的组织为淬火马氏体+残留奥氏体+少量的碳化物。

图3 熔敷后试样光学显微组织照片Fig.3 Microstructure of the coating was observed by the optical microscope

对激光熔敷后的试样分别进行不同温度的回火，结果显示回火温度为560℃时涂层的显微硬度最高，因此取该试样进行分析。接合面处依然是基材与涂层的过渡区，如图4a所示，过渡区也有少量马氏体，从而形成从高硬度涂层到较软基材的过渡。回火后涂层组织为典型的回火马氏体，如图4b所示，由于熔敷形成的淬火马氏体中固溶有大量的合金元素，过饱和马氏体在热力学上不稳定，在回火处理时将发生碳和合金元素的脱溶，伴随着马氏体硬度逐渐降低，当回火温度达到一定程度时，钢中析出的特殊碳化物产生二次硬化现象。在回火过程中主要析出的细小弥散的M2C和MC碳化物对二次硬化有巨大贡献。同时，熔敷成型后的残留奥氏体在高温回火过程中也会发生马氏体转变，进而提升了二次硬化效果[8]。

图4 回火后试样的光学显微组织Fig.4 Optical microstructure of the specimens after tempering

2.3 涂层显微硬度

热处理前激光熔敷制备高速钢涂层结合区显微硬度的分布如图5所示。由图5可知，涂层硬度整体呈阶梯分布，涂层硬度是基材平均硬度的1.5倍，涂层硬度偏高是因为激光熔敷高速钢粉末含有大量的合金元素及碳，形成淬火马氏体所致。结合区硬度过渡较为明显，是因为结合区宽度很窄，基材对涂层的稀释率很低，其次因为激光熔敷的快速熔化及凝固特点，热影响区极小，基本不影响基材硬度。基材硬度基本无变化。

图5 热处理前高速钢涂层显微硬度分布Fig.5 Microhardness distribution of high speed steel coating before heat treatment

不同温度回火后涂层的显微硬度如图6所示。可以看出，当回火温度为560℃时，涂层硬度达到最高值1 050 HV0.2。当回火温度低于560℃时会造成回火不足，此时残留的奥氏体量较多，马氏体回火不足，弥散析出的碳化物数量不够多；当温度高于560℃时会造成过回火，进而造成马氏体中的合金元素进一步脱溶，弥散析出的碳化物聚集长大、粗化，硬度不足[9-10]。

图6 不同回火温度对高速钢涂层硬度的影响Fig.6 Effect of different tempering temperature on hardness of high speed steel coating

560℃回火后涂层截面显微硬度分布如图7所示。由图7可知，涂层硬度分布依然呈阶梯状，涂层平均硬度值为1050HV0.2，约为基材硬度值的2倍，且此时基材的硬度值较回火处理前也有大幅度的提高。熔覆层平均硬度升高是因为高速钢含有的强碳化物形成元素在回火过程中形成各种复杂的碳化物，产生了二次硬化。此时涂层结合区过渡较为平缓，这是因为在回火过程中通过合金元素的析出和碳元素的扩散，结合区也形成了少量的碳化物强化相，结合区硬度平缓过渡，这种过渡对涂层受到的冲击力有一定的缓冲作用，有助于提高高速钢涂层的抗冲击性能力。

图7 回火后涂层显微硬度的分布Fig.7 Distribution of microhardness after tempering

2.4 涂层耐磨性能

经不同摩擦时间后试样的磨损量如图8所示。可以看出，在相同的摩擦时间内，涂层的磨损量变化很小，且为基材磨损量的20%左右。这是因为高速钢涂层中含有大量的合金元素与碳形成合金碳化物通过溶解及析出强化，尤其是高V含量，V是强碳化物形成元素，VC细小弥散，大大提高了涂层的耐磨损性能。由此可见，高速钢涂层能够极大提高2Cr13不锈钢的耐磨性能。

3 结论

（1）通过优化激光熔敷参数，可获得表面形貌良好的高速钢涂层，涂层无气孔、裂纹等缺陷，得到典型的高速钢淬火组织。

（2）高速钢涂层最佳回火温度为560℃，回火三次，每次保温1 h，涂层显微硬度可达1 050 HV0.2，约为基材硬度值的2倍；回火组织为回火马氏体+少量残留奥氏体+弥散析出碳化物。

（3）相同条件下，涂层平均磨损量约为基材的20%，高速钢涂层的制备极大地提高了2Cr13不锈钢的耐磨性能。

图8 试样摩擦时间与磨损量关系曲线Fig.8 Relationship between friction time and wear

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High speed steel coating produced by laser cladding

YIN Yan1，LU Chao1，LIU Pengyu1，XIAO Mengzhi1，CAI Weijun1，3，ZHANG Ruihua2，3，QU Yuebo2，3
（1.State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Nonferrous Metals，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2.China Iron&Steel Research Institute Group，Beijing 100081，China；3.Hardware Knife Cut Industrial Technology Research Institute Yangjiang，Yangjiang 529533，China）

In order to take advantage of the excellent performance of high speed steel and expand its application area and reduce its cost，high hardness high speed steel wear resistant coating was produced on the side surface of stainless steel with a thickness of 3 mm by the coaxial powder feeding laser cladding technology and then some heat treatment of the samples were carried out.The microstructure of the coatings was analyzed，and the effect of heat treatment on the micro-hardness of the coating was studied.The wear resistance of the coating was tested.The results showed that the microstructure of the coating before heat treatment is small equiaxed grain，and the microstructure of the coating consists of quenched martensite，retained austenite and a small amount of carbides and tempered martensite，a small amount of retained austenite and a large number of precipitated carbides after heat treatment.The best heat treatment parameters were obtained，and the hardness of the coating was greatly improved after heat treatment，which was about 2 times than that of the substrate.The wear loss of the coating was only 1/5 compared to substrate.

high speed steel；laser cladding；coating；microstructure

TN24，TG11

A

1001-2303（2017）10-0099-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.21

本文参考文献引用格式：尹燕，路超，刘鹏宇，等.激光熔敷制备高速钢涂层[J].电焊机，2017，47（10）：99-103.

2017-06-11

广东省2015年省前沿与关键技术创新专项资金（重大科技专项）项目资助（2015B010123002）；阳江市2015年度新型研发机构建设、工程技术研究开发中心建设、企业实验室专项资金项目资助（2015019）；阳江2016年科技发展专项资金（协同创新与平台环境建设方向）资助（2060502）；兰州理工大学学生科技创新基金资助项目（S20）、“广东省”扬帆计划引进创新创业团队专项资助（2015YT02G090）

尹 燕（1973—），女，教授，博士，主要从事高效率焊接及先进激光加工技术的研究工作。E-mail：yinyan@lut.cn。