合金钢超高速激光熔覆铁基涂层工艺

孙昊鹏

一、实验材料及方法

（一）实验材料

本试验采用27SiMn辊作为基体材料，直径为53mm、长度为800mm。

釆用的熔覆粉末为含Cr量很高的431不锈钢粉末，粉末通过等离子旋转极法制备，粉末颗粒度在25～45um之间。

（二）实验方法与步骤

1.材料准备

采用磨床将辊表面锈迹磨光，为了提高不锈钢粉末与基体的冶金效果，所以基体表面尽可能光滑。熔覆前用酒精对基体试样进行擦拭，以除去表面的油污。

熔覆材料采用431不锈钢粉末。试验前将粉末放在烘干炉中干燥，除去其中的水分且保温温度为110℃，保温時间为2小时。

2.试样处理

将激光熔覆试验后的27SiMn辊，用线切割将改钢板切成大约8mm8mm12mm的立方钢块，利用金相镶嵌机对试样进行镶嵌。采用金相磨抛机分别使用400目、600目、800目、1000目的水砂纸对试样进行处理，最后通过抛光和腐蚀之后对试样进行金相观察等分析。本试验采用的腐蚀液为4%硝酸酒精溶液。

3.试样分析

（1）微观组织分析：利用电子显微镜观察分析试样横截面的显微组织和表面形貌，并观察其有无缺陷。

（2）性能分析：采用HVS-100型显微硬度计。对涂层、热影响区、基体进行硬度测试;应用盐雾试验箱测定涂层的耐蚀性，试验溶液配置为：溶解试剂氯化钠于水中，调配成浓度为5%的盐水液，盐水液的PH值应在6-7之间。并以冰醋酸调整溶液的酸碱值，使其腐蚀液的PH值为3.0-3.2。

二、工艺参数对涂层样貌的影响

（一）激光功率对涂层样貌的影响

激光功率是影响激光熔覆层质量的最关键的因素，也是发挥激光熔覆的优势所在。对于一定厚度的涂层，功率过小，会造成涂层熔化不完全、表面不平整，功率过大则会造成合金粉末过烧、有气孔、表面褶皱、熔覆深度深、稀释率大等问题。

采用控制变量的方法，线速度20m/min、送粉速度4r、搭接率50%为保持不变，激光功率分别为2500W、3000以及3500W，通过实验发现功率为2500W时功率明显不足，粉末未完全融化，功率为3000W时粉末完全融化，成型平整，无缺陷，当功率增加至3500W时，粉末过烧，造成熔覆层表面褶皱。

（二）搭接率对涂层样貌的影响

在使用超高速激光熔覆进行表面熔覆过程中，由于受到光斑尺寸、激光功率等方面的影响，单道熔覆层的宽度尺寸有限，因此对大面积的激光熔覆时就需要进行多道搭接才能够满足熔覆层形貌及组织性能的需要。在实际生产中，小的搭接率可以提高工作效率，但是不同的搭接将直接影响成形表面的平整度，是实现激光熔覆大面积成形的关键工艺之一。当搭接率偏小时，两个单道熔覆层之间会出现一定的凹陷。可以看出当搭接率偏大时，会造成相邻两个熔覆道的高度差，出现搭接区的凸出。若是在偏高或者偏低的搭接率下进行大面积的熔覆，就会造成熔覆表面粗糙度较大，只有在搭接率适中的情况下，才能得到表面平整的熔覆层。

（三）线速度对涂层样貌的影响

线速度也会影响激光熔覆层的成形。当其它工艺参数一定时，线速度过小有可能会造成鱼鳞纹明显，甚至造成工件过热、过烧，当线速度过大时，由于激光与合金粉末以及基材的作用时间变短，稀释率降低、润湿性差，严重时会造成粉末成球状聚合，不能达到有效的冶金结合。

（四）保护气对涂层样貌的影响

保护气（Ar气）也会影响激光熔覆层的成形。它工艺参数一定时，保护气流量小有可能会造成涂层表面发黑，存在气孔等现象，当保护气体流量逐渐增加，涂层成型会逐渐变白，但其也不能过大，过大会导致熔池被吹散，造成涂层的不平整。

（五）工艺参数的确定

参照实际生产涂层厚度的要求，以及初期的探索性试验，得到了三种表面成型平整，且无缺陷的熔覆层，初步确定了三种不同的工艺参数，依次将其编号为A、B、C，A为激光功率2500W、线速度15m/min、送粉速度为2r/min、搭接率60%、保护气8L的涂层表面， B为激光功率3500W、线速度25m/min、送粉速度4r/min、搭接率50%、保护气10L的涂层表面， C为激光功率4500W、线速度35m/min、送粉速度6r/min、搭接率40%、保护气12L的涂层表面。厚度均为0.5mm。

三、涂层性能测试

（一）酸性盐雾测试

盐雾试验是一种主要利用盐雾试验设备所创造的人工模拟盐雾环境条件来考核产品或金属材料耐腐蚀性能的环境试验。根据PH值，温度，湿度对盐雾的影响，盐雾试验可以分为：中性盐雾试验，醋酸盐雾试验，铜盐加速醋酸盐雾试验。本文采用的醋酸盐雾试验（ASS试验）是在中性盐雾试验的基础上发展起来的。它是在5%氯化钠溶液中加入一些冰醋酸，使溶液的PH值降为3左右，溶液变成酸性，最后形成的盐雾也由中性盐雾变成酸性。它的腐蚀速度要比NSS试验快3倍左右。

考虑涂层工程实践中的应用，涂层要耐的住长时间环境的腐蚀，因此涂层的厚度将是影响涂层耐蚀性能的一个重要因素，故进行酸性盐雾腐蚀试验。

（一）涂层组织分析

1.单层多道组织

根据盐雾试验结果，经过镶嵌、打磨、抛光以及腐蚀后观察到的涂层组织，通过超高速激光熔覆工艺得到的超高速激光熔覆熔覆层截面的金相显微组织，熔覆层截面上存在着三个明显的区域，即熔覆层、热影响区和基体。激光熔覆过程中，熔池在不同位置由于凝固条件的不同而形成了不同的组织结构形态。涂层的微观组织主要是由细长枝晶组成，由于该过程是一个高梯度、高速度的凝固过程，因而其组织致密、均匀。

超高速激光熔覆涂层物相为α-Fe，涂层组织由铁素体组成。涂层界面结合处组织为平面晶。中部搭接处组织为生长方向一致的树枝晶，具有连续外延生长的特性，存在明显的搭接分层现象，在搭接处的枝晶组织略有粗化。顶部组织为大小均匀的，成长方向明显一致的细小的树枝状晶体。

2.单层多道底部结合面组织

熔覆层与基体间的结合界面组织形态，它是各种工艺参数综合作用的结果。激光熔覆过程中，工艺参数的不同、激光功率分布的不均匀性、基材表面晶粒取向不同、各晶粒的熔化程度不同以及激光熔池内存在的对流搅拌作用， 导致界面组织形态也不一样。界面结合处的组织形态是延基体生长的一层平面晶。

同时可以发现，近界面结合处组织呈现不同的生长状态，与基体结合处的组织生长紊乱且粗大，但在距基体最近的一道组织生长方向比较一致。产生这种现象是由于超高速激光熔覆单层两道搭接熔覆示意图，单层多道类似。横向搭接时，第一道熔覆时以27SiMn为基体，当熔覆第二道，第二道的熔池一部分为产生于是前一道熔覆层，前一道组织发生了局部重熔，另一部分为原始的27SiMn基体，由于“基体”发生了改变，使得组织呈现不同的现象。

（三）涂层硬度测试

显微硬度是评价涂层性能的重要指标之一，通过对比不同工艺参数下涂层的显微硬度分布，可以对涂层的机械性能作出一定的评价和预测。

（四）涂层稀释率

稀释率是指在激光熔覆过程中，由于熔化基体的混入而引起的熔覆合金成分的变化程度。由于超高速激光熔覆冷却以及凝固的速度很快，热输入量低，因此基体稀释率很低。涂层与基体的界面结合平整，稀释率极低。