扫描速度对镍基激光熔覆涂层性能的影响

Value Engineering• 227•扫描速度对镍基激光熔覆涂层性能的影响
Effect of Scanning Speed on Properties of Ni-based Laser Cladding Coatings
吴金涛®W U J i n-t a o;何斌锋于H E B i n-f e n g
(①中煤科工集团西安研究院有限公司，西安710077;②西安文理学院，西安710065)
(①C C TEG X i'a n Research In s titu te,X i'a n710077, C h in a;②X i'a n U n iv e rs ity,X i'a n710065 ,C hina)
摘要：以某注水泵组合阀为研究对象,针对柱塞在工作过程中出现的磨损、冲蚀失效问题展开研究。

采用激光熔覆工艺在失效位 置熔覆镇基涂层进行修复，采用场发射担描电子显微镜（F ie ld em ission scanning ele ctro n m icro scopy,F E S E M),能谱仪（Energy D ispersive Spectrom eter,EDS)，摩擦磨损分析等方法，研究了担描速度对涂层性能的影响。

研究结果表明：当担描速度为450m m/m in 时熔覆层显微组织为细小的树枝晶组织,E D S结果表明在树枝晶组织中含有较高的C r、F e、N i、B元素，摩擦磨损结果表明450m m/m in 时摩擦系数最小为0.797。

Abstract:T a k in g a w ate r in je c tio n pum p com bined valve as the research o b je ct,th is paper studies the w ear and erosion fa ilu re of the p lu n g e r d u rin g the w o rk in g process.The laser c la d d in g process was used to re p a ir the n ic k e l-b a s e d coa ting in the fa ilu re p o s itio n.F ie ld em ission scanning ele ctro n m icroscopy(F E S E M),E nergy D ispersive S pectrom eter(E D S),and F ric tio n and W e a r A n a lysis"were used to study the e ffect of scanning speed on coating pro p e rtie s.The results show th a t the m icro stru ctu re of the c la d d in g la ye r is a sm a ll d e n d ritic-stru cture w hen the scanning speed is450m m/m in.EDS results show th a t C r,F e,N i and B elem ents are con tained in the d e n d ritic stru ctu re, and the fric tio n and w ear results450m m/m in when the fric tio n c o e ffic ie n t of the sm allest0.797.
关键词：激光熔覆;镍基粉末;硬度;耐磨性
Key words:laser c la d d in g；n ic k e l base po w d e r；hardness；abrasion resistance
中图分类号:T N249 文献标识码:A文章编号：1006-4311(2017)24-0227-03
〇引言
本文以某注水泵柱塞为研究对象，针对柱塞在工作过
程中出现的磨损失效、冲蚀问题展开研究，如图1所示是
失效零件表面。

表面磨损损失失效会造成水泵效率严重降
低，甚至不能工作。

若直接更换，会造成水泵维护维修成本
高，资源浪费等问题。

再制造技术是近年来发展起来的一 种以节约资源，保护环境，综合利用信息、纳米、生物等技 术，使废旧资源中的价值发挥到最大限度[|]。

本文针对柱塞 失效问题，采用激光熔覆工艺进行了修复再制造，减缓资 源紧张与资源浪费，减少失效或报废产品对环境的危害，达到失效零件再制造、再利用、降低成本的目的[2]。

激光熔覆技术是通过将高能密度的激光束照射在材料表面，使零件表面温度升高直至表面达到熔化状态，形 成熔池，将工作粉末送至熔池区，使熔融的粉末材料与基体发生冶金结合，当激光束移开后，熔池再以极快的冷却 速度冷却[3]，最后形成熔覆层。

根据表面性能需要，可以熔 覆不同的粉末材料来获得相应的耐磨性耐蚀性16]、高温 抗氧化性能等。

影响涂层质量的因素很多，包括激光功 率，扫描速度，送粉量，光斑直径等18-9]。

本文主要研究扫描 速度对熔覆层性能的影响情况。

i熔覆材料与性能测试
零件基材为2C r13不锈钢，由于该柱塞工作条件中有 柱塞与泵体的摩擦磨损作用，另外也存在压力水对柱塞的 冲刷腐蚀作用，选择熔覆材料时需要考虑耐磨性和耐蚀性 两方面的要求，所以本次试验熔覆材料选择优良的耐磨性、耐蚀性的N i60合金粉末，该粉末的成分如表1所示，粉末粒度40-80滋m。

作者简介：吴金涛（1983-)男，河南鲁山人，工程师，学士学位，主要从事煤矿机械销售与维护工作。

图1柱塞失效位置
表1 N i基粉末化学成分(wt.%)
元素C C r S i B F e N i
含量1.116.71.33.44.9Bal.
米用laserline LDM2.000-60光纤激光器，同轴式送 粉，在课题组大量试验的前提下，选择激光功率为1500W，选择 300mm/min，450mm/min，600mm/min二种不 同扫描速度，探究了扫描速度对熔覆层性能的影响。

采用 普通光学显微镜和NOVA NANOSEM 450型场发射扫描电子显微镜（FESEM)对涂层的微观组织进行分析，采用 HT-1000型摩擦磨损试验机在室温、无润滑试验时在试样 表面加载200g，对磨材料选择GCr15条件下对熔覆层进 行了 60m in的滑动摩擦试验，研究了涂层的耐磨性。

试验 方案如表2所示。

表2试验方案
扫描速度m m/m in激光功率/W送分速度g/m in搭接率30015001033.3%
45015001033.3%
60015001033.3%
2结果分析
2.1显微组织分析
如图2所示当激光功率为1500W时不同扫描速度小 熔覆层的宏观组织，从图中可以看出，当扫描速度
为
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价值工程
300mm/min 时，
由于扫描速度较低，
熔覆层吸收的能量多， 熔池吸收的热量更多，熔池吸收的气体更多，导致熔覆层 组织不够致密，如图2(a )所示，同时，熔覆层出现了非常 严重的裂纹，裂纹贯穿了整个熔覆层，这对零件修复质量 是非常不利的。

随着扫描速度逐渐增大，熔覆层质量都相 对比较好。

如图3所示是1500W 时不同扫描速度下熔覆层与基 体界面处的显微组织，从图中可以看出，在300mm/min 时 熔覆层组织主要是粗大的树枝晶组织由于在熔覆过程中 后道熔覆层对前道熔覆层的反复的热循环，使该区域液相 保温时间相对增加，为晶粒的不断长大提供了有利的条 件，使得熔覆层中晶粒非常粗大，甚至直接从液相中析出 粗大的一次枝晶。

随着扫描速度增大，在450mm/min 时显 示为比较细的树枝晶组织，而当扫描速度增大到600mm / m in 时可以看出，组织中主要是以胞状组织为主，这也主 要是由于熔覆层吸收热量不同引起的。

如图4所示是1500W 时不同扫描速度下熔覆层中部 的显微组织，从图中可以更加明显地看出，300mm/min 时 其组织为粗大的树枝晶组织，450mm/min 时树枝晶组织稍 微细化，而当扫描速度达到600mm/min 时组织主要是胞 状组织。

图5是熔覆层能谱分析结果，图5(a )为扫描速度为 300mm/min 时能谱分析结果，从分析结果可以看出，当扫
描速度比较低时，枝晶处含有较高含量的C r 、F e 、N i 、B 元
素，由于这些元素基本都是一些硬质相形成元素，可以判 断这些元素对于提高熔覆层的硬度和耐磨性能是非常有 利的。

图5(b )为扫描速度为600m m /m
i n
时针对胞状组织
的中心部位和边缘部位做的能谱分析，可以看出，在胞状 组织中心部位，主要含有C 、C r 、F e 三种元素，而边缘部位 含有相对较多的B 、C 、C r 、F e ，可以看出两个部位主要区别
是B 元素，说明B 元素主要出现在胞状组织边缘部位，其 他几种元素的差别不很大，这样的元素组成对于改善表面 硬度具有非常重要的意义。

另外，在两个部位都含有少量 的O 元素，说明在熔覆层形成过程中，由于受到空气侵 蚀，导致轻微氧化。

2.2硬度及耐磨性分析
如图6所示为三种扫描速度下熔覆层的显微硬度测 量结果，可以看出，在扫描速度为300m m /m
i n
时的硬度明
显高于另外两种扫描速度，高于基体3倍多，这是由于在 扫描速度较低时，熔覆层吸收的能量更多，使熔池有足够 的时间形成一些硬质相，比如C r 、C 、B 等的化合物来提高 表面硬度，随着扫描速度的提高，硬度逐渐减小，也是由于 没有足够时间发生反应，导致表面硬度降低，但是与基体 硬度相比，提高了 2倍多。

如图7所示为三种条件下熔覆 层摩擦系数的对比情况，从图中可以看出三种情况下磨合 期都比较短，大概5分钟左右，熔覆层的摩擦系数在
300m m /m iii 时比较 稳定，平均值为 1.388，在 600m m /
m i n
时上下波动就
比较大，但平均值 在 1.265左右，在 450m m /m
i n
时可以
看出，摩擦系数上 下波动非常严重，
这种情况考虑主要 是由于样品表面粗 糙度太大引起的， 摩擦系数平均值为
0.797,可以看出在 450m m /m in 时 摩擦 系数最小，对于柱 塞来说是有利的。

3结论
采用激光熔覆 针对柱塞表面磨 损、冲蚀失效进行 了修复，通过大量 工艺试验，确定了 扫描速度为 450m m /m
i n
, 1500W
为相对最佳工艺， 分析结论如下：
①扫描速度较 小时由于熔覆层吸
(a )300m m /m in
(b )450m m /m in
( c )600m m /m in
图2不同扫描速度下熔覆层的熔覆层（1500W )
(a )300m m /m in
( b )450m m /m in (c )600m m /m in
图3不同扫描速度下熔覆层的熔覆层(熔覆层与基体界面处）
(a )300m m /m in
( b )450m m /m in
( c )600m m /m in
图4
不同扫描速度下熔覆层的熔覆层(熔覆层中部)
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200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
距表面距离/pm 图6熔覆层硬度分布
1.81.6­1.4
700-600
0 10 20
30
40 50 60
Time/min
图
7熔覆层摩擦系数
② E D S 结果表明树枝晶中含有较好含量的Cr 、Fe 、Ni、B 元素，这些元素对于提高表面硬度和耐磨性是非常有利的。

③
通过硬度分析树枝晶组织硬度更高，随着扫描速度
增大，硬度减小，胞状组织的硬度最低。

④ 摩擦系数结果表明450mm /m in 时，摩擦系数最小，
平均值为0.797。

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E lem ent W eight %A tom ic %B K
9.4431.42C K 3.299.84C r K 58.6540.58M nK 1.310.86FcK 18.0811.65NiK
9.23
5.66
(a )300m m /min 时枝晶组织处EDS 分析
S p ot 1E lem ent W eight %A tom ic %CK
10.7534.64
C r K 14.9411.12Si K 0.851.18F e K 72.2050.03OK
1.253.03
S p ot 2E lem ent W eight %A tom ic %BK 6.9222.45CK 6.6319.35OK 1.663.64Si K 0.440.55C r K 21.9914.84F e K
62.36
39.17
(b )600m m /min 时枝晶组织处EDS 分析
图5熔覆层能谱分析结果
收的热量更多，形成了粗大的树枝晶组织，并且随着扫描 速度增大树枝晶组织不断细化，到600mm /m in 时组织为胞状组织。

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