激光功率对熔覆Ni基涂层性能的影响

激光功率对熔覆Ni基涂层性能的影响
刘鹏良;孙文磊;黄勇;黄海博
【摘要】为提高45号钢表面硬度和耐磨性,可以在45号钢的表面采用激光熔覆技术熔覆合金涂层提高其表面性能.镍基合金熔覆层硬度高、耐磨、抗腐蚀、抗弯曲、可以在极端环境下具有稳定的性能,但在激光熔覆层中易产生裂纹.为改善45钢表
面性能,在相同的扫描速率下采用不同功率在其表面激光熔覆制备了Ni基(Ni60)复合涂层,对不同激光功率熔覆层的性能检测使用金相显微镜、显微硬度仪、扫描电镜.结果表明:随着激光功率的增加,表面粗糙度变大,熔覆层的宽度、高度、基材的熔化深度都有一定程度的增大,裂纹出现趋势减小.在45号钢上熔覆Ni60合金粉末可以提高基材表面显微硬度,熔覆层显微硬度高出基材显微硬度约700HV,激光熔覆技术在一定范围内可以实现对基材的表面硬化.
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2018(000)0z2
【总页数】4页(P149-152)
【关键词】激光熔覆;裂纹;镍基粉末;功率
【作者】刘鹏良;孙文磊;黄勇;黄海博
【作者单位】新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐 830047;新疆大学机械工程
学院,新疆乌鲁木齐 830047;新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐 830047;新疆
大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐 830047
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;TG174;TP391
1 引言
激光熔覆技术的基本原理是在基体表面上熔凝金属、陶瓷粉末使之与基体形成稀释度极低且与基体成冶金结合的熔覆层，可以有效改善基体表面的耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化性等性能，激光熔覆技术这样特点在基体表面改性领域具有广阔的发展前景[1]在激光熔覆的表面涂层中易产生裂纹和气孔等缺陷，这就使得解决熔覆层中得
裂纹和气孔的研究变得至关重要。

熔覆层裂纹的产生是由于金属凝固时熔池内部的残余应力导致的，和熔覆层合金粉末与基体材料的热膨胀系数的差异也存在匹配合适与否的问题，这些参数上的匹配和优化是机激光熔覆产业发展所必须解决的问题，同时也是制约激光熔覆产业发展所要跨越的一道障碍。

激光熔覆参数中的激光熔覆功率、光斑大小、扫描速率、离焦量等激光熔覆的主要参数对熔覆层的质量有着很大决定作用[2-6]参数之间的相互匹配和优化对熔覆层的质量有重要影响。

激光熔
覆热源是由光纤激光发生器产生的强激光束，熔池中的热源能量密度ES可表示为：ES=P/（D*Vb）式中：P—激光功率；Vb—激光扫描速度；D—激光束光斑直径。

大量研究表明[7-9]，当ES增大时，熔覆层的裂纹会逐渐较小，开裂倾向会减少。

激光熔覆层易产生裂纹，是由于熔池在遇冷凝固的过程中熔池内部的残余应力引起的，同时残余应力的大小和激光能量密度紧密ES相关。

45号钢以良好的力学性
能和低廉的价格广泛应用在零部件生产制造中，已成为工业产品的重要材料，45
号钢广泛应用在机械行业中，是典型的机械用钢，常应用在高温、高压等极端条件下，这样就使得45号钢表面性能成为衡量其可靠性的主要参考依据，可以在45
号钢的表面采用激光熔覆技术熔覆合金涂层提高其可靠性。

在45号钢表面激光熔覆合金涂层以改变45号钢在极端条件下易发生腐蚀、疲劳、破损等易失效的不足，这种激光熔覆技术对金属表面进行熔覆涂层以达到基材表面改性的技术，在机械用
钢的回收和修复中具有广阔的发展空间[10-13]。

主要分析多道搭接熔覆实验中，
激光功率对在45号钢基材上熔覆镍基合金粉末的熔覆层性能和熔覆层裂纹的影响。

2 实验材料及方法
2.1 试验材料
试验前材料处理：为了防止基材表面杂质对激光能量的吸收从而影响实验结果，试验前对45号钢表面除锈，并进行表面精磨，使基体表面平整，使用无水乙醇清洗去除表面油污和氧化膜，使基体表面无明显缺陷。

为了防止镍基熔覆粉末受潮造成结块，在实验开始前对镍基熔覆粉末烘干除潮，这样就能避免因熔覆粉末受潮而对实验结果产生影响。

45号钢的组成元素，如表1所示。

表1 45号钢基材的化学成分（质量分数，%）Tab.1 Chemical Composition of 45 Steel Matrix（wt%）C Si Mn Cr Ni Cu P，Fe（0.420～0.500）（0.170～0.370）≤0.250≤0.300≤0.250 ≤0.035 余量
选取Ni60自熔合金粉末为熔覆材料，Ni60的化学成分，如表2所示。

表2 Ni60合金粉末的化学成分（质量分数，%）Tab.2 Chemical Composition
of Ni60 Alloy Powder（wt%）Si C Fe B Cr Ni（3.5～5.5）（0.5～1.1） <5.0 （3.0～4.5）（15.0～20.0）余量
试验前材料处理：基体材料表面精磨，并用无水乙醇清洗，使基体表面平整、无油污、无氧化膜等缺陷，避免加工过程中杂质影响激光能量的吸收率，从而影响实验结果。

为了防止粉末受潮对熔覆层性能与形貌产生影响，熔覆粉末采用真空烘干除潮。

过程中施加N2可以保护熔覆层成型过程中不受外界干扰的影响得到均匀的激光熔覆涂层，形成性能稳定的熔覆层。

2.2 试验设备与方法
试验设备包括：
（1）IPG光纤激光器，型号：YLS-2000，最大输出功率为P=2000W；（2）
HV-1000 型数字显微硬度计；（3）JSM-6700F 场发射扫描电镜（SEM）。

激光熔覆工艺参数，确定表3的激光熔覆工艺参数是根据之前在45号钢基材上做过的工艺试验，如表3所示。

表3 激光熔覆工艺参数Tab.3 Process Parameters of Laser Cladding激光功率kW光斑直径mm送粉速度g/s扫描速度mm/s 搭接率% 离焦量mm 1.01.21.4 2 1.2 3 50 16
用线切割设备对熔覆试验得到的试样沿成形截面切开，制作成（8×8×8）mm大小的试块，进行打磨获得显微硬度测试件，采用HV-1000型数字显微硬度计进行显微硬度测量。

用线切割设备对熔覆试验得到的试样沿成形截面切开，制作成（8×8×8）mm大小的试块，对获得的试块进行打磨、抛光后，用丙酮溶液清洗试样，并用腐蚀液腐蚀，制成电镜扫描试块。

采用JSM-6700F场发射扫描电镜（SEM）对试块进行显微形貌和断面结构分析。

使用前，将试块用导电胶粘于小型金属器物上，粘贴好后，将试块连同小型器物一起放入扫描电镜的腔内，关闭腔门，对腔内空间抽真空。

待到真空抽取完毕，开始测试。

3 实验结果及分析
3.1 单道宏观形貌图
在激光功率为1.0kW、1.2kW、1.4kW时45号钢表面熔覆单道Ni60涂层的宏观形貌，如图1所示。

在单道激光熔覆涂层的对比中，激光功率为1.0kW时在熔覆层表面有明显的金属颗粒存在，这是由于激光束功率不足只能将粉末部分熔化，获得的熔覆层高度和熔覆层单道也没有熔覆功率为1.2kW和1.4kW时宽。

在激光功率为1.4kW时，较高激光功率使得粉末温度得以充分熔化，使得熔覆层粗糙度降低，熔覆宽度相比较1.0kW和1.2kW有明显提高。

图1 不同激光功率下单道熔覆表面的宏观形貌Fig.1 Morphology of the Cladding Layer Surface with Different Laser Power
3.2 多道宏观形貌图
1.0 kW、1.2kW、1.4kW三种激光熔覆功率搭接率为50%时的多道搭接熔覆层的宏观形貌图，如图2所示。

三种激光熔覆功率均能与基材形成冶金结合，在激光功率为1.0kW时熔覆层表面呈波浪状熔覆层表面平整度小，熔覆层的厚度小于激光熔覆功率为1.2kW和1.4kW的熔覆层厚度，在激光功率为1.2kW时，熔覆层中部有部分裂纹产生，在激光功率为1.4kW时熔覆层表面颗粒度下降，无裂纹气孔等缺陷，且表面平整。

激光熔覆功率的大小在一定范围内可以影响熔覆层的表面质量。

图2 不同激光功率多道熔覆层表面宏观形貌Fig.2 Morphology of Cladding Layer with Different Laser Power
3.3 不同熔覆功率下涂层硬度
三种不同激光熔覆功率熔覆层表面到基体的显微硬度变化趋势，如图3所示。

采用数字显微硬度计分别对激光熔覆功率为1.0kW、1.2kW、1.4kW的式样进行显微硬度测量，为了减小误差使得显微硬度仪测得的显微硬度接近真实显微硬度，采用每个横向的水平测量层分别测量3个点，每个测量点之间相隔2mm，然后再取平均值，不同激光功率熔覆层的显微硬度从熔覆层顶部开始测量，每隔1mm为一个测量点，最终得的显微硬度变化，如图3所示。

图3 熔覆层表面到基体的显微硬度变化Fig.3 Micro Hardness Change of Surface to Substrate of Cladding Layer
从图3可以看出激光功率为1.4kW时的显微硬度值在相同距离的测量点的平均值高于激光功率为1.0kW和1.2kW的熔覆层显微硬度平均值，激光熔覆涂层的显微硬度明显高于基材的显微硬度，起到了表面硬化的作用。

图3上的激光熔覆层的显微硬度随着离基体的距离减小而减小，熔覆涂层的厚度在一定范围内影响显微硬度。

相对于基体的显微硬度熔覆层显微硬度可以很好的提高表面硬度。

在基体和熔
覆层结合的部分有相互的原子渗透，这样就使得稀释区的显微硬度高于热影响区的显微硬度，起到连接熔覆层和基体的过渡作用。

熔覆层晶粒的细密程度与生长受温度的影响，激光熔覆功率越高，获得的金属熔池温度越高，晶粒的成长也就越细密。

由于激光熔覆层中部受到外部环境的影响较小，使得熔覆层中部的的熔池能够凝固成晶粒细小的组织，也就使得显微硬度高于底部和上部熔覆层。

由于金属熔池的热影响，使得基材熔化对基材表面进行了表面改性，又因为熔覆层与基体结合区域原子的扩散，导致结合区的显微硬度高于基体的显微硬度。

熔覆层的显微硬度平均值比基体的显微硬度值提高了700HV左右，实现了对45号钢表面硬度改性的目的。

3.4 熔覆层微观组织
图4 熔覆层的扫描电镜形貌Fig.5 SEM Morphology of Cladding Layer
激光熔覆功率为1.0kw、1.2kw、1.4kw时3种功率时熔覆后式样的扫描电镜形貌，如图4所示。

图4可以得到3种激光功率形成的晶粒均致密结合，晶粒的大小不同，不断细化的熔覆层组织是因为激光功率的增大，同时晶粒颗粒度的大小和组织也受激光功率大小的影响。

在图5的扫描电镜形貌晶粒图中三种激光功率的熔覆
层均与基体形成了冶金结合，但是在激光功率为1.0kW和1.2kW时有明显的裂纹产生，不能保障熔覆层良好的性能，当激光功率为1.4kW时熔覆层没有明显的裂
纹产生。

但三种激光熔覆功率都在同程度上生了气孔，这对于熔覆层性能在一定程度上产生了影响。

4 结论
（1）激光熔覆的功率对熔覆层表面粗糙度、表面平整度和基材熔化深度热影响区都有影响，为提高熔覆层的质量可以匹配合适的熔覆参数以达到要求。

（2）在45号钢上熔覆Ni60合金粉末的熔覆层比基材的显微硬度高出约700HV。

熔覆层晶粒的细密程度与生长受温度的影响，激光熔覆功率越高，获得的金属熔池温度越高，晶粒的成长也就越细密。

（3）三种激光熔覆功率形成的涂层，在1.4kW时形成的熔覆层表面平整，微观
组织无裂纹产生，熔覆层晶粒细小致密。

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