激光激光熔覆技术

经过激光熔覆之后300 g 载荷时的磨 痕深度为1. 096 微米, 而500 g 时的磨 痕深度已达52. 706微米，增加了47 倍，宽度增加了45. 4%。300 g 和500 g 载荷下的磨痕形貌曲线经过表面轮 廓仪测量分别如图5(a) 、(b) 所示。 300 g 载荷时由于摩擦系数小，产生
了较轻的磨损，其磨痕形貌不规则。 而500 g 载荷下磨痕形貌比较规则， 呈现类似抛物线形状。
激光熔覆是一种快速熔化、扩展和凝固的
过程。以铁基合金粉末为熔覆材料的强化
层显微组织特征是以细小的共晶莱氏体为 基底，上面分布着先共晶渗碳体, 是一种凝 固组织，其强化层中不仅含有大量的合金
渗碳体，而且还有马氏体、残余奥氏体和 原位析出的颗粒。40Cr 基体的表面磨损试 验，其进入磨合期最后10min 的图形如下图 所示。
采用LWS—300WC系列脉冲Nd；YAG激光器， 激光工艺参数见下表1。基材表面用砂轮打磨 平整，使之有一定的粗糙度，以利于与铁基合 金相结合。在基材表面预涂上一层铁基粉末， 激光熔覆处理后再采用接塔的方法扩大熔覆的 面积，制备成大约宽20mm、长40mm的熔覆 层。对熔覆层表面进行精磨、抛光处理。
采用WYKO NT 1100 型光学表面轮廓仪测量 磨痕的深度和宽度, 每点间隔3微米，测量 数据点数根据磨痕宽度随机生成。在计算 机上使用OriginPro软件完成磨痕断面曲线的 精确还原, 再与初始表面拟合，最终利用 OriginPro编程计算出径向磨痕宽度和深度， 并以磨痕宽度和深度作为磨损量的评定标
由于激光熔覆技术在激光熔覆理论、 物理数学 模型，合金材料、工艺参数、涂层组织性能研究, 设备自动化、柔性化、熔覆过程监控，专用功能部 件研制以及生产应用等方面取得了重要进展。因此， 激光熔覆技术不仅引起西方各国的注意，同时也受 到了国内的广泛重视，被广泛地应用于航天、汽车、 石油、化工、冶金、电力、机械、工模具和轻工业 等领域。比如以这样的一个实验为例说明激光熔覆 技术的应用。
以GCr15 钢珠和40Cr 钢表面熔覆层为配副的磨 损试验结果见表3。不同载荷下摩擦系数随时 间变化的曲线图见图4。图4(a) 表示的是进入 正常磨损期最后10 min 摩擦系数的变化规律。 在相同的磨损时间内，载荷变化范围100~300 g。随着载荷的增加，摩擦系数逐渐降低，磨 损后期摩擦系数平均值由1.754 降低到0.444, 降低了74. 7%，摩擦力的平均值由1. 754 N降低 到1.332 N，降低了24%。图4(a) 还表明：除 100 g 载荷之外，随着磨损时间的增加，摩擦 系数均呈现下降的趋势，而且当载荷为300g时， 摩擦系数下降的幅度最大，磨损过程非常平稳。
为了研究模具钢熔覆层的磨损性能， 采用铁基粉在40Cr钢表面进行激光熔 覆，以激光熔覆层为上试样，GCr15 钢珠为下试样，采用HT—500磨损试 验机进行摩擦磨损实验，并与40Cr基
体的磨损性能相对比，利用表面形貌 仪测量磨痕深度和宽度。
基 体 材 料 为 40Cr ， 正 火 态 ， 试 样 制 成 直 径 50mm、高10mm的圆盘；对磨材料为GCr15， 由于铁基合金粉末与40Cr钢具有较好的相容性， 激光熔覆材料采用铁基合金粉末。
当继续增加载荷，摩擦系数随时间的延长发生显 著的变化。从图4(b) 可见：当载荷为400 g, 磨损 时间超过35min后，摩擦系数随磨损时间的增加 而逐渐增大，呈现上升的趋势；当载荷增加到 500 g 时，摩擦系数较大，比300 g 时的摩擦系数 增加了75%, 而平均摩擦力约为原来的2. 9倍；当 时间达到40 min 后才进入稳定磨合期；当接近60 min 时，摩擦系数急剧变化，表明磨损过程已进 入严重磨损阶段，整个磨损过程不平稳。
降。因此熔覆层比基体更有利的磨损载荷 范围是300 g。当载荷达到500g时，其产生 的应力已超过材料的屈服极限，在滑动摩
擦过程中材料发生了撕裂，产生了很多碎 屑, 从图5(b) 看出此时的磨痕宽度和深度都 大幅上升，磨损性能急剧下降。此试验说
明使用价格便宜的铁基合金粉末进行激光 熔覆，可以达到或超过原有40Cr钢的力学性 能。
准，以摩擦系数的大小作为摩擦力大小的
标志。本试验以进入正常磨损后至结束前 ( 10 min) 的数据列出摩擦系数的变化范围和 摩擦系数的平均值。
在激光熔覆层磨损性能的研究中，熔覆层 的制备是非常关键的一环，激光输出一定 要稳定，光斑能量分布要均匀，本试验预 涂粉末高度约1 mm、宽度约2 mm，经过反 复试验获得激光熔覆的各项工艺参数设置 如表1。熔覆层示意图如图2，其结构细致、 紧密。如参数设置不当，例如粉末高度太 高或扫描速度太快则极易在表面发生裂纹、 孔洞等缺陷，下图所示为产生的气孔。
体的大；在高应力磨损下，应力诱发奥氏体向马
氏体转化，残余奥氏体因能显著加工硬化而改善 耐磨性, 故载荷为300 g 时, 熔覆层的摩擦系数变 得最小，且过程平稳，表现了很好的耐磨性。而 基体在300 g 载荷时的摩擦系数有稍微上升趋势， 略大于熔覆层时的摩擦系数。
当载荷为400g的时候，经过35min的磨பைடு நூலகம்， 熔覆层的摩擦系数逐渐升高，耐磨性能下
载荷小于250g时，相同载荷下，基体的摩擦系数 小，这是由于正火态下的40Cr 钢正火组织具有较 好强度和硬度，具有较好的耐磨性能。在进行激
光熔覆之后，由于残余奥氏体影响抗磨损能力，
在低应力磨损下，残余奥氏体没有显著的加工硬 化，耐磨损性能较低，故载荷低于250 g 时， 残 余奥氏体使得磨损性能下降，摩擦系数反而较基