激光焊接熔覆

实验材料与方法
基体材料为40Cr 钢,加工成直径50 mm、高10 mm 的圆 盘,对磨材料为GCr15 钢珠,激光熔覆材料采用自行研制 的铁基合金粉末,粉末尺寸在74～100μm 之间。
采用LWS230系列脉冲Nd：YAG激光修复机,通过预置粉 末法，多道搭接制备大面积熔覆层，激光熔覆工艺参数 见表1。并对熔覆层表面进行精磨、抛光，酒精、丙酮 混合溶液清洗处理,供磨损实验用。试样制作成标准金 相镶嵌试样,用体积分数为5 %硝酸酒精溶液浸蚀,用 HV21000 型显微硬度仪，在1.96 N 的实验力载荷、15s 的加载时间的测试条件下测定基体和熔覆层结合部分硬 度，并通过SEM 观察高温条件下磨痕显微组织形貌。
讨论与分析
激光熔覆是一种快速熔化、急速冷却凝 固的冶金过程。以铁基合金粉末为熔覆材 料的激光熔覆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,是典型的快速凝固组织,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[11212 ]，见 图6 。在磨损过程中,合金渗碳体、马氏体 以及原位析出的高硬度颗粒起到支撑的作 用。
图1 是干摩擦条件下,不同温度的摩擦因数 的曲线。由图可以看出,随着实验温度的升 高,两组曲线的平均摩擦力都呈逐渐降低的 趋势。在100～200 ℃的条件下,磨损比较剧 烈,摩擦因数值较高,基体和熔覆层的平均摩 擦因数相当。随着温度的升高,磨损强度减 弱,变化幅度比较小。随着实验温度在300～ 400 ℃范围内逐渐升高,摩擦过程趋于平稳, 平均摩擦因数逐渐降低,且降低幅度大。此 时熔覆层的平均摩擦因数较基体低,磨损性 能得到改善。
将试样固定在HT2500型高温摩擦磨损 实验机样品盘上，采用球2盘式的摩擦 方式,将温度设定到测试温度,加载实验
所需载荷，前期实验测定得到，在 3.0N 载荷下，熔覆层能得到最佳磨损 性能。设定转速以及磨损时间,驱动样 品盘转动，以GCr15 钢珠和铁基熔覆层
为配副，进行对磨，磨损实验参数见 表2。利用摩擦磨损实验机记录即时温
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由于激光功率高，扫描作用时间短，熔覆
层和基体表层加热后熔化速度快，急速冷 却时过冷度大，熔池中的合金元素能迅速 形成多种化合物而增加非自发晶核的数量， 使形核率大为提高，形成细小均匀的显微 组织。细密显微组织的存在极大提高了晶 界结合力，增强了熔覆层的强度和韧性， 保证了熔覆层的耐腐蚀性能。激光熔覆修 复后表面显微硬度显著提高，从熔覆区2结 合区2基体的显微硬度呈梯度分布，熔覆层 的平均硬度达到373. 8HV(0. 2)，显著高于基 体的平均硬度198. 4HV(0. 2) ，见图7 。
图4 是熔覆层与基体横截面微观结构,经过打磨抛光, 体积分数为5 %的硝酸酒精溶液的腐蚀,位于图片上 层的40Cr 基体截面受到硝酸溶液的腐蚀而变得粗糙, 而熔覆层截面相对比较平整,熔覆层组织结构细密、 均匀,且没有裂纹、气孔、夹杂物和偏析等缺陷存在。
磨痕端面形貌
熔覆层横截面的宽度和深度 由非接触式粗糙度轮廓仪测 量出。从图5 可以发现，随 着温度的逐渐升高，磨痕截 面曲线逐渐变得平滑，磨痕 深度和宽度逐渐增加。
应用前景
铁基合金材料具有较高的耐磨、耐 蚀性能,组分与碳钢铸铁接近，与 基体具有良好的相容性，且成本低 廉。
针对我国目前钢材的应用现状，开 发铁基合金的激光熔覆具有重要的 研究意义和经济价值。
举例证明
用自行研制的铁基合金粉末作为熔覆 层材料，以40Cr 合金钢为基体，采用 Nd : YAG脉冲激光预置熔覆法，在40Cr 合金钢表面制备Fe基涂层；探讨在干 摩擦条件下，激光熔覆层的高温摩擦 磨损性能，并对熔覆层的微观组织形 貌、磨损机理进行了研究。
激光熔覆技术的优点
激光熔覆技术是随着激光技术发展起来的 一种新工艺,作为先进的涂层制备与成型技 术,已广泛应用于金属零部件的表面强化与 修复中,能够有效提高金属零部件的表面耐 磨性,延长服役时间。跟传统修复手段相比, 激光熔覆技术具有热影响区小、表面质量 好、结合强度高等优点。激光熔覆修复的 工件经常工作在中、高温的条件下,评定高 温条件下的熔覆层性能,提高材料中高温性 能是工程应用前期需要解决的关键问题。
在300 ℃的条件下，平均摩擦因 数相对250 ℃有所增加，这是因为 亚 共 析 钢 低 温 回 火 温 度 是 150 ～ 300℃，钢材第一类回火脆性温度 在250～400℃之间，由于40Cr含有 Si、Mn、Cr 等元素,第一类脆性温 度将提高，在300 ℃回火时，常常 使脆性变大，硬度相应降低,摩擦 因数相应有所增加。
度和即时摩擦因数并进行图形绘制与 存储。
实验结果
如表3所示,在100～250℃时,磨损比较 剧烈,磨损实验噪声比较大且平均摩擦 因数下降的幅度比较小。在300～400 ℃时,磨损相对平缓,实验噪声比较小， 同时平均摩擦因数下降幅度也比较大。 相比于基体，熔覆层的平均摩擦因数 在不同温度下都有了不同程度的降低, 特别是在400 ℃时，平均摩擦因数只有 0. 439 。
磨痕显微组织形貌
由图3可以看到,在干摩擦条件下,磨损1 h 以后的熔 覆层表面出现剥离的断面,较宽的犁沟,这是由于干 摩擦表面温度较高, 产生很大的应力, 造成裂纹扩展, 出现一些微裂纹和一些撕裂凹坑。另外组织残存一 些碳化物, 在摩擦力作用下, 一些碳化物脱落而形成 大量凹坑。干摩擦条件下的磨损机理主要以微切削 为主,伴有粘着磨损。
在干摩擦条件下，GCr15 钢珠与熔覆层形成的 摩擦副之间的真实接触面积小、应力大、金属
之间容易发生粘着。随着温度增加，平均摩擦
因数增大，滑动摩擦力增大，金属之间结合紧
密。当超过材料的屈服极限时，材料就容易发 生塑性变形。这是因为:温度升高时，原子活 动能力增强,钢铁中的铁、碳和其它合金元素 的原子可以较快地进行扩散,实现原子的重新 排列组合，受到中温回火的影响,组织从不平 衡组织逐步向稳定的平衡组织转变,韧性逐渐 增强，磨损逐步趋于平稳，平均摩擦因数随着 温度的升高大体上逐步降低。