45鋼激光熔覆層組織性能研究

45鋼激光熔覆層組織性能研究

1化鋼產(chǎn)品加工激光熔蓋技術(shù)是近20年來(lái)提出的一種新材料表面修復(fù)和處理技術(shù)。激光熔蓋技術(shù)是利用激光激光束將金屬粉末層溶解在金屬體表面，并形成金屬陶瓷和融合層的表面處理技術(shù)。45鋼在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中是應(yīng)用非常廣泛的一類價(jià)格相對(duì)較為低廉的金屬材料,目前已充斥著汽車、機(jī)械制造、船舶、化學(xué)工業(yè)等工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)角落,在生產(chǎn)中得到了大規(guī)模的應(yīng)用。利用Fe基合金粉末在45鋼表面進(jìn)行激光熔覆可以在很大程度上提高基體表面的硬度,得到質(zhì)量較高的熔覆層,因此在這些成本和硬度相對(duì)較低且在生產(chǎn)中應(yīng)用又較廣的鋼板表面熔覆制備上一層高硬度高性能合金,以此來(lái)代替大量的高級(jí)合金以節(jié)約貴重及稀有金屬材料,降低成本和能源消耗,在實(shí)際生產(chǎn)中有著重要的研究?jī)r(jià)值和非常廣闊的發(fā)展前景。2實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)設(shè)備2.1基合金粉末主要成分實(shí)驗(yàn)采用的基體材料為45鋼,試件尺寸(300×200×10)mm,熔覆用的粉末為Fe基合金粉末,兩者主要成分,如表1所示。實(shí)驗(yàn)之前先用砂紙對(duì)樣件表面進(jìn)行打磨清理去試件表面的油污和氧化層,確保樣件表面無(wú)油污、疏松、氣孔、砂眼等缺陷,以防止其在加工過(guò)程中產(chǎn)生煙霧或者影響光的吸收等而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果,此外,為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性事先將金屬粉末進(jìn)行真空烘干除潮。2.2激光器與熔池的集成控制本次實(shí)驗(yàn)利用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為:(1)IPG光纖激光器YLR-3000激光加工系統(tǒng)(激光器的最大輸出功率為3000W,并配備某公司生產(chǎn)的6軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械手,同時(shí)配合載氣式送粉器,熔覆過(guò)程中對(duì)熔池施加氮?dú)獗Ｗo(hù),整個(gè)加工系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)集成控制);(4)蔡司高級(jí)金相顯微鏡對(duì)熔覆試樣進(jìn)行金相組織分析。3正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)前期45鋼單道、多道熔覆實(shí)驗(yàn)所得熔覆層表面質(zhì)量、金相組織和顯微硬度的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)工藝參數(shù)在:激光功率600W→900W,掃描速度1mm/s→4mm/s、送粉電壓11V→14V、搭接率為28.5%范圍內(nèi)時(shí)所得熔覆層表面相對(duì)較為平整均勻,顯微組織的分析結(jié)果顯示基體與熔覆層的冶金結(jié)合性較好,并且基本沒(méi)有氣孔和裂紋出現(xiàn)?，F(xiàn)利用正交實(shí)驗(yàn)方法對(duì)此范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步的探索與優(yōu)化,按照如表2所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行激光熔覆實(shí)驗(yàn),然后根據(jù)下表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果繼續(xù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了深層次優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),激光功率為700W、800W,掃描速度為1mm/s、2mm/s,送粉電壓為11V、12V時(shí)得到的熔覆層相對(duì)較好,對(duì)以上試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了深層次優(yōu)化。此外,實(shí)驗(yàn)中輔助工藝參數(shù)設(shè)置為:熔覆頭與基體表面之間距離為15mm,送粉氣壓(N2)0.3MPa,載氣流量300L/h,保護(hù)氣壓(N2)0.1MPa。將熔覆完成后的試樣沿垂直于熔覆方向進(jìn)行切割,用砂紙對(duì)試樣熔覆層橫截面打磨,然后進(jìn)行拋光、化學(xué)浸蝕處理,利用蔡司高級(jí)金相顯微鏡將處理后的試樣進(jìn)行金相組織拍照分析,然后分別使用HVS-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)試試樣橫截面的顯微硬度,用HR-150DT洛氏硬度測(cè)試機(jī)測(cè)試熔覆層表面洛氏硬度。4結(jié)果分析4.1宏觀分析4.1.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析熔覆層的宏觀質(zhì)量包括熔覆層表面平整度和熔覆層表面硬度以及熔覆層表面是否有宏觀裂紋和氣孔等缺陷。經(jīng)過(guò)對(duì)上述各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)激光功率800W、掃描速度2mm/s、送粉電壓12V、搭接率28.5%時(shí)熔覆層表面宏觀質(zhì)量較優(yōu),工藝參數(shù)下的熔覆層外觀形貌,如圖1所示。分析可知在此工此參數(shù)所得熔覆層較為平整光滑、致密均勻,表面粗糙程度較小,并且沒(méi)有宏觀的氣孔和裂紋產(chǎn)生,從宏觀來(lái)看熔覆層與基體冶金結(jié)合較好。4.1.2熔覆層表面洛硬度hrc將實(shí)驗(yàn)后的熔覆層表面進(jìn)行打磨平整處理,然后利用HR-150DT洛氏硬度測(cè)試機(jī)測(cè)試熔覆層表面洛氏硬度HRC,實(shí)驗(yàn)測(cè)試三個(gè)有效點(diǎn)取平均值,實(shí)驗(yàn)測(cè)得熔覆層表面洛氏硬度HRC平均值為46,轉(zhuǎn)換成顯微硬度HV為450,而基體的顯微硬度HV僅為244,由此可見,熔覆層的表面硬度比基體提高了一倍左右。4.2微觀分析4.2.1熔覆層顯微組織實(shí)驗(yàn)利用蔡司高級(jí)金相顯微鏡對(duì)熔覆試樣橫截面進(jìn)行了金相組織觀察,激光功率800W、掃描速度2mm/s、送粉電壓12V、搭接率28.5%時(shí)的熔覆層和基體的金相組織,如圖2所示。在激光熔覆過(guò)程中,從基體材料內(nèi)部到熔覆層表面形成了從下到上的正溫度梯度變化,這正是獲得定向凝固纖維組織的前提條件。熔覆層最底部組織,如圖2(a)所示。圖中可以清晰的看到此區(qū)域的晶粒均沿垂直于界面逆熱流方向以枝狀晶形態(tài)生長(zhǎng),由于這部分區(qū)域在凝固過(guò)程中的過(guò)冷度較低,冷卻速率相對(duì)熔覆層中上部較慢,所以冷卻凝固后得到的組織主要為柱狀晶,晶粒尺寸相對(duì)較粗大,顯微硬度相應(yīng)略低。熔覆層中上部組織,如圖2(b)所示。其組織主要由晶粒細(xì)小而致密的等軸晶組成,這是由于熔覆過(guò)程中此區(qū)域的過(guò)冷度較大,能量極高的激光束將涂層粉末在極短的時(shí)間內(nèi)熔化后快速冷卻凝固,在這個(gè)過(guò)程中由于各元素之間相互結(jié)合速度非?？?晶粒還未來(lái)得及長(zhǎng)大就已經(jīng)生成,所以得到的晶粒尺寸較均勻細(xì)小、致密,顯微硬度相應(yīng)的較高。界面處組織,如圖2(c)所示。圖中可以看到在熔覆層與基體界面處出現(xiàn)了比較明顯的白亮層,說(shuō)明兩者達(dá)到了比較牢固的冶金結(jié)合,此區(qū)域的組織主要為平面晶,這是由于激光熔覆時(shí)界面處的溫度梯度G與結(jié)晶速率R的比值極大,在此處晶粒以無(wú)晶核的方式通過(guò)晶體外延附生的方式直接形成了平面晶的緣故?；w熱影響區(qū)組織,如圖2(d)所示。圖中上半部分是靠近熔覆層的基體熱影響區(qū)組織,下半部分遠(yuǎn)離熔覆層的基體非熱影響區(qū)組織,兩者對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)基體熱影響區(qū)得到的組織主要為馬氏體和未溶的鐵素體,而基體非熱影響區(qū)的組織仍然是基體原有的組織:細(xì)片狀珠光體和網(wǎng)狀分布的鐵素體,熱影響區(qū)組織晶粒得到顯著細(xì)化,晶粒尺寸明顯變小,得到的馬氏體組織硬度較高,所以其顯微硬度要高于非熱影響區(qū)的顯微硬度。其他工藝參數(shù)下熔覆層顯微組織存在的氣孔和裂紋缺陷,如圖3所示。其熔覆層與基體顯微組織相對(duì)較差,冶金結(jié)合不牢固,均存在著不同程度的氣孔和裂紋,嚴(yán)重影響了對(duì)熔覆層的組織性能要求,而裂紋的產(chǎn)生往往是熔覆過(guò)程中殘余拉應(yīng)力所導(dǎo)致的。4.2.2顯微硬度分布利用HVS-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)得試樣截面的顯微硬度,激光功率800W、掃描速度2mm/s、送粉電壓12V、搭接率28.5%時(shí)的顯微硬度分布曲線,如圖4所示。圖4中橫坐標(biāo)X軸自左到右依次代表熔覆層、過(guò)渡區(qū)、基體的顯微硬度,X=“0”坐標(biāo)處所對(duì)應(yīng)的是熔覆層與基體結(jié)合的界面處,從分布曲線可以看出熔覆層的顯微硬度分布比較均勻并且從熔覆層→結(jié)合界面處→基體呈現(xiàn)出了階梯狀降低的分布,熔覆層的顯微硬度明顯較高,其平均值為458,而45鋼基體的顯微硬度HV平均值僅為244,熔覆層的顯微硬度與45鋼基體相比提高了近一倍,這是由于熔覆層與基體發(fā)生冶金結(jié)合過(guò)程中加熱和冷卻速度極快,使得其冷卻凝固時(shí)過(guò)冷度很大,導(dǎo)致熔池內(nèi)的多種合金元素快速形成化合物,增加了非自發(fā)形核的核心數(shù)量,使得熔覆層組織更加細(xì)密,晶粒尺寸更加細(xì)小,與此同時(shí),熔覆層中彌散著較多的硬質(zhì)相也增加了熔覆層的硬度。在熔覆層與基體界面處,因?yàn)榇藚^(qū)域的冷卻凝固速率與熔覆層中上部相比要小得多所以導(dǎo)致此區(qū)域冷卻后產(chǎn)生的晶粒尺寸相對(duì)較為粗大,除此之外,在高溫作用下合金元素相互之間擴(kuò)散與稀釋,Fe元素在此區(qū)域大量富集也會(huì)導(dǎo)致界面附近的熔覆層顯微硬度較熔覆層中上部有所降低。激光熔覆過(guò)程中在熱影響的作用下,靠近界面處的基體組織晶粒得到一定程度的細(xì)化,再加上產(chǎn)生了較多的硬質(zhì)相點(diǎn),使得靠近界面的基體熱影響區(qū)域的顯微硬度HV平均值298,明顯高于遠(yuǎn)離界面處的基體非熱影響區(qū)的顯微硬度。通過(guò)上述分析結(jié)果可知,利用Fe基合金粉末在45鋼基體表面進(jìn)行激光熔覆來(lái)制備熔覆層可以使基體表面的硬度提升近一倍,提高了45鋼材料表面的性能。5微觀硬度分布(1)利用激光熔覆技術(shù)成功在45鋼表面激光熔覆Fe基合金粉末,使45鋼基體表面的硬度提高了一倍,提升了基體的表面性能。(2)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率800W、掃描速度2mm/s、送粉電壓12V、搭接率28.5%時(shí),熔覆層表面較為光滑平整均勻、粗糙程度較小,無(wú)宏觀氣孔和裂紋產(chǎn)生,熔覆層的表面硬度比基體提高了一倍左右,通過(guò)金相組織觀察發(fā)現(xiàn),熔覆層及界面處無(wú)微觀裂紋,并且基本無(wú)氣孔出現(xiàn),基體與熔覆層之間出現(xiàn)了較為明顯的冶金結(jié)合白亮層,兩者冶金結(jié)合比較牢固,熔覆層晶粒為尺寸比較均勻細(xì)小、致密的等軸晶,組織性能較好,顯微硬度較高。(3)顯微硬度分布曲線表明,熔覆層的顯微硬度分布比較均勻并