激光熔覆fe35合金組織與性能的研究

激光熔覆fe35合金組織與性能的研究

0灰鑄鐵表面激光熔覆的應(yīng)用特點(diǎn)激光填充是一種基于大規(guī)模激光的加熱和金屬粉末的填充材料。它是一種先進(jìn)實(shí)用的修復(fù)和加固技術(shù)，適合在金屬基表面上形成和金屬陶瓷。與傳統(tǒng)的熱處理技術(shù)（如沉積焊、熱噴霧和電鉻）相比，具有焊接厚度大、冷卻速度快、熱影響小、微觀組織小、基質(zhì)變形小、金屬鉻組合等特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)已成功地對(duì)石化、電力、冶金等行業(yè)的貴重零部件進(jìn)行修復(fù)加工,如利用激光熔覆技術(shù)對(duì)軋輥、葉片、模具等零件進(jìn)行表面修復(fù)?？梢岳昧畠r(jià)材料來(lái)提高工件表面的耐磨性等,取得了十分顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。國(guó)內(nèi)外常用的合金粉末可分為鎳基、鈷基和鐵基三大類,另外還有WC型合金粉末,其中鎳基和鈷基合金粉末的自熔性良好,耐腐蝕、耐磨、抗氧化性能優(yōu)良。鐵基粉末最大的優(yōu)點(diǎn)是成本低,但抗氧化性差,熔層內(nèi)氣孔夾渣較多,目前應(yīng)用較少。大型機(jī)械零部件中,灰鑄鐵材料占有很大的比例,由于灰鑄鐵自身性能的限制,傳統(tǒng)的修復(fù)技術(shù)很難對(duì)鑄鐵零件進(jìn)行修復(fù)。激光合金粉末熔覆技術(shù)提供了解決這一難題的新途徑。文中對(duì)灰鑄鐵表面激光熔覆鐵基和鎳基合金粉末后熔覆層的微觀組織特性及性能進(jìn)行分析。Ni具有很好的抗裂紋能力,通過(guò)對(duì)鐵基和鎳基激光熔覆的對(duì)比,促進(jìn)價(jià)格低廉的鐵基粉末能得到廣泛的應(yīng)用。1試驗(yàn)材料和方法1.1熔覆法試驗(yàn)基體材料為HT300板料,300mm×30mm×10mm,上下兩面刨光(Ra為0.6μm),熔覆試驗(yàn)前,試樣用丙酮清洗干凈吹干。熔覆的合金粉末為鐵基和鎳基,化學(xué)成分如表1。1.2試樣制備和金相組織檢測(cè)用DL-HL-TH500型高功率橫流CO激光器和SIMENS數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行熔覆試驗(yàn);采用矩形光斑(1.5×19),送粉速度為25mg/s,用同步送粉法進(jìn)行激光熔覆試驗(yàn),基體材料在熔覆前不進(jìn)行預(yù)熱處理。以激光功率(范圍在3.5～4.5kW之間),掃描速度V(在200～400mm/min),熔覆層數(shù)(為1～3層)3個(gè)參數(shù)作正交試驗(yàn)L9(33)。試驗(yàn)結(jié)束后,用便攜氏硬度計(jì)測(cè)量表面硬度,用XQ-2型金相鑲嵌機(jī)制備試樣。用P-2型金相試驗(yàn)拋光機(jī)進(jìn)行試樣的拋光,經(jīng)3%硝酸酒精腐蝕后,使用金相顯微鏡觀察金相組織。對(duì)顯微組織形態(tài)和成分變化,微觀缺陷等進(jìn)行觀察、分析。在顯微硬度計(jì)上測(cè)量硬度值。2結(jié)果與分析2.1顯微組織及缺陷圖1是HT300熔覆Fe35合金粉末的顯微組織。1(a)是激光熔覆后的,從圖中可以看出熔覆層合金組織由碳化物相和基體針狀馬氏體組成,1(b)為HT300基體與合金的結(jié)合處組織,由細(xì)小晶粒和碳化物組成;因?yàn)榻Y(jié)合處冷卻速度最快,所以晶粒細(xì)小,形成碳化物高。基體與合金結(jié)合緊密,它們之間相互滲透形成冶金結(jié)合。圖2是HT300熔覆鎳基合金粉末的各顯微組織,其中2(a)是鎳基合金的顯微組織,圖中網(wǎng)狀分布的是碳化物相,基體為針狀馬氏體+殘余奧氏體。從圖中看出,鎳基合金層組織比鐵基合金層組織均勻且更加致密。2(b)是HT300與Ni20A合金粉末結(jié)合區(qū)的顯微組織,由細(xì)小晶粒和合金碳化物組成,基體與合金結(jié)合緊密形成冶金結(jié)合。因?yàn)镠T300本身的含碳量較高,在激光熔覆時(shí),與粉末中的合金元素形成合金碳化物,且合金與基體結(jié)合處的冷卻速度快,所以形成晶粒細(xì)小。HT300激光熔覆后的顯微組織觀察,基體與合金結(jié)合區(qū)都有氣孔和裂紋存在,合金層內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氣孔存在,經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)使用發(fā)現(xiàn)特別是第二、第三層鮮有氣孔出現(xiàn)。認(rèn)為是因?yàn)槿鄹菜玫墓β瘦^高,激光掃描速度又較慢,在合金層內(nèi)的氣體有時(shí)間從合金層跑掉,則不在合金凝固后留下氣孔缺陷。由于鎳基合金優(yōu)良的熱加工性能,Ni具有提高熔覆層的抗裂紋能力,Ni基合金熔覆層沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋現(xiàn)象,但在有些地方,因暫時(shí)粉末流動(dòng)性差而導(dǎo)致熔覆層中間不正常高出。隨激光功率的增加,高出的地方部分有氧化現(xiàn)象。整體效果比較好。激光熔覆后表面觀察看到,在HT300上激光熔覆Ni20A合金粉末表面質(zhì)量較好,表面無(wú)明顯缺陷。熔覆Fe35合金粉末表面質(zhì)量較差,熔覆層表面均有裂紋,還帶有大小不一的凹坑。2.2硬試驗(yàn)的結(jié)果與分析(1)影響因素的選取表2、表3是激光熔覆鐵基和鎳基粉末的正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析,其中HT300的基體硬度為27.6HRC。從表2、表3中看出合金層表面硬度較基體硬度高,從表中還可看出,3個(gè)因素對(duì)合金層表面硬度的影響從高到低依次為:掃描速度(V)>激光功率(N)>熔覆層數(shù);熔覆層數(shù)對(duì)合金層表面硬度影響不大,主要影響熔覆層深度。從表2看出,激光功率越高,掃描速度越快,則得到的熔覆層表面硬度越高。綜合考慮熔覆層深度的情況,激光熔覆Fe35合金粉末時(shí),激光功率4.0kW、掃描速度300mm/min、熔覆二層的效果較好。從表3看出,激光熔覆Ni20A合金粉末的優(yōu)化參數(shù)為V3N2三層,即掃描速度400mm/min、激光功率4.0kW、具體熔覆二層還是三層,視需要熔覆的熔覆層深度定。(2)顯微硬度曲線從前期對(duì)鋼和球鐵的熔覆試驗(yàn)中得出的最佳激光功率均為4kW,但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)在3.4～3.5kW較好,因此選功率為3.5kW進(jìn)行分析。圖3是激光功率為P=3.5kW時(shí),在HT300上熔覆Fe35合金粉末熔覆層的顯微硬度曲線。圖4是激光功率為P=3.5kW時(shí),HT300上熔覆Ni20A合金粉末熔覆層的顯微硬度曲線。從圖中看出,熔覆層數(shù)對(duì)熔覆層內(nèi)的硬度分布有一定影響。不管熔覆兩層還是三層它的整體硬度有所下降。這是因?yàn)樵谌鄹驳诙虻谌龑訒r(shí),使得前一層的合金又重熔一次,使得組織重排,硬度下降?；w與合金層結(jié)合區(qū)的硬度最高,因?yàn)榻Y(jié)合區(qū)晶粒細(xì)小,合金碳化物多,再高溫熔化,有淬火的作用,所以此處硬度高。3正交試驗(yàn)結(jié)果及分析(1)從顯微組織分析得出,激光熔覆鎳基合金層的組織較熔覆鐵基合金層組織均勻細(xì)致,兩種粉末熔覆時(shí)均是基體與合金層結(jié)合區(qū)的組織晶粒最細(xì)小,碳化物和合金碳化物含量高。合金層與基體結(jié)合緊密形成冶金結(jié)合。結(jié)合區(qū)有氣孔、裂紋存在,合金層特別是第二、三層鮮有氣孔出現(xiàn)。(2)從顯微硬度分析得出,激光熔覆鐵基和鎳基合金粉末,顯微硬度分布規(guī)律基本一致,且基體與合金層結(jié)合區(qū)的硬度最高。(3)在HT300上激光熔覆鐵基合金粉末,表面均有裂紋;熔覆鎳基合金粉末時(shí),效果較好,合金層表面無(wú)裂紋。(4)正交試驗(yàn)分析得出,對(duì)熔覆層表面硬度影響最大的因素是掃描速度V,其次是激光功率N,熔覆層數(shù)對(duì)表面硬度影響不大。激光熔覆鐵基粉末時(shí),掃描速度300mm/min、激光功率4.0kW、熔覆兩層的熔覆層效果較好。激光熔覆鎳基粉末時(shí),掃描速度400