摘要：研究了利用橫流C02激光器在38CrMoAl表面激光熔覆NiCrBSi + WC(25%wt)復(fù)合合金層的組織、硬度與耐磨性。用掃描電鏡觀察組織形貌，用X 射線儀進(jìn)行物相分析，用摩擦磨損試驗機(jī)進(jìn)行耐磨性實(shí)驗，結(jié)果表明:合金層與基體成良好的無裂紋氣孔的冶金結(jié)合。表團(tuán)耐磨性與工藝參數(shù)具有-定的對應(yīng)關(guān)系，且2.2kW 時的耐磨性最高，為氟化工藝的7.8 倍。 關(guān)鍵詞：激光熔覆;物相分析;耐磨性;冶金結(jié)合 引言 本文主要針對塑料擠出機(jī)螺桿棱峰的修復(fù)而研究。通過組織觀察、物相鑒定、性能測試，對比不同工藝的性能，優(yōu)化出激光熔覆最佳工藝，并將該工藝應(yīng)用于成品加工，提高螺桿棱峰強(qiáng)度、耐磨性，提高其使用壽命。 1 實(shí)驗材料 根據(jù)擠出機(jī)螺桿的工況要求，實(shí)驗選用原材質(zhì)38CrMoAl 調(diào)質(zhì)態(tài)做為基體材料，加工成50mm x30mmx20mm 的長方體試樣，作激光熔覆實(shí)驗用。 激光熔覆粉末選用NiCrBSi + WC(25%wt) 自熔含金粉末，粉末粒度為一140- +320 目，其成份見表1.2 實(shí)驗方法 2.1 撒光熔雹工藝 全部試樣的激光熔覆加工是在上海雷歐激光設(shè)備廠生產(chǎn)的HJ-4 型橫流CO2激光器(兩臺串聯(lián))上進(jìn)行的，輸出總功率為5kW。利用天津紡織工學(xué)院生產(chǎn)的JKJ-6 型激光寬帶掃描器將光斑展寬成矩形光斑。送粉方式采用與寬帶掃描器相配套的JKF-6 型激光寬帶涂敷自動送粉器自動送粉，采用與熔覆矩形光斑相近的扁形粉嘴。工作臺為二維數(shù)控工作臺。 全部實(shí)驗光斑尺寸為1. 5mm x 15mm ，熔覆實(shí)驗前試樣預(yù)熱到400'C ，熔覆實(shí)驗后4oo'C保溫緩冷，以防止出現(xiàn)裂紋。為提高表面平整度、消除微觀缺陷，熔覆后用2kW 功率重熔表面。 2.2 組織分析、物相鑒定和性能測試 將激光溶覆試樣用線切割從中部橫向切開，用JSM-5600LV型掃描電鏡觀察結(jié)合面與熔覆層組織形貌。用XRD-600型X射線衍射儀進(jìn)行物相分析。 用DMH-2LS 型顯微硬度計測量橫截面顯微硬度，并測量出熔覆層深。在激光熔覆試樣上沿縱向切下25mmx lOmm X lOmm 的方形試樣，其中一側(cè)面(25mm X lOmm) 為熔覆合金層。在M-00型摩擦磨損試驗機(jī)上進(jìn)行耐磨性實(shí)驗。為便于比較，將原始調(diào)質(zhì)態(tài)基體、原始基體調(diào)質(zhì)+氮化試樣也做成同樣尺寸的試樣在相同的磨損條件下進(jìn)行耐磨性實(shí)驗。 3 實(shí)驗結(jié)果與組織分析 3.1 物相鑒定與組織分析 圖1 為典型工藝下(P= 1. 9kW) 熔覆層表層的X 射線衍射譜。熔覆層中Cr1.8 W3.2B3、Cr23C6、Ni3B、AIFe2B2、WC1-x 等硬化相對提高熔覆層的硬度，提高其耐磨性起著積極的作用。當(dāng)激光束能量被粉末和基材表面吸收后，粉未被熔化，同時基體表層也將達(dá)微熔狀態(tài)，從而在基體表面形成熔池。在表面張力、等離子流力、重力以及各元素間的擴(kuò)散等綜合因素的作用下，熔池中各種元素在短時間內(nèi)達(dá)到均勻混合(1)。粉末中的Cr、SiB、C等和來自基體的微量Fe 、AI 等元素在熔池中相互結(jié)合，從而形成如圖1 所示的各種物相。激光熔覆層組織如圖2所示。從圖中可以看出:這種高溫快速熔化凝固的合金組織為細(xì)密狀組織，表層內(nèi)的WC 顆舵在高能激光束作用下幾乎全部熔解。WC 顆粒的全部熔解不僅增加了固溶度，而且使Ni-Cr-B-Si-W-C 多元合金系共晶點(diǎn)左移，共晶化合物增多。 閣2 熔覆層組織由圖2 可以看出熔覆層可分為四部分，分別為表層枝晶區(qū)(A 區(qū))、中部細(xì)晶區(qū)(8 區(qū))、熔覆結(jié)合枝晶區(qū)(C 區(qū))及基體(D 區(qū))。由于溫度梯度較大， A區(qū)和C 區(qū)將首先結(jié)晶并向相鄰區(qū)擴(kuò)展，由于其冷卻較快，枝晶生長速度也較快，而熔覆層中部(B 區(qū))的冷卻速度較慢，顯微組織由枝晶狀逐漸變成了胞狀。 由圖2 可見，基體表面、熔合帶、熔覆層三者之間的晶界是連續(xù)的，這一結(jié)果說明熔覆層合金的結(jié)晶過程是從未熔化的母材晶粒表面和熔覆層表面開始的，隨著晶體外延長大，從而導(dǎo)致聯(lián)生結(jié)晶。這種合金層及結(jié)合層具有較好的強(qiáng)韌性及較好的組織穩(wěn)定性(2) 。 3.2 熔覆功率的影響 (1)對熔覆層的影響 如圖3 所示，隨著熔覆功率的增加，熔覆層厚度略有增加。說明在光斑尺寸、掃描速度、送粉率不變的前提下，功率的增加對熔覆層的增加貢獻(xiàn)不大。稍許變化是由于功率的增加，增大了對基體的熔化(增大稀釋率)。據(jù)此可以推斷，當(dāng)滿足熔覆條件下，提高熔覆功率只能增加基體熔化，而不能明顯提高熔覆層的厚度。 圖3 功率對熔覆層厚度的影響(2) 對硬度的影響 在此引人硬化層概念，定義為從熔覆層表面到硬度達(dá)到基體硬度點(diǎn)之間的距離。硬度分布曲線如圖4 所示。在表面極薄一層(A 區(qū))(對應(yīng)圖2 中的A 區(qū)) ，由于受高能激光直接照射，吸收能量最多，導(dǎo)致部分元素?zé)龘p和表面揮發(fā)，因而硬度略有降低;而在熔覆層中下部(固4B 區(qū))(對應(yīng)圖2中的B，C區(qū))， WC 熔解較充分， Cr 、Fe 、W 等元素的固熔強(qiáng)化，使基體的固溶度最高。W、B 等元素的彌散強(qiáng)化以及微細(xì)晶粒的細(xì)晶強(qiáng)化，使該層硬度最高;圖4 中的C 區(qū)(對應(yīng)圖2 中的D 區(qū)) ，是由于基體的相變硬化而造成的硬度提高。 圖4 橫截面硬度分布表2 給出了功率對最高硬度HK、高硬度點(diǎn)距表面距離S 、硬化層S1的影響。在P= 1.9kW 時，出現(xiàn)硬度極大值。且在此功率下，高硬度點(diǎn)距表面距離最大，為O.6mm。且此時的硬化層S1可厚達(dá)7.5mm，這對提高服役工件的機(jī)械性能有一定實(shí)際意義。(3)對耐磨性的影響 如圖5 所示，功率為2.2kW 時相對耐磨性達(dá)到最大值(以原始試樣的相對耐磨性為1) ，為原始試樣的7.8 倍，為氮化試樣的2.9 倍。在P<2.2kW時，隨功率增大相對耐磨性增大;而在P>2.2kW時隨表面元素的燒損和揮發(fā)耐磨性又有所降低。由圖1 及圖2 可知，Cr1.8W3.2B3、Cr23C6、Ni3B等強(qiáng)化硬質(zhì)相均勻分布在過飽和的γ-Ni 基體上，使試樣耐磨性有較大幅度的提高。 比較表2 與圖5 可知， P = 1. 9kW 時硬度雖然最高，但在圖5 中試樣并未顯現(xiàn)出最高的相對耐磨性，這是由于高硬度是熔覆層的固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化所致，而高耐磨性是在高強(qiáng)韌基體上均勻分布著耐磨硬質(zhì)顆粒，且二者結(jié)合牢固的緣故。 4 結(jié)論 (1)在38CrMoAl表面激光熔覆NiCrBSi+WC(25%wt) 合金層，硬化區(qū)可分為表面枝晶區(qū)、中部細(xì)晶區(qū)、熔覆結(jié)合枝晶區(qū)及基體四部分。熔覆層中物相Cr1.8W3.2B3、Cr23C6、Ni3B等硬化相對提高硬度、耐磨性起著積極的作用。過飽和的γ-Ni 基體的固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化、WC1-x的彌散強(qiáng)化，使硬質(zhì)相具有強(qiáng)韌的襯底，大大提高其耐磨性。 (2) 合金層與基體成冶金結(jié)合，具有較好的強(qiáng)韌性及組織穩(wěn)定性。提高熔覆功率對熔覆層厚度的提高貢獻(xiàn)不大，只能增加對基體的熔化(提高基體的稀釋率)。 (3) 硬度在次表層達(dá)到最大值。在p= 1. 9kW時硬度最高，為1116 .4HK ，高硬度點(diǎn)距表面距離最大，為0.6mrn，硬化層最深，為7.5mm。 參考文獻(xiàn): (1) 張思玉等. 60號鋼表團(tuán)碳鴿合金激光熔覆的特性分析(J) .中國激光， 1991，18(6):467 - 469. (2) 劉永鎮(zhèn). 激光表面熔覆層的耐磨性和耐蝕性實(shí)例.第四屆全國激光加工學(xué)術(shù)會議論文集(C). 北京:冶金工業(yè)出版社，1997.53-57