35CrMo鋼表面激光熔覆Ni/WC－Y2O3合金工藝研究

丁陽(yáng)喜 孫曉龍

（華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌 330013）

激光熔覆是近年來(lái)發(fā)展迅速的一種表面改性技術(shù)，它是通過(guò)在基材表面添加熔覆材料，并利用高能激光束使之與基材表面層一起熔凝的方法，在基材表面制備性能優(yōu)良并與基材形成冶金結(jié)合的熔覆層，從而達(dá)到改善或修復(fù)失效零部件、延長(zhǎng)其使用壽命的目的［1－2］。35CrMo鋼具有較高的強(qiáng)度、沖擊韌性及疲勞強(qiáng)度，良好的淬透性，高溫下具有高的強(qiáng)度與抗蠕變性能，長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)500℃;冷變形時(shí)中等塑性，而焊接性能則較差，常用于制造在大負(fù)荷條件下工作的重要結(jié)構(gòu)件，如發(fā)動(dòng)機(jī)、車輛傳動(dòng)件、汽輪發(fā)電機(jī)的主軸、高速列車的車軸以及其他大斷面零件。這些零件在工作過(guò)程中，其表面承受摩擦、擠壓、沖擊等應(yīng)力，常會(huì)引起表面磨損、點(diǎn)蝕脫落等失效形式。零件失效后若直接報(bào)廢則會(huì)造成使用成本增高，如能在失效部位激光熔覆一層耐磨合金層，并經(jīng)簡(jiǎn)單加工后恢復(fù)其使用精度和性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的再制造，將具有較大的經(jīng)濟(jì)意義［3－5］。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

1．1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

選用35CrMo鋼作為基材，切割大小為40 mm×20 mm×10 mm的試塊，經(jīng)能譜分析其化學(xué)成分（質(zhì)量百分比%）見表1。試塊在激光熔覆前，通過(guò)920℃淬火和640℃回火熱處理，硬度值為45～50 HRC。

表135CrMo鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

熔覆層合金主要采用Ni60自熔性合金粉末，目數(shù)為140～325目，其成分如表2所示。

表2 Ni60自熔性合金粉末成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

采用人工預(yù)置粉末方式，預(yù)置粉末厚度為0.5 mm且均勻，用滴管滴以金屬膠，200℃烘干2 h待用。

實(shí)驗(yàn)采用國(guó)產(chǎn)TJ－HL－T5000型連續(xù)橫流CO2激光加工系統(tǒng)進(jìn)行熔覆;用JSM－6360LA型掃描電子顯微鏡 （SEM）分析熔覆層的組織結(jié)構(gòu)和成分;用HDX－1000數(shù)字顯微硬度計(jì)測(cè)量熔覆層的顯微硬度;用M－2000型磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行耐磨性實(shí)驗(yàn)。

1．2 正交試驗(yàn)確定最優(yōu)工藝參數(shù)

試驗(yàn)選取激光功率P、離焦量L、掃描速度V三個(gè)因素作為研究對(duì)象，采用L9（33）正交表。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果分析

分別比較硬度和耐磨性的極差Rj，可以得出以下結(jié)論:三個(gè)因素對(duì)激光熔覆層平均硬度的影響從大到小依次是掃描速度、激光功率和離焦量;三個(gè)因素對(duì)激光熔覆層相對(duì)耐磨性的影響從大到小依次是離焦量、掃描速度和激光功率。

綜合考慮，2號(hào)方案不僅可以使熔覆層得到很高的硬度，而且能夠得到很好的耐磨性能，因此，選擇2號(hào)方案作為較優(yōu)熔覆工藝。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2．1 激光工藝參數(shù)對(duì)熔覆層顯微硬度的影響

圖1a是掃描速度V和離焦量L保持不變，激光功率P對(duì)熔覆層硬度的影響情況。由圖中可知:當(dāng)掃描速度和離焦量保持不變時(shí)，隨著激光功率的增大，熔覆層的顯微硬度先提高后降低，且影響很大。這是因?yàn)榧す夤β试黾訒r(shí)，涂層材料在單位時(shí)間內(nèi)得到的能量增大，激光功率密度也相應(yīng)增大，硬質(zhì)碳化物得到充分熔解，更多的金屬碳化物及硼化物在熔覆層中形成，顯微硬度也隨之提高。當(dāng)熔覆層的表面硬度達(dá)到峰值883.5HV0．1時(shí)，繼續(xù)增大激光功率，熔覆層硬度值又逐步下降，主要原因?yàn)椋鄹矊永餄B透了大量的鐵元素，使熔覆層的稀釋作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致顯微硬度降低。

圖1b是激光功率P和離焦量L不變的情況下，掃描速度V對(duì)熔覆層硬度的影響。從圖中能夠看出:隨著掃描速度的提高熔覆層的顯微硬度也提高，在到達(dá)峰值后隨著掃描速度的繼續(xù)提高熔覆層的顯微硬度又降低。其原因是:當(dāng)掃描速度較低時(shí)，激光輸入的能量較高，造成熔覆層的顯微組織粗大，導(dǎo)致硬度偏低;而當(dāng)掃描速度過(guò)高時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)熔覆層實(shí)際接收的激光能量較小，不能形成細(xì)小致密的枝晶組織，同樣會(huì)造成硬度的下降。

圖1c是激光功率P和掃描速度V保持不變，離焦量L對(duì)熔覆層硬度的影響。由圖可知，離焦量的變化對(duì)于熔覆層的顯微硬度影響不大，隨離焦量的增大，熔覆層硬度略有降低。增大離焦量，光斑直徑變大，激光功率密度減小。不同離焦量時(shí)熔覆層顯微硬度變化很小是因?yàn)?離焦量雖然發(fā)生變化，但光斑直徑?jīng)]什么變化，功率密度的改變就很小，因此對(duì)顯微硬度的影響就較小。

2．2 激光工藝參數(shù)對(duì)熔覆層耐磨性的影響

圖2a、b、c分別為激光功率、掃描速度和離焦量對(duì)熔覆層的耐磨性的影響情況。由圖2a可看出在V=4mm/s，L=20mm時(shí)，熔覆層的相對(duì)耐磨性隨P的增加先提高后降低。這是由于P過(guò)小或者過(guò)大都會(huì)導(dǎo)致晶粒變得粗大而又不規(guī)則，從而降低熔覆層的耐磨性。

由圖2b可看出，在P=1kW，L=20mm時(shí)，熔覆層的相對(duì)耐磨性隨V的增加先提高后降低。這是由于V過(guò)小時(shí)熔覆層會(huì)過(guò)燒，V過(guò)大，熔覆層的受輻照時(shí)間短，使結(jié)晶時(shí)間變長(zhǎng)不易形成細(xì)小晶粒，兩種情況均會(huì)使熔覆層耐磨性降低。

由圖2c可看出，在V=4mm/s，P=1kW時(shí)，熔覆層的相對(duì)耐磨性隨L的增加先降低后趨于穩(wěn)定。這是由于L增大使光斑直徑變大，激光功率密度下降，不能形成細(xì)小的胞晶組織，從而降低熔覆層的耐磨性。

3 WC對(duì)35CrMo鋼激光熔覆Ni60合金組織性能的影響

在實(shí)際零部件的使用中，對(duì)熔覆層的硬度和耐磨性提出了更高的要求，為進(jìn)一步提高鎳基合金熔覆層的性能，可在鎳基合金中加入高硬度、高熔點(diǎn)、高耐磨性的WC粉末，形成復(fù)合粉末熔覆層。

3．1 組織分析

采用激光熔覆合金粉末成分為Ni60+15%WC、Ni60+30%WC時(shí)，使用優(yōu)化的激光熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行激光熔覆后，熔覆層硬度值相差很小，添加WC合金到Ni60后，由于熔覆層的組織結(jié)構(gòu)沒發(fā)生太大變化，所以熔覆層硬度也沒有什么大的變化。在激光熔覆工藝參數(shù)相同的情況下，熔覆層的顯微結(jié)構(gòu)總體保持不變。從圖3、4中能夠看出，加入WC粉末合金后，熔覆層的顯微結(jié)構(gòu)沒有因此發(fā)生改變，胞狀晶結(jié)構(gòu)仍是其主要形式，只是顯微組織中增加了很多白色塊狀物。用能量分散式分析裝置（EDS）分析，可知白色塊狀物就是未熔的WC硬質(zhì)相。

3．2 硬度及耐磨性分析

圖5是沿著深度方向熔覆層顯微硬度變化的情況，硬度最高值出現(xiàn)在次表層。由圖5、圖6可知，加入WC后，熔覆層硬度變化不大，但耐磨性卻提高了很多，與不加WC的熔覆層相比，加入30%WC的熔覆層相對(duì)耐磨性提高近40%。其原因?yàn)?當(dāng)激光功率密度較低時(shí)，而存在未熔化的WC顆粒硬質(zhì)相，也沒有與周邊組織結(jié)合生成W2C，因此熔覆層的耐磨性優(yōu)異。這對(duì)于耐磨性要求很高的35CrMo鋼零件來(lái)說(shuō)，有著重要的意義。因此，在激光熔覆過(guò)程中，只要功率參數(shù)合適，就能夠通過(guò)保留WC硬質(zhì)相來(lái)提高熔覆層的耐磨性。

4 Y2O3對(duì)35CrMo鋼激光熔覆 Ni60/30%WC合金組織性能的影響

4．1 硬度分析

圖7為添加了不同含量Y2O3的熔覆層橫截面上沿深度方向顯微硬度分布圖。可見，加入Y2O3使熔覆層的顯微硬度大大提高，從760 HV0．1左右提高到1 000 HV0．1左右。其原因主要為:

（1）金屬材料的抗變形能力對(duì)熔覆層硬度有很大的影響。金屬材料受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生形變?cè)谖⒂^上表現(xiàn)為受力點(diǎn)的塑性應(yīng)變由一個(gè)晶粒通過(guò)晶界傳遞給另一個(gè)晶粒，如果晶界的阻力越大，則金屬材料的抗變形能力越強(qiáng)，其硬度也越高。而熔覆過(guò)程中稀土元素正是由于它的擴(kuò)散作用優(yōu)先在熔覆層晶界處偏聚，減少了雜質(zhì)元素的偏聚，起到凈化晶界，最終強(qiáng)化晶界的作用，達(dá)到提高其顯微硬度的效果。

（2）稀土元素的滲入對(duì)碳化物的形態(tài)、大小、分布、數(shù)量和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響，因而影響了熔覆層的性能。

（3）加入稀土對(duì)熔覆層起到細(xì)晶強(qiáng)化和合金化強(qiáng)化，稀土的滲入細(xì)化了組織，晶粒越細(xì)，晶界面積越大，塑性形變?cè)嚼щy，因此硬度有所提高。

添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1．0wt．%Y2O3的熔覆層平均硬度和添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0wt.%Y2O3的平均硬度相差不大。這說(shuō)明:稀土增加了異質(zhì)形核的核心，使晶粒細(xì)化，起到變質(zhì)劑的作用;在熔覆時(shí)，大量WC會(huì)被燒損;加入Y2O3后，由于粉末整體吸熱性能得到改變，使大量WC和W2C硬質(zhì)相得到保留，并彌散分布在熔覆層中，同時(shí)，由于稀土凈化了顯微組織，使熔覆層中雜質(zhì)的含量降低，因而其硬度值得到了顯著的提高。

4．2 耐磨性分析

圖8分別是未添加 Y2O3和添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0wt.%Y2O3、2.0wt.%Y2O3的激光熔覆層的磨損失重情況。與沒有添加Y2O3的Ni60熔覆層相比，添加Y2O3后的耐磨性顯著提高。這是由于加入稀土元素后，稀土優(yōu)先偏聚在晶界，使晶界得到強(qiáng)化，晶界附近位錯(cuò)的移動(dòng)性較強(qiáng)，晶粒之間的滑移傳遞較容易，這有利于促進(jìn)摩擦過(guò)程中表面微裂紋頂部的應(yīng)力松弛，增大裂紋擴(kuò)展的阻力，從而減輕磨損。同時(shí)晶粒的細(xì)化均勻，WC硬質(zhì)相的更多保留也會(huì)改變?nèi)鄹矊拥哪Σ僚c磨損性能，細(xì)化的共晶組織使得合金韌性得到提高，韌性高導(dǎo)致基體對(duì)硬質(zhì)點(diǎn)的附著力增強(qiáng)，同時(shí)由于提高了熔覆層韌性，局部裂紋出現(xiàn)的幾率減小，在磨損作用下，磨損表面不斷地產(chǎn)生塑性變形，延緩了破碎過(guò)程，抗磨性能隨之提高。此外，由圖8可知，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0wt.%Y2O3與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0wt.%Y2O3相比，其耐磨性更好。從顯微組織圖中可以看到，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0wt.%Y2O3熔覆層中，顯微組織中等軸晶大量出現(xiàn)，且顯微組織細(xì)小均勻。因此，為了得到耐磨性更好的熔覆層，應(yīng)該加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0wt.%Y2O3。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）35CrMo鋼激光熔覆Ni基復(fù)合粉末時(shí)，對(duì)熔覆層硬度影響最大的是掃描速度，其次是激光功率，而離焦量的影響最小。對(duì)耐磨性影響最大的是離焦量，其次是掃描速度，最后是激光功率。

（2）為獲得硬度和耐磨性優(yōu)良的熔覆層，可以選擇激光功率P=0.8 kW，離焦量L=20 mm，掃描速度V=3 mm/s作為激光熔覆的工藝參數(shù)，其熔覆層硬度為 917.5 HV0．1，相對(duì)耐磨性為 2.76。

（3）使用 Ni60+30wt．%WC+1．0wt．%Y2O3復(fù)合粉末，能夠得到硬度和耐磨性能優(yōu)異的熔覆層。

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