激光功率參數(shù)對熔覆合金層力學(xué)性能影響的研究

摘 要：在不同激光功率下對Q235B鋼表面進(jìn)行了激光熔覆，觀察分析了不同功率下熔覆層的宏觀表面形貌，測試了熔覆層的硬度，并進(jìn)行了拉伸和沖擊性能試驗(yàn)，所選用的合金粉末為Ni60+15%WC。研究結(jié)果表明，不同激光功率對熔覆層的表面質(zhì)量有很大影響，隨著激光功率的提高，熔覆層表面開裂的幾率會增大；熔覆后的試件表面硬度和力學(xué)性能較基材都得到了提高，且激光功率P=3.0kW時提高程度最大，即硬度提高了227%，抗拉強(qiáng)度提高了14%～39%，沖擊韌度提高了近50%。

關(guān)鍵詞：Q235B；激光熔覆；合金粉末；硬度；力學(xué)性能

引言

金屬表面激光熔覆強(qiáng)化技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新型表面處理工藝，可有效地改善金屬表面性能[1-3]。激光熔覆可以在廉價的基材表面得到具有耐磨、耐熱和耐腐蝕等優(yōu)良性能的熔覆層，在許多領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用[4-5]。目前激光熔覆材料主要有Fe基、Co基、Ni基粉末和金屬陶瓷粉末等，其中Ni基自熔合金具有良好的韌塑性、耐磨性、抗沖擊性、潤濕性和抗氧化性等[6-7]。

影響激光熔覆層質(zhì)量的因素很多，但多數(shù)研究主要集中在以下幾個主要因素：激光功率、掃描速度、搭接率等。文章采用激光熔覆技術(shù)在Q235B鋼表面制備Ni60+15%WC合金熔覆層，對比研究了不同激光功率下熔覆層的表面宏觀形貌、硬度及熔覆后試件的抗拉性能和抗沖擊性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)基材選用Q235B鋼，其抗拉強(qiáng)度為375～460MPa，屈服強(qiáng)度為235MPa，洛氏硬度為18.2HRC，化學(xué)成分見表1。將金屬基材加工成200mm×300mm×5mm的鋼板試樣，用金相砂紙打磨表面，再用無水乙醇清洗待用。試驗(yàn)選用自熔合金Ni60與WC混合的合金粉末作為熔覆層材料。Ni60為粘結(jié)相，粒度為140～320目，Ni60合金粉末的化學(xué)成分如表2所示。WC為硬質(zhì)相，粒度為200～300目。將Ni60+15%WC粉末用混粉器混合均勻，加熱200℃烘干2h待用。

1.2 激光熔覆試驗(yàn)

利用DL-HL-T5000B型橫流CO2激光器對Q235B鋼板試樣進(jìn)行熔覆試驗(yàn)，激光功率分別為2.5kW，3.0kW，3.5kW，3.8kW，掃描速度800mm/min，光斑直徑5mm，搭接率為50%。激光器工作氣體為CO2、N2和Ar，氣體比例CO2：N2：Ar=1：8：7，氣體純度99.99%。

1.3 力學(xué)性能測試

待熔覆好的試板充分冷卻后，將不同功率下的試板用線切割機(jī)分別切出10mm×10mm×6.5mm的試件，用HR-150DT型電動洛氏硬度計(jì)測量熔覆層的硬度；切出60mm×10mm×6.5mm的拉伸試件，用型號為WDW-100的微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)對不同激光功率的試件做拉伸試驗(yàn)；切出55mm×10mm×6.5mm、V型開口的沖擊試件，用JBS-300型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)對不同激光功率的試件做沖擊試驗(yàn)。試件切割完畢后，將其用無水乙醇在超聲波清洗機(jī)中洗凈。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熔覆層表面宏觀形貌

待熔覆好的試板充分冷卻后，觀察不同功率下熔覆層表面形貌，如圖1所示。

當(dāng)激光功率為2.5kW時，未充分熔化的覆層材料冷卻時在表面張力的作用下凝結(jié)成不連續(xù)的熔滴，這是由于功率太小而使功率密度太低，出現(xiàn)熔不透或者不能使合金粉末完全熔化的現(xiàn)象，造成表面不連續(xù)，熔覆效果差；當(dāng)功率為3.0kW時熔覆效果比較理想，熔覆層表面平整光滑，連續(xù)性比較好；功率為3.5kW時，表面有少量裂紋；當(dāng)功率繼續(xù)升高到3.8kW時，功率過高，表面有較多裂紋，這是由于激光功率增大，合金熔化量增加，氣孔產(chǎn)生的幾率增加，涂層深度也隨之增大，周圍金屬液體不斷從氣孔流入使氣孔減小或消除，而當(dāng)涂層深度達(dá)到極限深度后，隨功率增大，等離子體也正比增大，基材表面溫度迅速升高，熔覆層變形開裂程度加劇。

2.2 熔覆層硬度

從圖2可知，隨著激光功率的增加，洛氏硬度出現(xiàn)先增后減的趨勢，當(dāng)激光功率P=3.0kW時平均硬度值最大，為59.5HRC。熔覆層的平均硬度在57～59.5HRC之間變化，是基體平均硬度的3.1～3.3倍，相對于基體，熔覆層的硬度得到了顯著提高，最大提高了227%。這是由于激光功率增加，作用于熔覆層材料的激光功率密度增大，單位時間內(nèi)激光束提供給覆層材料的能量加大，熔覆層內(nèi)的硬質(zhì)相充分溶解以形成更多的金屬碳化物、硼化物，使得熔覆層的顯微硬度增大。但當(dāng)激光功率超過一定程度后，熔覆層的稀釋率加大，覆層中含有基體硬度低的元素的分量增大，且晶粒變粗大，WC硬質(zhì)相燒損率加大，使得熔覆層的硬度開始降低。

2.3 拉伸試驗(yàn)

當(dāng)P=2.5kW時，熔覆層的宏觀形貌較差，沒有形成連續(xù)的激光熔覆層組織而不再進(jìn)行分析。由拉伸試驗(yàn)得到各試件的試驗(yàn)力-位移曲線如圖3所示，各試件抗拉強(qiáng)度如表3所示。

由表3可知，熔覆后的試件較基材Q235B鋼的抗拉性能有明顯的提高。熔覆后的試件的抗拉強(qiáng)度最大為522.17MPa，是基材的1.14～1.39倍，抗拉強(qiáng)度提高了14%～39%；并且功率過高和過低均會不同程度的降低熔覆層的抗拉強(qiáng)度，這是由于功率較低時，合金粉末熔化不夠充分，而功率過大則會使熔覆粉末出現(xiàn)燒損。

2.4 沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)機(jī)最大沖擊能量為150J，擺錘預(yù)揚(yáng)角為150°，擺軸中心至打擊中心的距離750 mm。由表4可以看出，熔覆后的試件的沖擊韌度相對于熔覆前有明顯的提高，是基材沖擊韌度的1.2～1.5倍，尤其當(dāng)功率為3.0kW時，提高了近50%。

3 結(jié)束語

選擇合適的激光熔覆功率，可以獲得表面質(zhì)量較好、力學(xué)性能較強(qiáng)的熔覆層表面。當(dāng)熔覆Ni60+15%WC復(fù)合粉末時，功率為3.0kW，激光熔覆層的表面質(zhì)量最好，顯微硬度是基材的3.3倍，熔覆后試件的抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性分別是基材的1.14～1.39倍和1.5倍。

參考文獻(xiàn)

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