高聚物對不銹鋼復合粉末激光熔覆層性能的影響*

張凈宜,邱長軍,賀沅瑋,齊林森,朱茂葵

(南華大學機械工程學院,湖南衡陽 421001)

高聚物對不銹鋼復合粉末激光熔覆層性能的影響*

張凈宜,邱長軍*,賀沅瑋,齊林森,朱茂葵

(南華大學機械工程學院,湖南衡陽 421001)

采用高聚物包覆工藝制備了不銹鋼復合粉末,側向同步送粉激光快速成型技術制備熔覆層,使用顯微硬度計、體視顯微鏡及拉伸疲勞試驗機等分析和測試儀器對激光快速成型件表面質量、截面形貌及其力學性能進行表征。結果表明,采用高聚物包覆合金粉末工藝制備的激光熔覆層,在激光熔覆過程中,表面包覆的高聚物氣化生成還原性保護氣氛,隔絕大氣氧化環境,有效抑制熔池氧化,熔覆層表面沒有熔渣,截面沒有氣孔夾渣等缺陷,并且硬度值和拉伸強度值較高,綜合力學性能好。

高聚物包覆工藝;激光快速成型;還原性保護氣氛

0 引 言

激光熔覆技術是近年來新興的表面改性方法之一,它是通過在基體材料表面添加熔覆材料,利用高能密度的激光束快速加熱,使熔覆材料與基體材料表層發生熔化,并通過基體的激冷作用實現快速凝固,從而形成與基材冶金結合,并且稀釋率極低的表面熔覆層[1-3]。具有較高的綜合力學性能,并且激光束的能量密度高,加熱速度快,對基材的熱影響很小,引起工件的變形小;激光快速成型涂層與基材之間結合牢固,且熔覆層的顯微組織細小[4]。該技術制造出的零件致密度很高,綜合力學性能明顯優于同樣的常規鑄造加工的零部件,更能滿足不同服役環境對材料的性能要求[5-8]。在熔覆過程中,影響激光熔覆層成形質量與性能的因素很復雜,其中,激光熔覆所用的材料是一個主要因素,直接決定熔覆層的服役性能[9]。本試驗主要探究粉末制備工藝對不銹鋼熔覆層性能的影響。

1 試驗材料及方法

本次試驗分別制備了兩組粉末,其中未添加高聚物的粉末,使用純不銹鋼粉末(真空熔煉氣霧化制得,粒度為-150/325目),其成分如表1所示,將其直接放在干燥箱中保存即可。而添加高聚物的混合粉末,則是以純不銹鋼粉末作為主體粉末,高聚物作為包覆層,其具體配制工藝為,將高聚物充分溶解在溶劑中,按一定比例配制高聚物溶液,加熱攪拌均勻后,將高聚物溶液添加到Fe基合金粉末中,充分混合攪拌后,放在65°的干燥箱內干燥10 h,使得混合粉末中的水分徹底蒸發,再利用振篩機將結塊的粉末粉碎,過80目的篩后,再在保溫箱中保溫待用。

表1 不銹鋼粉末化學成分(質量分數,%)

試驗基體材料為Q235普通碳素結構鋼,基材的尺寸為120 mm(長)×50 mm(寬)×15 mm(厚),其表面先用500號的砂紙打磨,然后用無水乙醇清洗,最后使用YS5060A噴砂機進行噴砂處理,將處理完后的基材放在干燥箱中保存。試驗選用5 kW橫流CO2激光器,采用側向送粉,氬氣保護,激光快速成形工藝參數為:激光平均功率為2.1～2.5 kW,橢圓光斑尺寸3.0 mm×4.0 mm,掃描速度7 mm/s,送粉速度為7.0 g/min,激光道與道之間的搭接系數為0.5,掃描層數為5層,熔覆層最終成形尺寸為90 mm×35 mm× 3 mm。使用TH320全洛氏硬度計測量熔覆層表面洛氏顯微硬度,實驗在室溫下進行,實驗力為150 kg,保壓時間為6 s,每種試樣取10個點進行測試。利用線切割將試樣切成若干非標件,用無水乙醇清洗,噴砂機進行噴砂后,在PWS-E100型液壓式疲勞試驗機上進行拉伸性能測試。

2 試驗結果及分析

2.1 熔覆層表面質量

圖1為激光快速成型不銹鋼試件宏觀形貌圖。其中,圖1(a)為未添加高聚物的激光快速成型件,從圖中可以看出,熔覆層表面沒有光澤,完全被黑色的熔渣覆蓋,說明激光熔覆的過程中,熔池氧化嚴重,表層有較厚的氧化皮產生。圖1(b)為添加高聚物的激光快速成型件的宏觀形貌圖,從圖中可以看出,熔覆層表面平整光亮,均勻連續,搭接處緊密,沒有熔渣,表面質量好。試驗結果表明,在激光熔覆的過程中,添加高聚物可使熔池周圍形成還原性保護氣氛,當還原保護氣氛充滿熔池表面時,可將空氣中的氧化環境隔離,并且還原保護氣氛可進一步消耗粉末中的氧,從而減少氧化層的形成,提高熔覆層的成型質量。

圖1 激光快速成型不銹鋼試件宏觀形貌圖

2.2 熔覆層截面形貌

采用磨床對圖1中的2塊激光快速成型件表面進行打磨,表面磨平后,再利用線切割機將打磨好的熔覆層切割成尺寸為10 mm×10 mm×2 mm的樣塊,然后用金相砂紙對其表面進行打磨,并在金相拋光機上拋光。拋光后,用無水乙醇對樣塊進行清洗,并用吹風機將樣塊吹干,最后在體視顯微鏡下觀察其放大50倍的截面微觀形貌。如圖2所示。

圖2 激光快速成型不銹鋼試件截面形貌圖

為了定量計算出圖中缺陷占整個熔覆層的面積比例,定義:熔覆層的總面積用S1表示,缺陷所占面積的總和用S2表示,缺陷率用K表示。則缺陷率的計算公式為:

其中,用熔覆層或缺陷所占的小網格的個數來代替其面積,如圖2所示。當熔覆層或缺陷占滿整個小網格時,則計為一個網格;當熔覆層或缺陷邊沿部分不滿網格時,用四舍五入方式進行計數。

圖2(a)為未添加高聚物的激光快速成型件截面微觀形貌圖,熔覆層內部布滿氣孔夾渣等缺陷,其缺陷率K1高達11%,而缺陷的產生在一定程度上導致熔覆層結構疏松,從而降低其強度,甚至引發熔覆層脫落,同時缺陷也是引起應力集中的重要因素,成為導致熔覆層開裂現象之誘因。圖2(b)顯示添加高聚物的激光快速成型件組織均勻致密,截面未發現任何缺陷。試驗結果表明,粉末表層高聚物高溫環境下氣化形成還原性保護氣體,阻止了空氣中的氧進入熔池,也消耗了熔池中的氧,從而有效避免了氣孔的形成。

2.3 熔覆層硬度測試

分別對未添加高聚物的試樣和添加高聚物的試樣進行硬度研究,硬度測試曲線如圖3所示,未添加高聚物的試樣a最大洛氏硬度值為58 HRC,最小洛氏硬度值為37.4 HRC,平均洛氏硬度值為51.6 HRC,硬度值的波動較大。添加高聚物的試樣b最大洛氏硬度值為63 HRC,最小洛氏硬度值為54.3 HRC,平均洛氏硬度值為58.6 HRC,硬度值的波動較小。

試驗結果表明,而未添加高聚物的熔覆層,由于氣孔和夾渣的存在,造成測試結果波動大,對測試部分結果有較大影響,整體性能不穩定。而添加高聚物的熔覆層平均硬度值高于未添加高聚物熔覆層,而且硬度值波動小,能夠滿足高硬度粉末的使用要求。這是因為添加高聚物的熔覆層內部缺陷少,沒有氣孔和夾渣,組織均勻,進行硬度值測試時,每一點的值相對穩定,浮動較小,性能更加穩定。

圖3 激光快速成型不銹鋼試件洛氏硬度值

2.4 熔覆層強度測試

采用線切割機將添加高聚物熔覆層和未添加高聚物熔覆層分別切割成若干非標準的拉伸試樣,具體尺寸如圖4所示,利用自制的拉伸夾具,在PWSE100型液壓式疲勞試驗機上,對試件拉伸性能進行測試,測量出各組試樣的拉伸強度值。

圖4 拉伸試樣示意圖(mm)

表2 激光快速成型不銹鋼試件的拉伸強度 /MPa

從表2可以看出:不添加高聚物的情況下,激光快速成型件的平均抗拉強度為1 394 MPa,當添加高聚物后,激光快速成型件的平均抗拉強度為1 500 MPa,提高了106 MPa,說明添加高聚物可以明顯提升成型件的拉伸強度。

試驗結果表明,在不銹鋼粉末中添加定量的高聚物,能在一定程度上提高激光快速成形試件的硬度和抗拉強度,這是因為粉末中的高聚物抑制了熔覆過程中成形件中夾雜氧化物的形成,另一方面,高聚物在高溫下燃燒,使粉末內的氧氣被消耗,避免成形件中形成氣孔,并且形成一層保護氣體,隔絕空氣,阻止外界氣體的進入,從而改善了成形件的顯微組織結構,提高了成形件的綜合力學性能。

3 結 論

(1)在激光熔覆的過程中,添加高聚物可使熔池周圍形成還原性保護氣氛,當還原保護氣氛充滿熔池表面時,可將空氣中的氧化環境隔離,并且還原保護氣氛可進一步消耗粉末中的氧,從而減少熔渣的形成,提高不銹鋼熔覆層的成型質量。

(2)采用高聚物包覆合金粉末制備的不銹鋼熔覆層,平均洛氏硬度提高了13.6%,平均拉伸強度提高了7.4%,綜合性能明顯優于常規粉末。

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[9]尚曉峰,韓冬雪,于福鑫.金屬粉末激光快速成形技術及發展現狀[J].機電產品開發與創新,2010,23(5):14-16.

Effect of Super Polymer on the Properties of Laser Cladding Layer of Stainless Steel Composite Powder

ZHANG Jing-yi,QIU Chang-jun,HE Yuan-wei,QILin-sen,ZHU Mao-kui
(School ofMechanical Engineering,University of South China,Hengyang Hunan 421001,China)

The stainless steel composite powder is prepared by adopting the polymeric compound coating process,and the cladding layer is prepared by using the lateral synchronous powder laser rapid prototyping technology,then the surface quality,cross section morphology and mechanical properties of laser rapid prototyping parts are characterized with analysis and testing instruments such as the Rockwell hardness tester,stereomicroscope and tensile fatigue testingmachine.The results show that for the laser cladding layer which is prepared with the polymeric compound coating process,the polymeric compound gasification on the surface of the cladding layer could form the reducibility protective atmosphere in the process of laser cladding,and that could isolate the atmospheric oxidation environment,effectively inhibit the oxidation ofmolten pool,thus the surface of the cladding layer is without slag,the cross section has no defects such as pores and slag,the hardness and tensile strength value is very high,and the comprehensivemechanical property is good.

polymer coating technology;laser rapid prototyping;reducing protective atmosphere

TG156.99

A

1007-4414(2015)06-0076-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.027

2015-09-21

國家自然科學基金項目(51474130);湖南省市聯合基金重點項目(13JJ8013);湖南省高校重點實驗室(湘財教指[2014]85號);湖南省重點學科建設項目(湘教發[2011]76號);湖南省高校科技創新團隊支持計劃(湘教通[2012]318號)。

張凈宜(1990-),男,湖北十堰人,碩士研究生,研究方向:激光再制造。

邱長軍(1965-),男,湖南衡陽人,教授,主要從事激光再制造方面的工作。