球墨鑄鐵的激光熔覆研究

梁鵬 游娜 郭計山

摘要：常溫下采用激光熔覆工藝修復球墨鑄鐵工件，存在熔覆層裂紋的問題。采用鎳基合金能夠改善裂紋情況，但基材界面裂紋問題依舊無法得到解決。因此，采用預熱+后熱的熱處理工藝，消除了激光熔覆的裂紋問題，獲得良好的熔覆層，恢復了球墨鑄鐵工件原有尺寸，提高了表面的綜合性能，延長工件的使用壽命。

Abstract： The cracks appear，when? the ductile cast iron workpieces are repaired by laser cladding at normal temperature.Although it can reduce the cracks with Ni-based alloy on ductile cast iron， the problem of cracks still is inextricability.Therefore ， heating the the ductile cast iron workpieces， the problem of cracks is solved. The excellen laser cladding is gained，the ductile cast iron workpieces are repaired .The property of the surface is improved and the working life of the ductile cast iron workpieces is increased.

關鍵詞：球墨鑄鐵;激光熔覆;裂紋

Key words： ductile cast iron;laser cladding;crack

0? 引言

球墨鑄鐵是通過球化和孕育處理得到球狀石墨，有效的提高了鑄鐵的機械性能，特別是提高了塑性和韌性，從而得到比碳鋼還高的強度，正是基于其優異的性能，已成功的用于鑄造一些受力復雜、強度、韌性、耐磨性要求較高的零件。球墨鑄鐵已迅速發展為僅次于灰鐵的、應用十分廣泛的鑄鐵材料。

激光熔覆技術是利用高能光束照射到基材及合金粉末上，將基材與合金粉末熔化，使基材與合金粉末形成冶金結合。根據不同需要，可在基材表面熔覆具有耐磨損、耐高溫、耐腐蝕、耐沖擊的高性能合金涂層，從而達到材料表面修復、改性與強化的目的[1]。

球磨鑄鐵工件長期服役過程中，表面會逐步產生磨損、受撞擊掉塊等問題，采用激光熔覆技術，可以修復受損表面，恢復球墨鑄鐵工件原有尺寸，提高表面綜合性能，延長工件的使用壽命，降低成本。

1? 試驗材料與方法

澆注球墨鑄鐵試樣并退火處理，試樣材料初始狀態為退火態，硬度22HRC，金相組織為珠光體+鐵素體+碳化物。（圖1）

將試樣加工成200*100*50試塊，將試塊200mm*100mm表面精磨至Ra1.6。激光強化前使用著色探傷，確認無表面缺陷后使用酒精清洗表面，去除油污等表面附著物。將試塊放在工作臺上，在200mm*100mm表面上進行激光熔覆試驗。

激光器采用Laserline半導體激光器，盤式送粉器同軸送粉，氬氣保護。

技術要求：熔覆后硬度≥25HRC，熔覆層厚度1.5mm，熔覆層無裂紋等缺陷，熔覆層耐磨性優于原有材質。

激光熔覆主要工藝參數為：激光功率、掃描速度、搭接值、粉末及送粉量等。

激光熔覆后采用著色探傷，檢測其表面和基材界面;采用HL-300便攜式里氏硬度計檢測其表面硬度;采用X射線應力儀檢測激光熔覆后應力;采用線切割將試塊解剖，使用ZESSI顯微鏡檢測熔覆層和基材界面金相組織情況;采用MM-200磨損試驗機，對比球磨鑄鐵與熔覆層的耐磨性。

2? 試驗結果及討論

2.1 工藝參數及試驗結果

根據球墨鑄鐵工件激光熔覆的技術要求，選取激光熔覆后硬度約為30HRC的鐵基粉末A和鎳基粉末B進行激光熔覆。（表1、表2）

2.2 試驗結果討論

2.2.1 球墨鑄鐵激光熔覆層的特征

試驗參數為：粉末A，掃描速度10mm/s，功率1600W，送粉1.2，搭接率50%。圖2中的白色區域為熔覆層，主要組織為奧氏體，因為難以腐蝕，所以整體呈白色，且沒有呈現晶界。熔覆層下面為熱影響區，由于激光熔覆過程中該區域溫度較高，發生了馬氏體相變，晶粒細化，顯微硬度提高，因此腐蝕后顏色較黑，顯微硬度也達到572HV;熱影響區是整個熔覆層最脆的區域，很容易因應力集中形成裂紋，在圖2中可以看出熔覆層內存在貫穿裂紋。熱影響區下面為正常球墨鑄鐵組織。

2.2.2 激光熔覆層厚度的控制

在激光功率能夠將粉末完全熔化的前提下，熔覆層的厚度主要取決于掃描速度、送粉量，掃描速度越慢，送粉量越大，熔覆層厚度也越大。此次球墨鑄鐵工件修復厚度為1.5mm，為保證整個熔覆層厚度均能滿足要求且不造成浪費，因此激光熔覆參數確定為：8mm/s掃描速度，1.2送粉，1200W，50%搭接。

2.2.3 激光熔覆層應力裂紋的分析

在激光熔覆過程中，高密度激光束的快速加熱熔化使熔層與基材之間產生了很大的溫度梯度。在隨后的快速冷卻過程中，這種溫度梯度會造成熔覆層與基材體積收縮的不一致，使其相互牽制，形成了熔覆層的內應力。溫度梯度越大，內應力越大;熔覆層與基材的膨脹系數差距越大，內應力也越大。

當局部應力超過材料的強度極限時，就會產生裂紋。由于熔覆層的枝晶界、氣孔、夾雜物等處斷裂強度較低或者易于產生應力集中，因此裂紋往往在這些部位產生。對于球磨鑄鐵，其基材熔化層往往存在石墨上浮坑，容易造成應力集中;同時，因石墨比周圍基材導熱系數低還形成了較大的溫度梯度，并相應的產生了較高的熱應力，兩者共同作用，形成了基材界面裂紋。（圖3）

球墨鑄鐵激光熔覆層存在兩種裂紋形態，一種是熔覆層裂紋，裂紋自基材界面開始貫穿整個熔覆層;一種僅為基材界面裂紋，存在于熔覆過程中的馬氏體相變區內。前者應力遠遠大于后者應力，對于熔覆層的危害更大;后者很難被檢測，也更難防治。

對于球墨鑄鐵材質，熔覆層過薄或者功率密度大，會造成較大的稀釋率，產生較大的應力，形成熔覆層裂紋。比較表2中著色探傷情況，可以看出較低的稀釋率能夠減少內應力，限制熔覆層裂紋的發生。（圖4）

比較兩種合金粉末，可以看出鎳基粉末B的開裂傾向小于鐵基粉末A，主要原因為使用鎳基合金粉末時，熔覆層成為良好的非鐵合金，對裂紋不敏感。鎳是奧氏體形成元素，鎳和鐵能完全互溶，鐵鎳合金中Wni>30%時，γ相區將擴展到室溫，得到硬度較低的單相奧氏體組織。鎳可以向半熔化區擴散，對改善熔化區焊接性很有幫助[2]。

2.2.4 激光熔覆裂紋的預防與控制

常溫下，球墨鑄鐵的激光熔覆不可避免存在基材界面裂紋，調整粉末成分和激光熔覆參數對裂紋改善有限，只能通過預熱與后熱處理。預熱可以防止基材熱影響區發生比容增大的馬氏體相變而誘發基材界面裂紋，減少基材與熔覆層的溫差以降低冷縮所產生的應力，使熔覆層與基材處于塑性狀態，充分降低應力;后熱可以消除或減少熔覆層的殘余應力，減少熔覆層對基材產生的有害熱影響。

激光熔覆前，將試塊預熱至200℃，激光熔覆后200℃保溫，使用鎳基粉末B，按照掃描速度8mm/s，功率1200W，送粉1.2，搭接率50%，進行激光熔覆試驗，仍然出現基材界面裂紋;逐漸提高預熱溫度，直至預熱至500℃，才徹底解決基材界面的問題。

2.2.5 激光熔覆層的耐磨性研究

采用MM-200磨損試驗機，對比球墨鑄鐵本體與粉末B的激光熔覆層的耐磨性，結果見表3。

結果表明：鎳基粉末B熔覆層的耐磨性是球墨鑄鐵的1.4倍，能夠滿足球墨鑄鐵工件的耐磨要求。

3? 球墨鑄鐵工件的修復

在球墨鑄鐵工件上進行激光熔覆修復。激光熔覆前預熱至500℃，使用鎳基粉末B，按照掃描速度8mm/s，功率1200W，送粉1.2，搭接率50%，熔覆后200℃保溫，完成了球墨鑄鐵工件的修復。修復后熔覆層各項指標均優于球墨鑄鐵本體，無裂紋等缺陷，延長了球墨鑄鐵工件的使用壽命，降低了生產成本。（圖5）

4? 結論

①采用鎳基粉末，選取合適激光熔覆工藝參數和熱處理參數，能夠完成球墨鑄鐵工件的激光熔覆修復，且各項性能指標均優于原有材質，延長了工件使用壽命，降低了生產成本。

②在球墨鑄鐵上，相較于鐵基粉末，鎳基粉末的開裂性更小，更適于球墨鑄鐵工件的激光熔覆修復。

③降低稀釋率，有利于減少應力，降低開裂傾向。

④對于某些韌性差、本身存在缺陷的材質，單純的調整激光熔覆參數和粉末成分，無法徹底解決裂紋問題，需要采取合理的熱處理工藝，才能得到良好無缺陷的熔覆層。

參考文獻：

[1]關振中主編.激光加工工藝手冊[M].北京：中國計量出版社，1998.

[2]李亞紅主編.焊接冶金學-材料焊接性[M].北京：機械工藝出版社，2006.

[3]張武.基于Anycasting的球墨鑄鐵汽車泵體鑄造工藝優化[J].內燃機與配件，2020（04）：96-97.