激光熔覆馬氏體鋼涂層組織與性能研究

喻佳臣，李 勝，邱長(zhǎng)軍

（南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

0 引言

激光熔覆技術(shù)是利用高能量密度激光輻照金屬粉末使其與基材一起熔凝，在基材表面快速成型出高質(zhì)量的涂層。激光熔覆是一種高經(jīng)濟(jì)效益、綠色環(huán)保的再制造技術(shù)，它可以在廉價(jià)的基材上制備出高耐磨、耐腐蝕、耐高溫或抗氧化的涂層[1，2]。且制備的涂層具有與基材成冶金結(jié)合、熱影響區(qū)小、稀釋率低、效率高等優(yōu)點(diǎn)[3，4]。馬氏體鋼是一種高強(qiáng)度鋼種，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、耐腐蝕性和良好的熱處理工藝性，可以通過回火處理調(diào)整其力學(xué)性能，改善其塑性。Sun 等[5]通過激光熔覆技術(shù)在300M 鋼表面制備了420 馬氏體鋼涂層，通過連續(xù)熔覆、單道間歇熔覆（間歇時(shí)間80s）來(lái)控制原位淬火和回火順序。結(jié)果表明，間歇熔覆主要產(chǎn)生的組織為回火馬氏體，相比于連續(xù)熔覆，延伸性提高了38%，屈服強(qiáng)度和抗拉極限僅降低了5%～10%。王強(qiáng)等[6]通過激光熔覆技術(shù)在27SiMn鋼活塞桿表面，采用17-4PH 馬氏體鋼進(jìn)行了不同激光功率熔覆試驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著激光功率的增加，熔覆層的高度先減小后增加，基材的穿透深度和熱影響區(qū)寬度增大，熔覆層的平均顯微硬度逐漸增加，熔覆層的組織由較短且沒有方向性的板條狀馬氏體向具有方向取向的板條狀馬氏體轉(zhuǎn)變。綜合上述因素得出2600 W 為最佳激光功率。使用1000 W 光纖激光器在Q235 基材表面熔覆了約4 mm 的馬氏體鋼涂層，對(duì)其涂層性能進(jìn)行了表征和分析，能為工程實(shí)際應(yīng)用提供一定的參考。

1 材料及方法

本實(shí)驗(yàn)采用的粉末為高純氮?dú)庀職忪F化的鐵基粉末，粉末的粒度為-150 目～+300 目，粉末成分見表1，熔覆基材為Q235 鋼板，尺寸為110 mm × 60 mm ×15 mm。實(shí)驗(yàn)之前先將基材用磨床打磨，再用酒精清洗，去除基材表面氧化層和油漬。將粉末和基材置于恒溫干燥箱進(jìn)行干燥處理，干燥溫度為50 ℃，干燥時(shí)間為3 h。

表1 粉末成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（wt.%）

采用1000 W 光纖激光器在基材表面熔覆制備馬氏體鋼涂層，送粉方式采用送粉器同步送粉，保護(hù)氣體、送粉氣均為高純氮?dú)?，將基材放置在通有冷卻水的低溫工作平臺(tái)上面，水溫設(shè)置為23 ℃。激光工藝參數(shù)：激光功率為500 W，離焦量25 mm，掃描速度為8 mm/s，搭接率為50%，送粉速度為4.35 g/min。

圖1為激光熔覆后涂層表面形貌，從圖中可看出，制備出的馬氏體鋼涂層表面光潔無(wú)裂紋、氣孔等缺陷。采用DK7763 型線切割機(jī)制備出多個(gè)非標(biāo)拉伸試樣，如圖2 所示。將拉伸試樣放入預(yù)熱好的210 ℃電阻爐中保溫2 h，進(jìn)行低溫回火處理。采用WDW-20E 材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試馬氏體鋼涂層的室溫拉伸性能，拉伸速率為0.2 mm/min。采用HVS-1000AV 維氏顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)量，載荷為2 N，保壓時(shí)間為10 s。通過XD-3 型X 射線衍射儀分析其物相結(jié)構(gòu)。

圖1 涂層表面宏觀形貌

圖2 拉伸試樣尺寸（mm）

2 結(jié)果及討論

2.1 涂層組織

采用掃描電子顯微鏡（SEM）和XD-3 型X 射線衍射儀（XRD）對(duì)熱處理后涂層試樣進(jìn)行了物相分析，其分析結(jié)果如圖3、圖4 所示。由圖3 涂層顯微組織形貌可以看出涂層質(zhì)量良好，無(wú)裂紋、氣孔等缺陷，涂層熱處理后組織為典型的板條狀馬氏體，且馬氏體呈不同方向分布。由圖4 XRD 圖可見，熱處理后涂層組織主要為馬氏體和M23C6，結(jié)果與其他文獻(xiàn)中的馬氏體鋼成分相近[7]。

圖3 涂層顯微組織形貌

圖4 XRD 圖

2.2 拉伸性能

激光熔覆馬氏體鋼試樣拉伸曲線圖如圖5 所示，由圖可知室溫下原始態(tài)試樣抗拉強(qiáng)度為（1475±20）MPa，其塑性較差，呈現(xiàn)脆性斷裂。經(jīng)過210 ℃低溫回火2 h 后的試樣抗拉強(qiáng)度可達(dá)（1755±15）MPa，屈服強(qiáng)度為（1125±15）MPa，斷后延伸率為（10.5±1.5）%。經(jīng)210 ℃低溫回火后，改善了涂層的強(qiáng)度和塑性，熱處理態(tài)試樣力學(xué)性能優(yōu)于其他文獻(xiàn)報(bào)道[8]。熱處理態(tài)試樣強(qiáng)韌性提高的原因主要有：（1）回火后組織更加細(xì)化；（2）在低溫回火過程中部分碳元素偏聚對(duì)基體進(jìn)行強(qiáng)化。經(jīng)過210 ℃回火2 h 馬氏體鋼涂層力學(xué)性能優(yōu)異，在保持高強(qiáng)度的同時(shí)，仍然具有優(yōu)異的塑性。

圖5 拉伸曲線

2.3 顯微硬度

采用HVS-1000AV 維氏顯微硬度計(jì)對(duì)涂層進(jìn)行硬度測(cè)量，涂層的顯微硬度曲線如圖6 所示，從圖中可以看出涂層原始態(tài)與熱處理態(tài)試樣顯微硬度值波動(dòng)較小，說明硬度比較均勻。對(duì)涂層原始態(tài)和熱處理態(tài)試樣顯微硬度結(jié)果進(jìn)行分析可得：（1）涂層未進(jìn)行熱處理時(shí)，其組織為高硬度的粗大馬氏體，硬度值較高；（2）熱處理后涂層試樣顯微硬度比原始態(tài)顯微硬度有所降低，這是因?yàn)榻?jīng)低溫回火后，部分碳化物析出導(dǎo)致馬氏體的過飽和度下降[9，10]。

圖6 顯微硬度曲線

3 結(jié)語(yǔ)

（1）通過激光熔覆技術(shù)制備了低成本力學(xué)性能優(yōu)秀的馬氏體鋼涂層，所制備的涂層表面光潔，無(wú)裂紋氣孔等缺陷；（2）涂層的顯微硬度為475～490HV0.2；（3）經(jīng)過210 ℃低溫回火2 h 的試樣，室溫下抗拉強(qiáng)度可達(dá)（1755±15）MPa，屈服強(qiáng)度為（1125±15）MPa，斷后延伸率為（10.5±1.5）%，能夠在保持高強(qiáng)度的同時(shí)也有較好的塑性，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。