激光熔覆修復30CrMnSiA合金鋼的顯微組織和性能研究

龐義斌 ，胡鳳嬌，張 峰，張 帥 ，周智文

1.航發(fā)優(yōu)材（鎮(zhèn)江）增材制造有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212132

2.凌云科技集團有限責任公司，湖北 武漢 430000

0 前言

電動絞車滾筒在實際使用過程中槽尖與鋼索會發(fā)生接觸式摩擦，槽尖容易發(fā)生磨損而失效。為了既保證滾筒槽尖的尺寸，又提高其使用壽命，目前工業(yè)上常采用堆焊和噴涂等材料表層改性方法來實現。但零件表面堆焊時的熱輸入不易控制，噴涂層為機械結合層，存在結合力不足等問題［1-2］。激光熔覆作為先進的材料表層改性技術，是利用高能激光來沖擊材料表面，使基體表面薄層與熔覆材料共同熔化并快速凝固，形成冶金結合層，具有能量密度高、熱影響小、稀釋率低、熔覆層結合性好、易于自動化生產等優(yōu)點，在高性能表面制備、失效零件修復等領域得到了廣泛應用［3-5］。

電動絞車滾筒的材質為30CrMnSiA高強合金鋼，目前關于高強鋼激光熔覆修復已有較多報道，如在30CrMnSiNi2A鋼表面熔覆1Cr15Ni4Mo3粉末［6］，在300M鋼表面熔覆 AerMet1000 粉末［7］等。30CrMnSiA高強鋼表面激光熔覆修復應用主要集中在18CrMoA和鐵基等合金粉末［8-9］，存在基體熱影響區(qū)軟化現象，導致熔覆層強度低于基體強度［10］。因此，如何對受損的零部件進行強韌性匹配修復是30CrMnSiA材質零件修復亟需解決的技術難題之一。

研究表明，熔覆材料選型時，選擇與基體成分相同或相近的合金粉末對構件綜合性能至關重要［11］。因此，本文以在飛機制造業(yè)應用較為廣泛的30CrMnSiA合金鋼為對象，選用與基體成分相同的30CrMnSiA粉末作為熔覆材料，針對滾筒激光熔覆修復的性能需求，以拉伸性能、沖擊性能、硬度等作為熔覆層結合性能的評價指標，探索滿足滾筒性能需求的成形工藝，解決熱影響區(qū)軟化問題，為飛機制造業(yè)零件的修復和使用提供理論支持。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及設備

試驗基材為30CrMnSiA合金鋼，尺寸100 mm×100 mm×10 mm，化學成分如表1所示。激光熔覆原材料為15～53 μm的30CrMnSiA粉末，使用前在真空烘箱中進行100 ℃×1 h烘干處理。

表1 30CrMnSiA鋼化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of 30CrMnSiA steel （wt.%）

激光熔覆成形設備使用六軸機器人激光直接沉積成形設備，主要包括：TruDisk6002碟片式激光器、KUKA KR90六軸機器人、KUKA DKP400變位機、Medicoat振動送粉器、SPR4800加工機床等。

激光熔覆前，使用電動打磨槍打磨基板表面，并用丙酮擦拭。通過前期工藝試驗，綜合考核熔覆層外觀成形與組織形貌（不允許有未熔合、微裂紋等微觀缺陷），優(yōu)化的30CrMnSiA粉末激光熔覆參數見表2。

表2 優(yōu)化的激光熔覆參數Table 2 Optimized laser cladding parameters

1.2 試驗方法

拉伸力學性能試板制備如圖1所示，開45°坡口，對接間隙為0.5 mm。采用多層多道激光熔覆對稱填充坡口，即熔覆上側一層后，翻面熔覆對側一層，依次類推進行填充，以降低殘余應力，減少變形。按照GB/T228.1—2010，在圖1對接接頭中取樣，取樣位置如圖2所示，上下坡口隨機共取3個試樣。拉伸試樣如圖3所示，厚度為2 mm（均為對接填充區(qū)域），對接試板中心位于拉伸試樣的中心部位。采用美特斯CMT5105萬能拉伸試驗機測試對接試樣的室溫拉伸性能，拉伸速率為1 mm/min。

圖1 拉伸力學性能試板示意（單位：mm）Fig.1 Schematic diagram of tensile property test plate

圖2 對接拉伸試樣取樣位置Fig.2 Sampling position of butt tensile sample

圖3 拉伸試樣尺寸示意Fig.3 Schematic diagram of tensile specimen size

室溫沖擊力學性能試板制備如圖4a所示，在10 mm厚30CrMnSiA鍛件上熔覆8 mm厚30CrMn‐SiA增材，試板尺寸為140 mm×200 mm×10 mm。試塊為10 mm厚30CrMnSiA鍛件和8 mm厚30CrMn‐SiA增材件，熔覆后進行退火（190 ℃×2 h）。按照GB/T229.1—2007，室溫沖擊試樣取樣位置及尺寸分別如圖4a、4b所示，開U形缺口，缺口位于5 mm增材和5 mm鍛件的結合線平面。采用PIT452C-2型擺錘沖擊試驗機進行室溫夏比沖擊試驗，擺錘300 J。

圖4 沖擊試樣取樣位置及尺寸示意Fig.4 Schematic diagram of sampling position and size of impact sample

拉伸和沖擊試驗不用同一塊試板的原因是：拉伸試驗主要為評估修復后的結合性能以及修復部位性能的好壞，沖擊試樣若在拉伸試板上進行加工和激光熔覆，基材厚度只有1 mm，不能客觀評估實際修復零件結合部位的沖擊性能，而一半鍛件、一半增材能較好地解決該問題。

在拉伸試樣上截取金相試樣，采用硝酸酒精溶液進行腐蝕，使用DM4M金相顯微鏡進行組織觀察。采用Qness Q10M顯微維氏硬度計測試試樣左側與右側橫截面的基材、熱影響區(qū)、激光增材區(qū)的硬度，測試載荷為500 N，加載時間為15 s。采用IT500-A場發(fā)射掃描電鏡檢測金相組織、拉伸與沖擊斷口形貌。采用ATOS Tripe scan型三維光學掃描儀對比滾筒修復前后尺寸。

2 試驗結果與討論

2.1 組織分析

拉伸試樣和沖擊試樣的宏觀形貌如圖5所示，試樣表面呈銀白色，光滑平整、無波紋，成形較美觀。

圖5 性能測試試樣宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of performance test sample

圖6為激光熔覆30CrMnSiA拉伸試樣的宏觀和顯微組織。圖6a為金相宏觀組織，由30CrMnSiA基材、熱影響區(qū)和30CrMnSiA增材區(qū)3部分組成，圖6b～6d分別為圖6a中1、2、3標示位置的放大組織SEM照片。基材與增材區(qū)之間有一條連續(xù)的白色亮帶（見圖6a），其顯微組織主要由平面晶組成，說明結合界面為牢固的冶金結合［12］。30CrMnSiA接頭無裂紋、氣孔和夾雜等缺陷。基材區(qū)主要是馬氏體與鐵素體，塊狀組織為鐵素體，塊狀組織之間為馬氏體。熱影響區(qū)寬約0.5 mm，組織形貌未表現出明顯的變化，主要為一束束排列的板條和少量小顆粒，其組織為馬氏體和極少的鐵素體。在多層多道焊的熱循環(huán)作用下，馬氏體發(fā)生少量分解，過飽和的碳原子在冷卻過程中析出碳化物，使得熔覆層組織主要為馬氏體基體上分布著少量的硬質相碳化物顆粒。

圖6 30CrMnSiA激光熔覆的宏觀和顯微組織Fig.6 Macrostructure and microstructure of 30CrMnSiA laser coating

2.2 顯微硬度

激光熔覆30CrMnSiA拉伸試樣橫截面硬度分布曲線如圖7所示。由圖可知，熱影響區(qū)出現了硬化現象，淬硬區(qū)寬度約為0.2 mm，最高值達450 HV0.5，熱影響區(qū)寬約0.5 mm。熔覆區(qū)硬度約380 HV0.5，高于基材區(qū)硬度（360 HV0.5）。熔覆層主要由馬氏體和少量碳化物硬質相組成，而基材含有少量鐵素體，鐵素體的硬度比馬氏體低，所以熔覆層硬度高于母材區(qū)。圖8為結合層Si、Cr和Mn元素顯微硬度測量位置EDS線掃結果，熱影響區(qū)組織主要為馬氏體和極少的極小鐵素體，碳化物硬度比馬氏體小，同時合金元素在鐵素體中的固溶強化效果從好到差依次為 Mn、Cr、Si［13-14］，熱影響區(qū) Mn、Cr含量較高，由于馬氏體化與合金元素固溶強化的共同作用，熱影響區(qū)出現硬化現象。

圖7 熔覆試樣截面硬度曲線Fig.7 Section hardness curve of cladding sample

圖8 結合層線掃結果Fig.8 Line scanning results of bonding layer

2.3 拉伸性能

30CrMnSiA對接試樣和30CrMnSiA鍛件室溫拉伸性能試驗結果如圖9所示。激光熔覆接頭的平均抗拉強度和平均屈服強度分別為1 176 MPa和1 049 MPa，均為母材的104%，延伸率為10.4%，達到母材的75%。研究表明［15-16］，抗拉強度與硬度成正比，即硬度小的區(qū)域在拉伸過程中優(yōu)先發(fā)生塑性變形而斷裂。接頭未出現軟化現象，因此對接試樣均斷裂于基材區(qū)，圖10為激光熔覆接頭室溫拉伸斷裂照片，也證明了這點。同時，熔覆層與熱影響區(qū)占拉伸試樣一定比例，硬度較基材高，塑性變形階段存在差異，拉伸斷裂前塑性變形主要為基材變形，所以延伸率低于單純的鍛件基材。分析認為，接頭強度高于鍛件母材強度，拉伸性能良好，且零件修復性能主要要求為強度和沖擊性能滿足要求，所以修復后的拉伸性能符合試件要求。

圖9 30CrMnSiA對接試樣和鍛件室溫拉伸性能Fig.9 Room temperature tensile properties of 30CrMnSiA butt joint sample and forge piece

圖10 拉伸試樣斷裂位置Fig.10 Fracture position of tensile sample

圖11a、11b分別為30CrMnSiA對接接頭與鍛件拉伸斷裂后的斷口形貌，均為基材斷口形貌。對接接頭的基材斷口比鍛件的基材斷口韌窩多且深，且韌窩中分布著小顆粒強化相。30CrMnSiA鍛件斷口有一定的撕裂的現象，均為韌性斷裂。

圖11 拉伸試樣斷口形貌Fig.11 Fracture morphology of tensile sample

2.4 沖擊性能

表3為30CrMnSiA對接接頭與基材室溫沖擊性能試驗結果。30CrMnSiA增材-30CrMnSiA鍛件、30CrMnSiA鍛件沖擊韌性平均值分別為115.8 J/cm2、72 J/cm2，對接接頭沖擊韌性遠超標準值（49 J/cm2），是鍛件的161%。這是因為在激光多層多道的熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)析出物增多，合金化作用增強，有利于結合區(qū)組織強化。而形成的單層多道熔覆層，由于激光快熱快冷工藝使得單層上部極小厚度區(qū)域組織細小，在多層多道熔覆時，上層細小的組織被重新熔化，熔覆形態(tài)最終保留為梯度特征降低、性能良好的細小柱狀晶組織，有利于提高接頭組織均勻性，進而提升整體性能。同時，影響接頭韌性的組織因素有組織類型和晶粒尺寸，接頭填充區(qū)域晶粒尺寸明顯小于基材［17-18］，因此其沖擊韌性高于鍛件。圖12為沖擊試樣宏觀斷裂照片，在擺錘沖擊下，30CrMnSiA增材-30CrMnSiA鍛件結合區(qū)沒有出現脫落及剝離，表明基體和增材區(qū)界面處為致密的冶金結合。

表3 30CrMnSiA對接接頭與基材室溫沖擊性能Table 3 Room impact properties of 30CrMnSiA butt joint and substrate

圖12 沖擊試樣斷裂照片Fig.12 Fracture photo of impact sample

圖13為30CrMnSiA增材-30CrMnSiA鍛件和30CrMnSiA鍛件的沖擊斷口形貌。30CrMnSiA增材-30CrMnSiA鍛件試樣斷口（見圖13a）呈現混合斷裂特征，左側基材斷口呈現明顯的撕裂棱特征，韌窩較少；右側增材區(qū)斷口比較平整，由大量的韌窩組成，呈韌性斷裂特征，同時撕裂棱的減少表明韌性增強。30CrMnSiA鍛件斷口（見13b）特征與圖13a左側相似，整體仍呈現韌性斷裂特征但塑性有所下降。

圖13 沖擊試樣斷口形貌Fig.13 Fracture morphology of impact sample

2.5 應用實例

采用以上工藝成功修復了電動絞車滾筒，修復前后尺寸對比如圖14所示，除了修復區(qū)尺寸變化外，其余區(qū)域均未發(fā)現明顯變形，說明修復過程中熱輸入控制較均勻，未造成滾筒槽尖的變形，表明激光熔覆修復工藝是可行的。

圖14 電動絞車滾筒修復前后尺寸對比Fig.14 Comparison of dimensions of electric winch roller before and after repair

3 結論

（1）30CrMnSiA激光熔覆增材區(qū)與基材之間形成了致密、無缺陷的冶金結合，熱影響區(qū)組織主要為馬氏體和少量鐵素體，熔覆層主要為馬氏體和少量碳化物。

（2）30CrMnSiA修復強度、沖擊韌性高于鍛件母材，熱影響區(qū)硬度較高，已不再是失效區(qū)域。總之，采用激光熔覆工藝，接頭強韌性匹配，可用于修復滾筒槽尖缺損，力學性能滿足指標要求。

（3）使用激光熔覆技術和具體修復工藝的電動絞車滾筒變形小，變形可控，也解決了基體熱影響區(qū)軟化問題，可延長零件壽命，節(jié)約巨大的成本，但修復接頭的疲勞性能、持久性能需要繼續(xù)投入研究，完善增材修復理論體系建設。