疲勞、腐蝕、摩擦和磨損是機(jī)械零部件、工程構(gòu)件的主要破壞形式,它們所導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失是十分驚人[1],其引起的工程構(gòu)件的失效大多發(fā)生在表面,零件的表面硬度影響零件的耐磨性。采用大功率激光熔覆修復(fù)技術(shù),在零件表面失效的部分,激光熔覆一層合金材料使得熔覆合金層的零件表面有良好的機(jī)械性能,使因表面失效而報廢的零件能再次使用。對于一些外形尺寸較大、噸位重的零件,利用激光熔覆技術(shù)修復(fù)后,減少工件的報廢數(shù)量,降低備件制作成本,提高零件的使用壽命和再利用率,這對于節(jié)省金屬材料,提高經(jīng)濟(jì)效益有很重要的意義。激光熔覆再制造技術(shù)是近年來各發(fā)達(dá)國家競相研究和應(yīng)用的重點之一。它是解決資源浪費(fèi)、環(huán)境污染和廢舊裝備翻新改造的最佳方法和有效途徑之一,是符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一項綠色系統(tǒng)工程。

　　本文以鐵基合金粉末為熔覆材料,在常用的中碳鋼(45號鋼)基材上激光熔覆高硬度鐵基合金覆層,研究工藝參數(shù)對顯微硬度及表面硬度的影響,以提高零件的耐磨性,使之為工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

　　我們用前期正交實驗法得到的兩組最佳工藝參數(shù)[2],進(jìn)行了后續(xù)試驗的組織分析和顯微硬度分析

　　2 實驗方法實驗在DL2HL2TH500型高功率橫流CO2激光器上進(jìn)行,配SIMENS數(shù)控控制系統(tǒng);熔覆材料為鐵基粉末,基體材料為45號鋼。

　　試驗前將45號鋼棒料待熔覆面用砂紙打磨(表面粗糙度Ra=0.8um)并用丙酮清洗干凈吹干,采用同步送粉法進(jìn)行激光熔覆實驗,實驗加工示意圖如圖1 。

同步送粉法激光熔覆加工示意圖

　　試驗步驟如下:

　　(1 ) 將試樣用卡盤夾緊,調(diào)節(jié)激光功率、掃描速度、送粉速度,用激光器進(jìn)行激光熔覆處理,處理時,用氬氣氣體保護(hù)。

　　(2) 試驗結(jié)束后, 垂直掃描方向沿法向軸線剖切試樣,在鑲嵌機(jī)上制作金相式樣,經(jīng)過金相打磨拋光后,經(jīng)5%硝酸酒精腐蝕后,在光學(xué)顯微鏡下觀察組織形態(tài)和成分變化;用金相顯微鏡觀測熔覆層表面狀況,熔覆層與基材結(jié)合處及基材熱影響區(qū)的金相組織。

　　(3)在顯微硬度計上測量熔覆層表面及沿徑向深度方向的硬度值。

　　3 實驗結(jié)果與分析硬度測量分為表面硬度測量和熔覆層的顯微硬度測量,表面硬度的測量使用HR1502A型洛氏硬度計,顯微硬度的測量使用HX2200型顯微硬度計。

　　從測量的硬度變化可以看出。在速度較低時,當(dāng)掃描速度一定時,隨著激光功率的增加,表面硬度有所下降。但是當(dāng)掃描速度加快時,隨著激光功率的增加,熔覆層表面硬度又越來越高。當(dāng)功率一定時,掃描速度越快,硬度越高。到一定的速度又有所下降,硬度變化規(guī)律用曲線表示如圖2 :

　　總之,熔覆層的表面硬度與激光功率與掃描速度有很大關(guān)系,激光功率越高,掃描速度越快,則得到的熔覆層表面硬度越高。熔覆層的表面硬度與熔覆的層數(shù)沒有多大關(guān)系。選擇前期實驗所得熔覆層表面最好的兩組參數(shù)進(jìn)行試驗,做顯微硬度分析。

　　以下曲線上的垂直線表示熔覆層和基體的結(jié)合面

　　(1)Fe35鐵基合金粉末在45號鋼調(diào)質(zhì)態(tài)棒料上激光熔覆實驗式樣的顯微硬度圖

從圖3和圖4中看出,以兩組參數(shù)加工的熔覆層的硬度相差不大,基體熱影響區(qū)的硬度有所差別 ,

　　但相差也不大;以參數(shù)組2加工的熔覆層下的基體熱影響區(qū)的硬度要略高于以參數(shù)組3加工的熔覆層下的基體熱影響區(qū)硬度。這是因為以參數(shù)組3加工的熔覆層是由兩層疊加而成,在第二層熔覆層成形時,產(chǎn)生的熱將對前一層覆層的熱影響區(qū)有回火作用,所以以參數(shù)組3激光熔覆的結(jié)果在熔覆層搭接部位或覆層下基體熱影響區(qū)的硬度要低于以參數(shù)組2激光熔覆的硬度;兩個參數(shù)組的熔覆層與基體熱影響區(qū)的硬度過渡平滑,有利于抑制裂紋的產(chǎn)生。

　　(2)Fe30鐵基合金粉末在45號鋼調(diào)質(zhì)態(tài)棒料上激光熔覆實驗式樣的顯微硬度對比圖 :

　　(3)Fe35鐵基合金粉末在45號鋼鍛態(tài)棒料上實驗式樣的顯微硬度對比圖:

從圖5和圖6、圖7和圖8中看出,同樣以兩個參數(shù)組加工后的熔覆層的硬度相差不大,基體熱影響區(qū)的硬度有所差別,其結(jié)果與圖3和圖4一致。

　　以參數(shù)組3加工的熔覆層和搭接部位的覆層是多覆層疊加起來的,在單層未預(yù)熱激光熔覆時,熔覆層的組織很細(xì)小;搭接熔覆、多層熔覆的第二道或第二層熔覆由于熔覆過程連續(xù)進(jìn)行,前道(層)熔覆層溫度較高,即開始第二道(層)搭接熔覆,故搭接區(qū)的組織粗化。多層熔覆的層間搭接的重熔區(qū)位于熔池的底部,由于剛形成的熔覆層溫度很高,近表面溫度較低,相當(dāng)于對熔池有激冷的作用。熔池底部的液態(tài)金屬處于過冷,在熔池底部形成的晶核,通過周圍液體傳熱,晶核向液體中繼續(xù)長大便形成等軸晶。由于層間溫度較高,結(jié)晶速度較慢,故形成的等軸晶組織較粗大[3]。由多層熔覆的熔覆層組織分布可以看出,硬度峰值出現(xiàn)在各層的近表層的細(xì)晶區(qū);而最低硬度則出現(xiàn)在兩層之間重熔區(qū)的粗晶區(qū)。

　　4 結(jié)論應(yīng)用Fe35鐵基合金粉末和Fe30鐵基合金粉末在45號鋼上進(jìn)行激光熔覆,熔覆層與基體硬度過度平緩,覆層與基體結(jié)合過程中內(nèi)部應(yīng)力減少,熔覆層表面和基體表面沒有裂紋;搭接部分基體熱影響區(qū)硬度相對未搭接部分基體熱影響區(qū)低;熔覆層的表面硬度與激光功率及掃描速度有很大關(guān)系,激光功率越高,掃描速度越快,則得到的熔覆層表面硬度越高。熔覆層的表面硬度與熔覆的層數(shù)沒有多大關(guān)系。