激光熔覆与普通堆焊、喷涂、喷焊等表面熔覆方法的比较 |
激光熔覆与传统的堆焊和喷涂、喷焊等表面熔覆改性的方法相比，激光熔覆因使熔覆层组织的微观结构均匀细化，工件热变形小，母材的热影响区小，熔覆层稀释率小，更有利于改善材料表面的耐疲劳、耐磨损和耐腐蚀性，已引起了广泛的重视。
我们就铁基高铬耐磨合金WF372、D667，分别采用激光熔覆和激光堆焊制作耐磨层进行了对比研究。
1. 试验
选用Φ4.0的 D667堆焊焊条，采用直流弧焊发电机AX7-500（反接），于平焊位置堆焊，顺序焊法焊接，焊后缓冷。焊接电流控制在200A左右波动。
合金的成分（wt%）：WF372为C3.3~4.3%，Cr23~27%，B1.0~2.0%，Si1.0~2.0%，Ni4.0~6.0%，其余为铁；
D667分为C2.5~5.0%，Cr25~32%，Si1.0~4.8%，Ni3.0~5.0%，Mn≤8.0，其余为铁。
激光熔覆合金为WF372合金粉末，采用预置粉法进行激光熔覆。预置粉厚度为1mm。激光器为^大输出功率2.0KW横流式电激励CO2气体连续激光器，实际输出功率为1.8KW。多模输出。以Ar气向熔池吹压进行保护。光斑直径D为4mm、搭接率η为30%、扫描速度Vs为4mm/s、熔覆层宽度为20mm左右。
对试件变形和表面成型进行检测并进行金相分析。用美国产BUCHLERⅢ型维氏显微硬度计检测熔覆层显微硬度的层深分布。
激光熔覆试件在450℃回火保温1.5小时热处理后，与堆焊试件进行磨损对比试验。磨损试验采用MM200型磨损实验机，对磨轮转速为200转/分，工作压力为50N，摩擦副间加滴机械油冷却去屑。每个试件工作8小时。通过电子天平（标准偏差为0.001g）称重。试验前后重量之差即为磨损失重量。用quanta 200型环境扫描电镜（SEM）对磨损面进行观察分析。
2．结果与分析
2．1 试件的激光熔覆层和堆焊层表面成型与变形对比
激光熔覆层厚度基本为0.9mm。堆焊层厚度平均为2.8mm。堆焊试件的平均翘曲度为0.858×10-2mm/ mm2，激光熔覆试件几乎没有出现明显的变形和翘曲，用0.03mm厚的塞尺从试件基面几乎不能塞入。 激光熔覆层的表面比较平整、光滑。两焊道之间的沟槽很浅，这是由于搭接率η较高，为30%的缘故。而试件堆焊层的焊接波纹比较明显，有些位置还有较小的凹坑，两焊道之间的沟槽较深。
2．2 熔覆层金相组织对比分析
堆焊层组织为珠光体基体上分布Cr的枝晶碳化物，初生枝晶杆连续未断的较多，其余小块为次生碳化物，碳化物分布不够均匀，熔合线附近初生的枝杆状枝晶明显。而激光熔覆层组织大部分区域处于非平衡、亚结晶状态，即合金元素含量很高的非平衡γ-奥氏体和γ﹢M7C3合金碳化物共晶组织，组织均匀细密。其上碳化物等硬质相分布比较均匀，大部分硬质相呈细粒状弥散分布，即使是少量的呈片状的树枝状结晶组织，也是细密均匀，呈胞状晶。
堆焊和激光熔覆的熔覆层与基材均形成了牢固的冶金结合。但是，电弧焊对基材熔化和影响程度明显高于激光熔覆。堆焊的热影响区较大，而激光熔覆的热影响区较小。熔覆层对基材的稀释率，激光熔覆明显小于电弧堆焊。这是由于在激光熔覆时，高能激光束扫描基材使其表面迅速加热熔化后离去，基材表面只有很薄的一层熔化。而电弧堆焊需要输出较大的能量才能使基材表面熔化形成熔池，对基材的作用和影响较大。
激光熔覆工艺使熔覆层合金瞬间充分熔化，而基材表面只能有很薄一层熔化，既保证了优良的牢固冶金结合，又不过多稀释而改变合金成分；基材的热溶体作用，迅速导热、吸热、散热，产生极高冷却速度(106～108 K/s)的快速凝固，形成了超细而均匀的非平衡、亚结晶状态的枝状共晶组织。熔覆层具有强韧两相微观结构特征，韧性相为合金元素过饱和含量极高的亚稳γ-奥氏体，强化相为高硬度的亚稳M7C3合金碳化物，组织均匀细小。这种组织形态远比堆焊层的显微组织更加优良，对性能是有影响的。所以通过采用激光熔覆工艺可以使耐磨层组织的力学性能和使用性能得到改善和提高。
2.3 熔覆层显微硬度对比分析
经过显微观察看出激光熔覆层比堆焊层的显微硬度平均高300HV左右。在熔合线处，两者的显微硬度均有明显的下降趋势，而试件基材的显微硬度明显较低。 这是由于激光熔覆层的组织形成为合金元素含量很高的非平衡γ-奥氏体和γ﹢M7C3合金碳化物共晶组织，组织均匀细小。其上碳化物等硬质相分布比较均匀，大部分硬质相呈细粒状弥散分布。而堆焊层组织为珠光体基体上分布Cr的枝晶碳化物及小块次生碳化物，碳化物分布不够均匀，且晶粒粗大。在γ-奥氏体和高硬度共晶碳化物的共同作用下，激光熔覆层的显微硬度比堆焊层的要高。
2．4 熔覆层磨损对比试验
在相同的磨损条件和磨损时间内，激光熔覆回火磨损试件的磨损失重量比堆焊磨损试件的要小。经回火处理后的激光熔覆层比堆焊层耐磨。
分析认为：通过回火处理后，使激光熔覆层的内应力降低，脆性下降，硬度下降，断裂韧性得到提高。在450℃回火保温1.5小时的热处理工艺，使激光熔覆层强韧性达到比较好的状态。这时，激光熔覆层洛氏硬度为HRC61，比堆焊层的硬度HRC54高许多，比对磨轮的硬度HRC60还高。可见，在材料的强韧性相接近的情况下，材料的硬度越高耐磨性越好。激光熔覆层回火后耐磨性提高。
2.5 磨损面的微观对比分析
经实验激光熔覆回火试件的磨痕呈小坑和不规则的树枝状和颗粒状。而堆焊试件磨痕呈现出许多细长的沟槽，这些沟槽具有明显的方向性，与摩擦方向一致。有较高的顺应性。同时，还分布有为数众多的小孔洞。放大4000倍的磨痕形貌显示，激光熔覆基体的强韧性配合较好，几乎没有显示显微梨沟、显微切削或显微裂纹。而堆焊试件显示韧性较高，显微梨沟和显微切削形貌大量存在，但也没有显微裂纹显示。这样的磨痕形貌均与试件的原始组织和性能有关。
激光熔覆层中的组织是极其细小的树枝晶和胞状晶，而堆焊层中的组织是较为粗大的树枝晶。激光熔覆层中的基体组织为奥氏体，它比堆焊层中的基体组织珠光体的硬度高。通过回火处理后，奥氏体的韧性得到加强。因而，在基体组织和硬质相碳化物的共同作用下，激光熔覆磨痕形貌呈现不规则的树枝状和颗粒状，而堆焊试件的磨痕呈现出许多细长的沟槽和孔洞。由于堆焊试件基体组织珠光体较软，有较强的顺应性，因而，形成大量深浅不一、与摩擦方向保持一致、长度较大的沟槽。起支撑作用的基体组织的残存面积所剩较少，被磨去得组织较多。而激光熔覆试件中，起支撑作用的基体组织的残存面积所剩较高，被磨掉的组织主要是原先分布在细小枝晶间隙中的较软的组织，大量的强韧性较高的组织起到了耐磨损的支撑作用。
通过环境扫描电镜的观察、分析，试件磨损面的显微形貌显示，激光熔覆层通过450℃保温1.5h回火处理后比堆焊层更加耐磨。
3． 结论
1. 激光熔覆层比堆焊层的表面成型较为理想。激光熔覆试件没有明显的变形和翘曲。
2. 与堆焊层显微组织相比较，激光熔覆层组织大部分区域处于非平衡、亚结晶状态，且具有强韧两相微观结构特征。熔覆层组织细小。从而使其力学性能和使用性能得到改善和提高。
3. 激光熔覆层的显微硬度平均比堆焊层显微硬度高300HV左右。这主要是由熔覆层中合金的组织性能和形态决定的。
4. 激光熔覆层通过450℃保温1.5h回火处理后，强韧性达到比较好的配合状态。在相同的磨损条件下和磨损时间内，激光熔覆磨损试件比堆焊磨损试件的磨损失重量要小50%以上。同时，通过扫描电镜对磨损面进行对比分析。均可见回火处理后的激光熔覆层(WF372)比堆焊层(D667)的耐磨性好。 |
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