金屬構件激光熔覆強化的研究

張敏華

（西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089）

金屬構件激光熔覆強化的研究

張敏華

（西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089）

以45鋼作為基體材料，對激光熔覆工藝參數中的激光熔覆功率、掃描速度對熔覆層質量的影響進行了探討，并得出最佳的激光熔覆工藝參數。對試件進行了激光熔覆修復實驗，修復后試件的表面硬度、耐磨性、耐腐蝕等性能得到明顯提高。

機械制造；激光熔覆；強化；功率；掃描速度

1 引言

社會的可持續發展已經成為世界各國共同關注的話題。綠色再制造是當前工業領域實現經濟循環發展模式的重要技術途徑。眾所周知，金屬材料及結構的失效往往是從表面開始的，因此表面工程技術在金屬結構強化和修復中起著重要作用[1][2]。在工業生產中，很多重要零部件處在惡劣條件下工作。當生產工藝定型后，它們的耐用性就成為發展生產、降低成本的限制性環節之一。

激光熔覆是現代材料科學中逐漸興起的一項技術，特別在合金化金屬粉末制備技術獲得成熟工程應用后，激光熔覆和結構再制造技術得到了很大發展[3]。激光熔覆技術是表面改性技術的一種，主要特點是可以提高機構的表面硬度、耐磨性、耐腐蝕等性能，得到細小的晶體組織結構，改善構件的綜合機械性能，最重要的是可修復因磨損或者其他原因而引起的失效零件，延長零件的使用壽命[4][5]。

本文重點對激光熔覆工藝參數的選擇以及激光熔覆后構件的表面硬度、耐磨性、耐腐蝕等機械性能進行了對比研究。

2 實驗材料及設備

本實驗所用熔覆層材料為一定含量碳化鎢（鈷包碳化鎢）的Ni60合金粉末，實驗選用基體45鋼，尺寸50mm×50mm×5mm的薄板材料，表面硬度39HRC。

實驗所用激光器為DL－HL－T5000B高功率二氧化碳橫流激光器，技術性能參數如表1所示。多模輸出，最大輸出功率5kW，波長10.6μm，工作氣體CO2、N2和 Ar，氣體比例 CO2∶N2∶Ar=1∶8∶7，氣體純度為99.99%。

表1 TJ－HL－T5000型橫流電激勵連續CO2激光器主要技術性能參數

實驗工作臺為SIEMENS數控機床。四軸聯動，移動精度±0.2mm。可編程自動控制。

3 實驗研究

3.1 激光熔覆工藝參數的選擇

激光熔覆工藝參數對熔覆層質量以及熔覆效果起到至關重要的作用，所以金屬試件修復前，工藝參數的選擇尤為重要，對修復效果起決定性作用。

激光工藝參數主要有激光功率P、激光掃描速度Vs、激光光斑直徑D、預置粉末厚度B、搭接率Fe、送粉率Vg等，另外，基體與熔覆層材料是否預熱和后熱也會影響熔覆層質量。

本文重點對激光熔覆工藝參數中的激光功率P、激光掃描速度Vs進行研究。

3.1.1 激光功率對熔覆層洛氏硬度的影響

激光功率是激光加工工藝參數中重要的參數之一。它的變化會引起熔覆過程中熔覆材料熔化溫度的改變，進而影響到熔覆層的顯微組織和洛氏硬度。

如圖1所示，為掃描速度1000min－1時，不同激光功率條件下硬度分布曲線圖。

圖1 硬度隨激光功率的變化

由圖可見，隨著激光功率增加，洛氏硬度出現先增加后減小的趨勢，當激光功率為3.0kW時平均硬度值最大為67HRC。

熔凝區域的硬度值隨激光功率的增大而增大，達到最大值后又隨功率增大而減小。隨著功率的變化，熔覆層的平均硬度在60～67HRC之間變化，明顯高于基體硬度，是基體平均硬度的2～3倍，顯然相對于基體，熔覆層的硬度得到顯著提高。

出現上述情況的原因是：在其他工藝參數一定情況下，隨著輸出功率的增加，單位時間內作用于熔覆層材料的能量增大，使熔覆層組織相變過程充分，又因為激光加工的特點是瞬間作用、冷卻速度快，致使晶粒組織成長時間短，晶粒組織細化，從而得到較高硬度的熔覆層。隨著激光功率的不斷增加，當激光功率超過一定程度后，功率密度過大使更多的基體材料熔化、過熱，表層組織出現過熱組織結構，使表層硬度明顯下降。其次，隨著激光功率的增加，傳遞給熔覆層的能量不斷增大，加快了基體與熔覆層之間相互滲透作用，稀釋率加大，基體中元素大量擴散進入熔覆層，因此熔覆層的硬度開始明顯降低。

3.1.2 激光掃描速度對熔覆層宏觀形貌的影響

圖2為不同掃描速度下激光熔覆試件的宏觀形貌對比。當激光功率為3.0kW、掃描速度為600min－1時熔覆性較差，出現凹凸不平的表面；掃描速度為1200min－1時出現熔不透現象，有淚滴狀顆粒；掃描速度為800min－1與1000min－1時，熔覆效果差別不大，尤其當掃描速度為1000min－1時，表面光滑，熔覆效果理想。通過對比發現，在熔覆功率相同情況下，表面熔覆宏觀形貌在掃描速度為1000min－1時為最佳，表面比較平整，搭接處也比較理想。

圖2 不同掃描速度下熔覆層宏觀形貌（a）v=600min－1 （b）v=800min－1 （c）v=1000min－1（d）v=1200min－1

實驗對比分析得出，激光熔覆效果在工藝參數為P=3.0kW、v=1000min－1時表現最佳，所以最后熔覆工藝參數選定為 P=3.0kW、v=1000min－1。

3.2 實驗結果與分析

分別以未做任何修復的試件與激光修復后的試件為研究對象，對激光修復前后的表面硬度、耐磨性、耐腐蝕等性能進行對比研究。

3.2.1 激光熔覆后表面硬度的對比

分別對基體與熔覆層表面在維氏硬度計上打硬度，將其統一轉化為洛氏硬度，平均值作為參考值，基體硬度值為39HRC，熔覆層硬度值為59HRC。熔覆層的硬度明顯比基體的硬度高。這是因為激光加工的特點是瞬間作用、冷卻速度快，致使晶粒組織成長時間短，晶粒組織細化，熔覆層的共晶組織形態更加明顯，呈現出排列相當整齊的樹枝晶[7][8]。如圖3所示。

3.2.2 激光熔覆后耐磨損性能的研究

把激光熔覆前后的試件在MMU-5G摩擦磨損試驗機上進行磨損試驗，磨損時間為30min。未經過激光熔覆基體磨損量為1050mg，激光熔覆磨損量為150mg。可見激光熔覆處理前后試件的耐磨性差別很大。未做處理的試件其耐磨性明顯較差，磨損量較大，磨損形貌為較深的劃痕，磨痕明顯有深淺不一的溝槽。而激光熔覆后的試件，磨損較少，磨痕不深，磨后表面比較光滑。

這是因為激光熔覆層基體組織十分細小，且熔覆層中含有大量的碳化物強化相，進而有細晶強化和固溶強化作用，使熔覆層具有較高的強度和耐磨性。

3.2.3 激光熔覆后耐腐蝕性能的研究

以熔覆前后試件為研究對象，分別對其腐蝕10min后，熔覆后的試件組織較清晰，未做處理的試件已經出現明顯腐蝕，組織已經基本看不出其形貌（圖4）。可見激光熔覆后試件的耐蝕性能得到明顯提高。

圖3 熔覆層組織

圖4 5%硝酸酒精溶液腐蝕10min微觀組織（a）未處理的試件 （b）激光熔覆后試件

4 結論

（1）激光熔覆工藝參數對激光熔覆層宏觀形貌、微觀組織、硬度、耐磨性都起到關鍵性作用。所以科學合理的工藝參數對熔覆效果有重要作用。根據討論得出最佳熔覆工藝參數：激光熔覆功率為3.0 kW，掃描速度為1000min-1。

（2）通過對熔覆前后試件熔覆層硬度、耐磨性和耐蝕性進行對比實驗研究得出，激光熔覆處理后試件的力學性能得到明顯的提高。

[1] 徐濱士，劉世參,史佩京，等.汽車發動機再制造效益分析及對循環經濟貢獻研究.中國表面工程，2005，（1）：1-7.

[2] 郎 娟，邢志華，朱起云.激光表面改性技術在工業中的應用.中國設備工程，2003，（8）：17-18.

[3] 張曉輝.激光熔覆技術在零件修復上的應用.機械工人，2003，（11）：30-32.

[4] 王茂才，段緒海.激光熔覆（焊）技術在航空發動機生產中的應用.熱加工，2007，（6）：45-47.

[5] 鄒 輝.利用激光熔覆技術修復齒輪[J].制造工藝，2006，（6）：20-24.

[6] 邱星武，李 剛，邱 玲.激光熔覆技術發展現狀及展望[J].稀有金屬與硬質合金，2008，36（3）：54-66.

[7] 歐陽志明.T10鋼激光熔覆與熔覆層性能研究.華東交通大學大學碩士學位論文[M].2006，7-13.

[8] 張曉燕，許樹勤，劉應忠，張宏亮.耐腐蝕高頸法蘭胎膜鍛成形的數值模擬[J].鍛造裝備與制造技術，2009，43（2）：69-71.

Research on laser cladding on metal material

ZHANG Minhua
（Office of Academic Affairs,Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute,Xi'an 710089,Shanxi China）

The influence of laser cladding parameters including power and scanning speed on quality has been discussed based on 45 steel.The optimized laser cladding parameters have been obtained.The laser cladding repairing experiment has been executed to the work piece.The functions of work piece after the experiment including the surface harness,anti-wear,and anti-corrosion have been improved obviously.

Laser cladding;Hardening;Power;Scanning speed

TG113.26

B

1672－0121（2012）02－0073－03

2011-12-07

張敏華（1971－），男，副教授，從事強化與再制造研究