EA4T鋼表面激光熔覆Fe314合金熔覆層的微觀組織及性能

李叢辰，陳文靜，向　超，蔡　擎

（1.西華大學材料科學與工程學院，四川成都610039；2.中油濟柴動力總廠成都壓縮機廠，四川成都610100）

EA4T鋼表面激光熔覆Fe314合金熔覆層的微觀組織及性能

李叢辰1，陳文靜1，向超2，蔡擎1

（1.西華大學材料科學與工程學院，四川成都610039；2.中油濟柴動力總廠成都壓縮機廠，四川成都610100）

在EA4T鋼表面激光熔覆Fe314合金熔覆層，采用金相顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）、能譜儀（EDS）、X射線衍射（XRD）及顯微硬度儀研究熔覆層微觀組織及物相結(jié)構(gòu)，并分析熔覆試樣的力學性能。結(jié)果表明，F(xiàn)e314合金熔覆層成型良好，無缺陷。熔覆層底部組織由平面晶與平面晶上方垂直于界面生長的粗大樹枝晶組成，中部與上部組織以交叉樹枝晶為主。熔覆層主要由奧氏體枝晶與枝晶間的（Cr、Fe）7C3相組成。熔覆層的顯微硬度值高于基體，熔覆試樣抗拉強度升高，但塑性韌性降低。沖擊試樣斷口熔覆層為宏觀上解理斷裂，微觀上局部準解理斷裂的混合斷裂機制，基體為宏觀上小孔聚集型斷裂，微觀上準解理斷裂的韌性斷裂機制。

激光熔覆；Fe314合金；顯微組織；力學性能

0　前言

激光熔覆技術(shù)是一種新型的表面改性技術(shù)，它利用高能密度的激光束，使材料表面形成與基材具有不同的成分、組織結(jié)構(gòu)與性能的合金熔覆層。激光熔覆技術(shù)廣泛應用于失效零件的再制造和精密零件的直接成型等領域，與傳統(tǒng)的表面技術(shù)熱噴涂、等離子堆焊、埋弧堆焊相比，它具有熔覆材料體系廣泛、稀釋率低、基體熱變形小、熔覆層與基體冶金結(jié)合等特點。激光熔覆合金粉末主要包括鎳基、鈷基和鐵基三大系列。目前，與鎳基、鈷基合金熔覆材料相比，鐵基合金在激光熔覆技術(shù)中的應用已經(jīng)相對成熟，在技術(shù)成本上優(yōu)勢明顯，并且在某些方面具有與鎳基、鈷基合金同樣的性能。因此，今后對鐵基合金的研究將會成為重點[1-3]。高速列車中車軸是十分重要的承載部件，其疲勞破壞直接危及運輸安全，由斷軸導致的脫軌后果是災難性的。高速列車在行駛過程中，車軸往往處于大負荷工況條件下，其表面會因疲勞載荷、腐蝕環(huán)境和離散源載荷等綜合作用造成損害導致災難性的破壞[4]。如果車軸在失效后報廢，不僅會增加成本還會造成資源浪費，與綠色循環(huán)經(jīng)濟原則不符。因此，采用激光熔覆技術(shù)對車軸進行再制造，使其達到使用性能。目前針對激光熔覆再制造高速列車車軸的研究非常少，本研究采用半導體激光器對EA4T車軸鋼表面熔覆Fe314合金粉末，通過觀察熔覆試樣組織形貌、物相分析、力學性能測試等試驗，分析熔覆試樣的微觀組織與性能，可為激光熔覆技術(shù)應用于高速列車車軸再制造作技術(shù)積累。

1　試驗方法和過程

1.1試驗方法

選擇EA4T車軸鋼為基體材料，EA4T是一種低碳高合金鋼，主要用于地鐵車軸和高速列車車軸。熔覆粉末為Fe314合金粉末，該粉末成型性能優(yōu)異，抗開裂性能好。激光熔覆試驗采用DISTA-3000半導體激光器，配合載氣式送粉器，以側(cè)向式同步送粉方式熔覆，同時對熔池施加氬氣保護。基體材料與Fe314合金粉末化學成分見表1。

表1　基體材料與Fe314合金粉末化學成分Tab.1Chemical composition of base metal and Fe314 powder％

1.2試驗過程

熔覆試驗前，用砂紙將基體表面打磨除銹，將Fe314粉末置于120℃的真空干燥箱內(nèi)保存1 h，排除水分對試驗的影響并且提高粉末的流動性。激光熔覆工藝參數(shù)：激光恒定功率2 100 W，掃描速度6 mm/s，光斑直徑5 mm，送粉電壓13 V，搭接率50％。熔覆堆積試驗時前一道熔覆層熔覆之后，后一道熔覆層在前一道的熔覆起點處開始搭接熔覆。

熔覆后將試樣沿平行于掃描方向線切割，將橫截面制成金相試樣，基體的腐蝕劑為4％硝酸酒精溶液，熔覆層的腐蝕劑為王水溶液。用Olympus GX-51型金相顯微鏡（OM）和S3400N型掃描電鏡（SEM）進行微觀組織觀察與沖擊斷口表征，并用掃描電鏡附帶的能譜儀（EDS）進行不同區(qū)域和各相的成分分析。顯微硬度采用HVS-1000型顯微硬度計，載荷1.96 N，加載時間20 s。利用D2500型X射線衍射儀（XRD）對激光熔覆層進行物相分析。激光熔覆試樣的室溫拉伸性能試驗按照GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗方法》進行，試樣尺寸如圖1所示。常溫沖擊性能測試按照GB/T 229-1994《金屬夏比U型缺口沖擊試驗方法》進行，試樣尺寸如圖2所示。

圖1　室溫拉伸試樣尺寸Fig.1Size of tensile test specimen at room temperature

圖2　沖擊試樣尺寸Fig.2Size of impact test piece

2　實驗結(jié)果和討論

Fe314合金經(jīng)過激光熔覆后試樣的縱向截面如圖3所示。激光熔覆制備的試樣成型良好無缺陷，獲得的搭接熔覆層表面呈灰色金屬光澤，無明顯氧化現(xiàn)象。從縱向截面圖中可清晰地分辨出熔覆層、結(jié)合區(qū)、熱影響區(qū)與基體。激光熔覆后獲得的Fe314合金熔覆層斷面厚度約1.5 mm，熔覆層與基體呈現(xiàn)出良好的冶金結(jié)合。

圖3　熔覆層斷面Fig.3Cross section of coating

2.1Fe314激光熔覆層的顯微組織及物相分析

2.1.1顯微組織

圖4a為熔覆層結(jié)合區(qū)與基體熱影響區(qū)的顯微組織。結(jié)合區(qū)的組織由熔覆層底部的平面晶與平面晶上方垂直于界面生長的粗大樹枝晶組成。熔覆層中部與上部組織由交叉樹枝晶組成，如圖4b所示。

圖4　激光熔覆Fe314合金試樣顯微組織形貌Fig.4Microstructure morphology of laser cladding Fe314 alloy

由快速凝固理論可知，熔覆層的凝固組織是由合金的成分、溫度梯度G、界面能與凝固速度v等共同決定的，尤其取決于溫度梯度與凝固速度兩者的比值G/v。在凝固過程開始時，凝固界面處的G/v值很大并且?guī)缀鯖]有成分過冷，所以在熔池的底部生長出平面晶。在遠離熔池底部的區(qū)域，G/v值迅速減小，由于溶質(zhì)富集，出現(xiàn)成分過冷，開始出現(xiàn)樹枝晶組織。在激光熔覆的過程中，晶粒的擇優(yōu)生長方向與最大熱流方向一致，因為熔覆層要通過基體散熱，在垂直于界面方向熱流密度最大，樹枝晶組織逆著熱流方向外延生長，但是凝固速度依然很小，此時的樹枝晶為柱狀樹枝晶。隨著固液界面繼續(xù)向熔覆層內(nèi)部推進，由于合金熔體的對流攪動作用增強且稀釋程度降低，抑制了柱狀樹枝晶的生長。同時，固液界面前沿溫度梯度逐漸減小，凝固速度變大，所以生長出較細的樹枝晶。此時，熱流不再單一的通過基體散熱，開始向周圍環(huán)境輻射熱量[5]。熔覆層的頂部出現(xiàn)組織細小且取向不同的枝晶，這是因為熱流方向由垂直于界面變?yōu)橹饾u與掃描方向平行的方向，在保護氣體的流動與熱流的共同作用下，形成了細小且取向改變的樹枝晶。

2.1.2物相分析

如圖5a所示，樹枝晶枝干的顏色與枝間存在明顯的差別，說明熔覆層組織處于非平衡、亞結(jié)晶狀態(tài)。由熔覆層內(nèi)樹枝晶與樹枝晶間組織的能譜分析結(jié)果（見圖5b）表明，樹枝晶以Fe、Cr元素為主，并且溶解了Ni、Si元素。而樹枝晶晶間的成分與樹枝晶相比Fe含量減少，Cr含量明顯增加。由X射線衍射結(jié)果可以得出（見圖6），在熔覆層中存在的物相主要有奧氏體、Cr7C3，但是其衍射數(shù)據(jù)的d與標準衍射卡片相比略有減小，綜合能譜研究結(jié)果可得，Cr、Si等元素固溶于奧氏體中，同時，F(xiàn)e等元素被Cr7C3中Cr元素部分替代，形成的物相為（Cr，F(xiàn)e）7C3，因此導致了上述物相發(fā)生晶格畸變[6]。所以，熔覆層的顯微組織是由奧氏體枝晶與枝晶間的碳化物組成。

2.2Fe314激光熔覆層的力學性能

2.2.1顯微硬度

基體熱影響區(qū)到熔覆層表層的顯微硬度分布如圖7所示。熔覆層的硬度HV0.2都在338～404變化，高于基體的平均硬度HV0.2205～360。顯微硬度在熔合界面附近達到峰值，隨著與界面距離的增加顯微硬度值逐漸下降。由能譜與XRD實驗結(jié)果分析表明，熔覆層內(nèi)部奧氏體中固溶了較多的合金元素，枝晶間析出了高硬度的碳化物，使得熔覆層硬度提高。由于基體中的碳元素向熔覆層內(nèi)部擴散，熔覆層底部熔入大量碳元素，使得界面到熔覆層內(nèi)部極小的距離內(nèi)硬度依然很高。隨著向熔覆層內(nèi)部延伸，組織由柱狀晶組織變?yōu)榻徊鏄渲7]。在整個熔覆層中顯微硬度波動不大，說明熔覆層內(nèi)組織均勻。

圖5　熔覆層組織Fig.5coating microstructure

圖6　熔覆層X射線衍射圖Fig.6X-ray diffraction spectra of coating

圖7　熔覆試樣截面顯微硬度Fig.7Microhardness distribution of coating

2.2.2拉伸性能與沖擊韌性

基體試樣進行拉伸試驗，試樣最大抗拉強度與上屈服強度分別為880 MPa和580 MPa。熔覆試樣在拉伸的過程中均產(chǎn)生明顯的塑性變形，斷裂位置位于中間段，最大抗拉強度與上屈服強度分別為1 140 MPa和530 MPa，與基體試樣相比，最大抗拉強度上升了29.5％，上屈服強度下降了8％，同時延伸率與斷面收縮率明顯下降，試驗結(jié)果均大于標準規(guī)定值（抗拉強度大于650MPa，屈服強度大于420MPa），如表2所示。由于熔覆層內(nèi)合金元素的固溶強化作用與碳化物的彌散強化作用，熔覆層強度升高而塑性韌性下降，從而使得熔覆試樣整體強度提升、塑性下降[8]。

表2　熔覆試樣與基體的機械性能試驗結(jié)果對比Tab.2Comparison of the mechanical properties of coating and substrate

室溫沖擊性能結(jié)果表明，熔覆試樣的沖擊韌性均低于基體，熔覆試樣的沖擊韌性為基體的29％～ 51％。激光熔覆試樣的室溫沖擊斷口形貌如圖8所示。熔覆層斷口表面呈凹凸起伏平滑塊狀，基體斷口存在有纖維區(qū)與放射區(qū)。熔覆層斷口呈現(xiàn)出脆性斷裂特征，斷口中存在著撕裂棱，準解理面與二次裂紋，表現(xiàn)為宏觀上解理斷裂和微觀上局部準解理斷裂的混合斷裂機制。基體斷口上分布著小而淺的韌窩與準解理面，因此為宏觀上小孔聚集型斷裂和微觀上準解理斷裂的韌性斷裂機制[9]。熔覆層的存在增大了熔覆試樣的脆性，這與熔覆試樣的延伸率與斷面收縮率大大下降的拉伸試驗結(jié)果一致。

圖8　激光熔覆試樣的沖擊斷口形貌Fig.8Impact fracture morphology of laser cladding specimen

3　結(jié)論

（1）在EA4T鋼表面激光熔覆Fe314合金，熔覆層成型好，與基體形成良好的冶金結(jié)合。結(jié)合區(qū)的組織由熔覆層底部的平面晶與平面晶上方垂直于界面生長的粗大樹枝晶組成，熔覆層中部與上部組織由交叉樹枝晶為主。

（2）Fe314合金熔覆層主要是由奧氏體枝晶與枝晶間的（Cr、Fe）7C3相所組成的。

（3）熔覆層的硬度值HV0.2在338～404之間變化，基體的硬度值HV0.2為205～360。合金元素在奧氏體中的固溶、以及枝晶間碳化物的析出是熔覆層硬度升高的主要原因。

（4）熔覆試樣抗拉性能增加，屈服強度與抗拉強度均高于標準值，但塑性韌性降低。沖擊試樣斷口熔覆層為宏觀上解理斷裂，微觀上局部準解理斷裂的混合斷裂機制，基體為宏觀上小孔聚集型斷裂，微觀上準解理斷裂的韌性斷裂機制。

[1]徐濱士，董世運，朱勝，等.再制造成形技術(shù)發(fā)展及展望[J].機械工程學報，2012，48（15）：96-105.

[2]孫會來，趙方方，林樹忠，等.激光熔覆研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].激光雜志，2008，29（1）：4-6.

[3]董世運，馬運哲，徐濱士，等.激光熔覆材料研究現(xiàn)狀[J].材料導報，2006，20（6）：5-9.

[4]周素霞.高速列車空心車軸損傷容限理論與方法研究[D].北京：北京交通大學，2009.

[5]Song J，Deng Q，Chen C，et al.Rebuilding of metal components with laser cladding forming[J].Applied Surface Science，2006，252（22）：7934-7940.

[6]單際國，丁建春.鐵基自熔合金光束熔覆層的微觀組織及強化機理[J].焊接學報，2001，22（4）：1-4.

[7]閆世興，董世運，徐濱士，等.Fe314合金激光熔覆工藝優(yōu)化與表征研究[J].紅外與激光工程，2011，40（2）：235-240.

[8]Li K，Li D，Liu D，et al.Microstructure evolution and mechanical properties of multiple-layer laser cladding coating of 308L stainless steel[J].Applied Surface Science，2015（340）：143-150.

[9]上海交通大學.金屬斷口分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，1979.

Microstructure and properties of Fe314 alloy cladding layer by laser cladding on EA4T steel

LI Congchen1，CHEN Wenjing1，XIANG Chao2，CAI Qing1
（1.School of Materials Science and Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China；2.Petroleum Jichai Power Plant，Chengdu Compressor Factory，Chengdu 610100，China）

Laser cladding Fe314 alloy on EA4T steel substrate，the microstructure of the cladding layer and mechanical properties was analyzed by optical microscope（OM），scanning electron microscope（SEM），energy dispersive X-ray diffraction（EDS），X ray diffraction（XRD）and microhardness tester.The experimental results show that the Fe314 alloy cladding layer is well formed and has no defects.The microstructures of bottom region of cladding layer are mainly planar crystal and coarse dendrites which is perpendicular to the growth of the interface in the plane crystal，in the middle and upper part of cladding layer the main structure is cross dendritic crystal.Cladding layer is mainly composed of austenitic dendrites and（Cr，F(xiàn)e）7C3 phase of interdendritic.Microhardness of Cladding layer value is higher than the substrate，and the cladding specimen tensile strength increases，but plastic toughness reduces. Impact fracture of cladding layer performance for the cleavage fracture in macro and quasi-cleavage crack in micro.Impact fracture of substrate performance for the small hole aggregation type fracture in macro and quasi-cleavage crack in micro.

laser cladding；Fe314 alloy；microstructure；mechanical properties

TG456.7

A

1001－2303（2016）05－0073-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.16

2015－10－12；

2016－01－16

四川省教育廳資助項目（15ZA0133）；四川省科技廳資助項目（14201508）

李叢辰（1991—），男，甘肅天水人，在讀碩士，主要從事激光再制造技術(shù)方面的研究工作。