激光功率對(duì)2Cr13不銹鋼激光熔覆涂層的影響

吳金濤

摘要： 以某注水泵柱塞為研究對(duì)象，針對(duì)柱塞在工作過(guò)程中出現(xiàn)的磨損失效問(wèn)題展開(kāi)研究。采用激光熔覆工藝在2Cr13不銹鋼表面熔覆Ni60+25%WC復(fù)合粉末，研究了當(dāng)掃描速度不變時(shí)，激光功率對(duì)熔覆層的顯微組織和硬度分布情況的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熔覆層組織主要由樹(shù)枝狀晶組成，當(dāng)功率為1200W時(shí)熔覆層組織中出現(xiàn)了些明顯聚集粗化的枝晶組織，和一些呈塊狀分布的組織（白亮組織），在該情況下熔覆層表現(xiàn)出最高的硬度HV0.1=1050，是基體硬度的3倍多，因此，激光熔覆工藝可以被用于提高零件表面硬度及耐磨性，最終確定在掃描速度為450mm/min，功率為1200W。

Abstract： Taking a plunger of a water injection pump as the research object， this paper studies the wear failure of the plunger during the working process. The Ni60 + 25% WC composite powder is deposited on the surface of 2Cr13 stainless steel by laser cladding. The effect of laser power on the microstructure and hardness distribution of cladding layer when the scanning speed is constant is studied. The experimental results show that the cladding structure is mainly composed of dendritic crystals； when the power is 1200W， there were some aggregated coarsening dendrites and some massive tissue （white light organization）， in this case， the cladding layer exhibits the highest hardness HV0.1 = 1050， which is more than three times of the hardness of substrate. Therefore， the laser cladding process can be used to improve the surface hardness and wear resistance， and it ultimately determines that the scanning speed is 450mm/min and the power is 1200W.

關(guān)鍵詞： 激光熔覆；Ni60+25%WC復(fù)合粉末；顯微組織；硬度

Key words： laser cladding；Ni60 + 25% WC composite powder；microstructure；hardness

中圖分類(lèi)號(hào)：TG174.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）22-0213-03

0 引言

再制造技術(shù)是一種針對(duì)廢舊零件進(jìn)行的一項(xiàng)修復(fù)工藝，該工藝減少了零件毛坯的制造過(guò)程，是獲得更大經(jīng)濟(jì)效益、更少的資源消耗、對(duì)環(huán)境污染少的一種先進(jìn)的制造模式[1]，也是符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)綠色系統(tǒng)工程[2]。

激光熔覆技術(shù)是一種先進(jìn)的表面處理技術(shù)，它是通過(guò)將高能密度的激光束照射在材料表面，直至表面達(dá)到熔化狀態(tài)，形成熔池，通過(guò)預(yù)置粉末或是同步送粉將熔覆材料冶金結(jié)合到基體材料表面，當(dāng)激光束移開(kāi)后，熔池再以極快的冷卻速度冷卻（104K/s）[3]，最后形成熔覆層。一般情況下，根據(jù)表面性能需要，可以熔覆不同的粉末材料來(lái)獲得相應(yīng)的耐磨性[4-5]、耐蝕性[6]、高溫抗氧化性能[7]等。影響涂層質(zhì)量的因素很多，包括激光功率、掃描速度、送粉量、光斑直徑等。

本文以某注水泵柱塞為研究對(duì)象，針對(duì)柱塞在工作過(guò)程中出現(xiàn)的磨損失效、沖蝕問(wèn)題展開(kāi)研究，如圖1所示是該零件表面失效位置。這種失效造成注水泵壓力和效率降低，嚴(yán)重影響水泵的工作。若直接更換，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行效率低，影響正常生產(chǎn)，且每年就注水泵維護(hù)費(fèi)用非常之高。本文針對(duì)該組合閥失效問(wèn)題，采用激光熔覆工藝進(jìn)行了修復(fù)再制造，減緩資源緊張與資源浪費(fèi)，減少失效或報(bào)廢產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的危害，達(dá)到失效零件再制造、再利用、降低成本的目的。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

該組合閥材料為2Cr13不銹鋼，因此試驗(yàn)過(guò)程中直接選擇2Cr13不銹鋼為基材，通過(guò)檢測(cè)，其化學(xué)成分如表1所示，制備試樣尺寸為φ14×8mm。涂層粉末選擇耐蝕性和耐磨性較好的Ni60+25%WC復(fù)合粉末，粉末粒度40-80μm，其化學(xué)成分如表2所示。

1.2 熔覆工藝與性能測(cè)試

采用laserline系列LDM2.000-60激光熔覆系統(tǒng)制備熔覆試樣，試驗(yàn)方案如表3所示。采用KH1300三維視頻顯微鏡觀察顯微組織，HXD-1000TMC/2000TMC/LCD帶圖像分析自動(dòng)轉(zhuǎn)塔顯微硬度計(jì)在加載1.961N，保壓10s的測(cè)定條件下進(jìn)行硬度測(cè)試。

2 結(jié)果分析

2.1 顯微組織分析

如圖2所示當(dāng)激光功率為1200W時(shí)不同掃描速度下熔覆層的宏觀組織，從圖中可以看出當(dāng)掃描速度為350 mm/min時(shí)，熔覆層中出現(xiàn)了較多的氣孔，隨著掃描速度的逐漸增大，熔覆層中氣孔量不斷減小，這是由于掃描速度慢時(shí)，熔覆層表面吸收的激光能量多，熔池的溫度高，熔池金屬吸收了較多的氣體，但是在凝固過(guò)程中這些氣體又不能完全逃逸，最終被“封存”在熔覆層中。

但是，經(jīng)過(guò)對(duì)熔覆層硬度分析發(fā)現(xiàn)，550mm/min時(shí)熔覆層的硬度并不是最高，分析原因是由于掃描速度太大，導(dǎo)致粉末中WC粉末不能有效熔覆到熔覆層中，而是以原始的顆粒狀分布在熔覆層中，導(dǎo)致WC硬質(zhì)相顆粒脫落，降低了表面硬度，為此重點(diǎn)選擇了450mm/min的掃描速度進(jìn)行分析。

如圖3所示為掃描速度為450mm/min時(shí)不同功率下熔覆層中間部分的顯微組織，從圖中可以看出1000W時(shí)熔覆層的組織比較疏松，與圖2（a）表現(xiàn)出了相同的結(jié)果，同時(shí)，從1100W和1200W功率下，也發(fā)現(xiàn)在熔覆層中出現(xiàn)了少量的、體積較小的空洞。1200W時(shí)組織最為致密，熔覆層中出現(xiàn)了較大的樹(shù)枝狀組織（亮白組織），這種組織對(duì)于提高熔覆層的表面硬度具有非常明顯的效果。在1100W時(shí)，組織中出現(xiàn)了樹(shù)枝狀組織和一些等軸晶。如圖4所示是對(duì)三種功率下熔覆層與基體界面處的顯微組織照片，通過(guò)對(duì)熔覆層與基體的界面處的顯微組織分析發(fā)現(xiàn)，在1000W時(shí)熔覆層底部依然出現(xiàn)了比較多的空洞。由于在熔覆層底部，熔池的散熱條件基本相似，所以，在三種功率下，熔覆層底部都形成了樹(shù)枝狀組織，且樹(shù)枝晶的尺寸相似。

2.2 熔覆層硬度分析

如圖5所示為三種功率下熔覆層的硬度分布情況，從圖中可以看出，隨著激光功率的增大熔覆層的硬度不斷增大，在1200W功率下，熔覆層的表面硬度明顯高于另外兩種功率條件，但是1200W時(shí)表面的硬度分布不均勻，這與其顯微組織是密切相關(guān)的，前述在1200W時(shí)，表面熔覆層組織中出現(xiàn)了較大的樹(shù)枝狀組織（亮白組織），但是該組織分布不均勻，這導(dǎo)致表面的硬度分布波動(dòng)較大，同時(shí)在組織中依然存在的空洞也是造成硬度波動(dòng)的另一原因。從硬度分布曲線可以看出，大致的分布都是隨著距離熔覆層表面的距離增大硬度是逐漸減小，并在距離表層1.6mm處基本匯聚一點(diǎn)（達(dá)到了基體）。

從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)熔覆處理之后表面層的硬度都比基體的硬度高，說(shuō)明激光熔覆Ni60+WC粉末有效地提高了表層硬度，對(duì)改善零件表面的耐磨性是由幫助的，但由于功率不同，熔覆層中出現(xiàn)了不同的組織，導(dǎo)致表層的硬度出現(xiàn)很大的區(qū)別。雖然1200W時(shí)表面硬度分布不均勻，但從零件耐磨性方面考慮，1200W熔覆層中出現(xiàn)的最小硬度也在其他兩個(gè)功率硬度之上，所以，擬選用1200W作為該零件的修復(fù)工藝參數(shù)，結(jié)合前述的掃描速度的影響，最終選擇450mm/min掃描速度，和1200W的激光功率。

3 結(jié)論

采用激光熔覆工藝研究了2Cr13注水泵柱塞修復(fù)工藝，通過(guò)系列實(shí)驗(yàn)，最終得到如下結(jié)論：

①在三種條件下，熔覆層中都出現(xiàn)了一定數(shù)量的空洞。

②熔覆層表層的顯微組織和底部顯微組織，由于功率條件不同，產(chǎn)生了不一樣的組織，隨著功率的增大，組織中出現(xiàn)了除樹(shù)枝晶以外的等軸晶，在1200W時(shí)組織中出現(xiàn)了較大的樹(shù)枝狀組織。

③硬度測(cè)試結(jié)果表明，1200W時(shí)硬度分布雖不均勻，但是總體硬度值高于其他兩個(gè)功率條件，且硬度分布基本是隨著距離表面的距離增大而減小。

④最終確定修復(fù)方案為掃描速度為450mm/min，激光功率為1200W。

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