關于激光熔覆表面涂層高硬度工件的工藝操作改進研究

許文昊，侯二明，張夢陽，閆 飛

（唐山鋼鐵集團 檢修分公司，河北唐山 063016）

0 引言

對唐鋼不銹鋼工件，進行激光熔覆高硬度涂層修復的攻關階段，多層疊加熔覆后表面容易產生裂紋，或熔覆硬度不滿足要求（低于50HRC），或熔覆層硬度過高（大于58HRC）造成后道車削工序加工困難。

通過對多種粉末進行熔覆檢測試驗，并重新研究激光熔覆高硬度涂層的工藝參數，設計出一種熔覆厚度超過2.5mm 且熔覆層無缺陷、硬度在52～56HRC 之間的高硬度涂層。

1 高硬度涂層激光熔覆粉末與設備、工藝匹配情況

1.1 粉末與激光熔覆設備的匹配

使用的激光熔覆設備是laserline 廠家的3000W 激光器（1#激光器），光斑大小3mm，載氣送粉，載氣介質使用氮氣，使用內孔熔覆頭對待修復工件進行內孔熔覆，保護氣體采用氮氣。

采用激光熔覆工藝參數大致在2000W～2300W，行走速度（10～15）mm/s，送粉速率（10～12）g/min。

激光熔覆粉末采用鐵基粉末，選用三家廠家提供的4 種熔覆粉末進行試驗（試樣編號1～5），粉末理論硬度在50～60HRC，采用相同工藝參數，單層熔覆厚度在0.5mm～0.8mm，熔覆五層，進行硬度檢測和表面著色探傷，實際熔覆效果如表1 所示。

根據表1 提供數據，只有編號2 激光粉末硬度在50HRC 以上，其他激光粉末均達不到硬度要求，但編號2 激光粉末在常規熔覆條件下（基材不預熱）容易產生裂紋，以上1～5 編號激光熔覆粉末均不滿足使用要求。

表1 4 種激光粉末熔覆層硬度及探傷情況

使用另一臺激光器（2#激光器，外孔頭，laserline 廠家的3000W 激光器，光般大小1.8mm），對編號1 激光粉末按照同等工藝進行熔覆（試樣編號5），熔覆厚度在0.5～0.8mm 之間，熔覆三層，熔覆后打磨表面，進行著色探傷和硬度檢測。

探傷結果如表1 所示，編號5 試樣硬度與熔覆層表面質量最佳。

編號5 與編號1 試樣對比，工藝相同，激光光斑大小發生變化，根據激光功率密度概念推測，編號1 試驗的激光粉末在功率密度[1]增加的條件下，硬度隨之提高。

1.2 激光工藝參數對粉末熔覆層的影響

激光器內孔修復改變光斑大小成本太高，在與其他激光熔覆研究的學習和借鑒中[2]，決定通過改變工藝參數提高熔覆層的硬度，同時確保熔覆層的質量（無裂紋、氣孔等缺陷）。

根據之前對粉末的試驗檢測，本次試驗選用的粉末為編號1 試樣粉末，具體工藝改進方案如下：

（1）提高功率，增加熔覆層功率密度。

（2）降低送粉量，變向增加單位面積功率與粉末含量之比。

對此，具體設計工藝參數，熔覆4 層，熔覆長寬40mm×40mm，檢測硬度并進行著色探傷，使用1#激光器內孔激光頭熔覆，具體設計參數及熔覆層效果如表2 所示。

表2 試樣1 激光粉末不同工藝下硬度、質量情況

根據熔覆試驗結果可知，其他工藝不變的前提下，隨著功率提高，硬度增加，但增幅較小，受限于激光器功率上限（0～300W），方案由改變工藝參數調整為降低送粉量，隨著送粉量減少，熔覆試樣硬度增加。

但當送粉量降低到8g/min 以下時，單層熔覆層厚度不足0.35mm，變向增加了熔覆層層數，且隨著熔覆層層數的逐漸增加，高硬度涂層產生裂紋幾率逐漸提高。

進行檢測試驗，當采取功率2300W、行走速度15mm/s、送粉量4g/min 的參數進行多層疊加時發現，單層熔覆層厚度低于0.2mm，熔覆試樣40mm×40mm，熔覆8 層，進行著色探傷時發現縱裂紋。

2 粉末成分對熔覆層硬度、質量的影響

通過四種粉末的熔覆測試，以及對設備、工藝參數的改進試驗，發現試樣2 激光粉末硬度能夠滿足要求，但常規熔覆后著色探傷發現縱裂紋，試樣11 調整參數后滿足要求，但單層熔覆層厚度過低，使用金屬成分分析儀對試樣2、試樣11 進行金屬成分檢測，檢測結果如表3 所示。

表3 試樣金屬成分檢測表 w/%

根據金屬成分分析，試樣2、試樣11 金屬成分分別屬于1Cr13、1Cr17Mn9Ni4N。試樣11 中C、Si 含量低于試樣2，但Cr、Ni 含量高于試樣2，對此，總結之前激光熔覆粉末研究者的經驗[3]，分析若通過調整試樣金屬成分，混合形成一種新的粉末，是否可以結合兩種試樣的優點，熔覆單層厚度超過0.5mm，熔覆硬度大于50HRC，且熔覆層對車削加工影響不大。

兩種粉末大小相差不大，均屬于鐵基粉末，成分含量基本屬于同一類型，從理論上混合使用得出的混合粉末應具備兩種粉末的熔覆性能。設計對比試驗，按照一定規則將兩種粉末進行硬度、成分、表層質量的檢測分析。

制備粉末，按照2000W 功率、10g/min 送粉量參數下的試樣12（成分檢測屬于1Cr17Ni2，具體成分見表3），熔覆4 層（40mm×40mm），常規熔覆著色探傷后無質量缺陷，熔覆硬度在52～55HRC之間，單層熔覆厚度0.55～0.6mm，滿足設定的工件修復高硬度涂層要求。

其他條件不變，將試樣12 粉末送粉量提高到15g/min 后，熔覆層著色探傷后無質量缺陷，成分仍屬于1Cr17Ni2，但熔覆層硬度降低到45～48HRC，據前人研究結果分析[4]，應與熔覆層成型形成的組織結構有關。

3 總結

通過對多種鐵基激光粉末熔覆后的涂層進行試驗檢測，最終確定的粉末按照一定工藝參數進行熔覆后，硬度、熔覆層質量滿足工件修復要求，并在攻關中取得了很多激光熔覆的寶貴經驗。

（1）粉末性能與熔覆選擇的激光設備有關，當激光器功率密度范圍值越大時，越能獲得滿足要求的熔覆層性能，當功率密度一定時，增加功率或降低送粉量，有可能提高熔覆層硬度，反之則可能降低熔覆層硬度。

（2）通過調整鐵基粉末金屬成分，可以優化現有粉末的熔覆性能，使其適應當前激光設備，并獲得滿足激光熔覆需求的硬度、熔覆質量、耐磨等性能。