P20H基體激光熔覆Fe90合金粉末組織及性能

方 琳

（東莞理工學(xué)院城市學(xué)院，廣東 東莞 523000）

P20模具鋼常用于中、大型塑料模具制造。由材料硬度較低，使用過程中因熔融塑料中雜質(zhì)和填料沖刷，模具型腔磨損，導(dǎo)致模具失效[1]。工程中常用激光熔覆技術(shù)對塑料模具進(jìn)行快速、精密修復(fù)，以大幅度延長、提高模具壽命。但受激光功率的局限，激光熔覆的寬度較窄，當(dāng)大面積的熔覆層時，需采用多道搭接激光熔覆技術(shù)。由于多次加熱、冷卻，會使熔覆層和基體材料易產(chǎn)生變形，開裂傾向加大[2]。

劉其斌、李紹杰[3]研究激光工藝參數(shù)和Y2O3含量對葉片鑄造缺陷熔覆開裂敏感性影響，在最佳工藝參數(shù)條件下加入復(fù)合變質(zhì)劑可細(xì)化涂層組織。余菊美[4]研究G312鐵基合金激光熔覆層產(chǎn)生裂紋主要是由于激光熔覆的工藝特點(diǎn)所造成的組織凝固過程中相變體積變化不均勻引起的。姚成武[5]采用過包晶設(shè)計，熔覆層組織結(jié)果為馬氏體＋殘余奧氏體＋原位生成顆粒增強(qiáng)相，沿晶間分布的相結(jié)構(gòu)為韌性的殘余奧氏體和顆粒增強(qiáng)相，合金系為Fe-C-Cr-Ni-Mo-W-V-Ti-Ce，進(jìn)行多道熔覆，得到不開裂熔覆層。李勝，曾曉雁[6]研究了Ni、Cr和Mo合金元素含量對鐵基合金激光熔覆層硬度、開裂敏感性和殘余奧氏體含量的影響，結(jié)果表明，隨著Ni含量增加，熔覆層中AR量增加，硬度下降；Cr含量增加，硬度先略微增加，然后下降；Mo含量增加，熔覆層硬度先增加，再下降。

根據(jù)P20模具鋼工作特性，需硬度高和耐磨性好的特點(diǎn)，本文采用激光熔覆技術(shù)，用優(yōu)化工藝參數(shù)（筆者前期研究數(shù)據(jù)）在P20H模具鋼上制備Fe90合金粉末涂層，研究其組織及性能與開裂性問題。以促進(jìn)模具鋼P(yáng)20H激光熔覆Fe90基涂層的研究和應(yīng)用。

1 試驗?zāi)繕?biāo)

主要目標(biāo)：①熔覆層表面硬度比基體提高1.8倍。②熔覆層得到球狀組織以提高耐磨性。③熔覆層表面成形質(zhì)量好、不開裂。

2 實(shí)驗材料與試驗方法

基材為P20H模具鋼，成分見表1，試件尺寸為100mm×60mm×20mm；基材樣品經(jīng)淬火、低溫回火調(diào)硬度至39HRC。熔覆材料為Fe90合金粉末，成分見表2。激光熔覆材料均勻地預(yù)置在經(jīng)熱處理的基體表面，預(yù)置合金粉末厚度為1.2mm。采用Nd.YAG激光器作為光源，主要激光工藝參數(shù)為：波長為1064 nm，平均功率350w，最大輸出功率450w，脈沖頻率0.1HZ~100HZ，脈沖寬度為0.3ms~20ms，輸出能量80J。采用激光工藝參數(shù)見表3，用該參數(shù)加工一組厚度為1mm，長度為20mm，7道搭接熔覆，搭接率為40%的試樣。圖1為單道熔覆層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 單道熔覆層結(jié)構(gòu)示意圖

表1 P20H合金成分

表2 Fe90合金粉末成分

表3 P20H激光熔覆Fe90合金粉末工藝參數(shù)

熔覆試驗完成后進(jìn)行探傷試驗，步驟如下：①清洗工件表面，滲透劑均勻噴涂，滲透5-15分鐘；②清洗滲透劑干凈；③施加顯象劑。探傷實(shí)驗后發(fā)現(xiàn)無裂紋。圖2為激光熔覆圖及探傷測試圖。利用線切割沿垂直于掃描方向切出小塊樣品，試樣經(jīng)過鑲嵌、粗磨、細(xì)磨、機(jī)械拋光后進(jìn)行化學(xué)腐蝕，腐蝕液為用30m L HCl+10mL HNO3，腐蝕時間8s。利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察熔覆層形貌及組織。利用S-3400N掃描電鏡及能譜儀分析激光微觀組織形貌及成分。采用HVS-1000顯微硬度計測試涂層截面顯微硬度，載荷為1.96N，加載時間10s。

圖2 激光熔覆圖及探傷測試圖

3 試驗分析

3.1 金相分析

P20H模具鋼表面激光熔覆Fe90合金涂層顯微組織形貌特征如圖3所示，單道熔覆搭接見圖3a。Fe90合金粉末激光熔覆層、熱影響區(qū)與 P20H基體間存在清晰的光亮帶（圖3b)，熔覆層內(nèi)組織致密、無缺陷，與基體呈冶金結(jié)合，涂層與基材界面形成亮白色的細(xì)晶熱影響區(qū)。從熔覆層的底部到中部，以平面晶、胞狀晶、與樹枝狀晶顯微組織為主，熔覆層上部以等軸晶顯微組織為主。熔覆層內(nèi)的組織形態(tài)主要受熔體中的成分過冷度的影響[7]。激光熔覆能力密度集中，F(xiàn)e90合金與P20H合金界面溫度梯度G很大，熔池底部的結(jié)晶速率R趨近于0，成分過冷度較小，凝固速度較慢，激光能量是由熔覆層頂部向下床底，組織由下至上凝固，熔覆層底部熱加工時間短，結(jié)晶先在熔池/基體交界處以平面晶出現(xiàn)，組織為胞狀晶為主，圖3c隨著熔池底部距離的增加，R值逐漸增大，G值逐漸減小，故 G/ R值逐漸減小，成分過冷增大，呈現(xiàn)依托基體晶粒生長的特征(圖3c)，涂層中上部組織為樹枝晶；激光熔覆過程中未完成熔化的粉末顆粒會以氧化物漂浮于激光熔池表面，以致涂層近表面為平行于激光掃描速度方向生長的等軸晶(圖3c)[8-10]。

圖3 P20H模具鋼表面激光熔覆Fe90合金涂層顯微組織形貌特征

3.2 顯微硬度分析

圖4是P20H模具鋼表面激光熔覆Fe90合金涂層顯微硬度，從距熔覆層表面每隔0.1mm點(diǎn)測量硬度，硬度值見圖4，1~5點(diǎn)是熔覆區(qū)，6~8點(diǎn)是熔合區(qū)，8點(diǎn)~9點(diǎn)是熱影響區(qū)，9點(diǎn)以下是基體。熔覆層深度為0.45mm~0.5mm，熔合區(qū)深度為0.2mm~0.22mm?；w平均顯微硬度值為362HV，隨著離基材表面距離增加，熔覆層硬度變化平穩(wěn)，最大顯微硬度約為668HV，熔覆層顯微硬度平均值約667HV，約是基體1.8倍。顯微硬度分布變化主要因為激光快速凝固在涂層內(nèi)形成大量細(xì)小的α-Fe過飽和馬氏體組織，對激光熔覆層起到固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化效果。

圖4 P20H模具鋼表面激光熔覆Fe90合金涂層顯微硬度

3.3 熔覆層成分及相分析

圖5是P20H模具鋼基體表面激光熔覆Fe90合金粉末涂層的EDS形貌。放大到10μm發(fā)現(xiàn)，涂層顆粒表面光滑，近似球狀，無明顯棱角，F(xiàn)e90激光熔覆涂層的結(jié)合區(qū)（圖5a），在Fe90合金激光熔覆層與P20H基體界面上形成熔覆涂層與基材結(jié)合良好，激光熔覆融合基體界面呈現(xiàn)出依托基體生長的典型胞狀晶形態(tài)。Fe90激光熔覆涂層的中心區(qū)域為球狀組織形態(tài)（圖b），單胞結(jié)構(gòu)的中心區(qū)域為鐵基合金基體組織，即是奧氏體相（α-fe）。

圖5 P20H鋼基體表面激光熔覆Fe90合金粉末涂層的EDS形貌

圖6熔覆層為中上部EDS圖及能譜分析、表4 Fe90合金粉末涂層中上部的EDS各相成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在每距涂層表面100μm的面上，取3~4點(diǎn)，分析微區(qū)成分，表5是Fe90熔覆層各微區(qū)成分的EDS成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從EDS各相分析分析結(jié)果得知，成分主要由：CrB2、Fe2B、Fe3C和合金滲碳體，表5是各微區(qū)成分分析結(jié)果，有Fe、Cr、Si、Mo、C、B分別情況：在底部，由于基體底部的稀釋，F(xiàn)e含量相對較高，Cr含量比樹枝晶中低，熔覆層頂部的樹枝晶含Si量較中部樹枝晶高。結(jié)合物相分析結(jié)果，認(rèn)為：界面平面晶和基體組成為合金滲碳體，部分Fe由Cr置換，并溶少量Si；樹枝晶為Fe3C固溶體與Cr和Fe的硼化物（CrB2、Fe2B）、碳化物及硅化物組成的復(fù)雜共晶體；在胞狀晶中，Cr的硼化物含量高，在等軸晶中，硅化物的含量較高。

圖6 P20H鋼基體表面激光熔覆Fe90合金粉末涂層的中上部EDS形貌及能譜分析

表4 Fe90涂層中上部的EDS成分分析（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)%）

表5 Fe90熔覆層各微區(qū)成分的EDS成分分析（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)%）

4 結(jié)語

（1）P20H模具鋼表面激光熔覆Fe90合金粉末涂層中，采用Nd.YAG激光器作為光源，工藝參數(shù)為功率310KW，脈寬8MS，頻率8HZ，離焦量210mm，加工速度100mm/s，形成良好的冶金結(jié)合，從基體到熔覆層表面的組織為大量平面晶、樹枝晶、胞狀晶、等軸晶。熔覆層沒有裂紋、氣孔，基體與涂層結(jié)合緊密，優(yōu)化工藝參數(shù)有利了減少裂紋，提高熔覆質(zhì)量[11]。

（2）激光熔覆層的硬度在矩涂層表面0.3mm處為668HV，熔覆層平均值硬度約667HV，基體硬度為362HV，熔覆層硬度約是基體1.8倍。

（3）熔覆層Fe碳合金、合金滲碳體大大提高了熔覆層的硬度和耐磨性。