高速激光熔覆錫青銅與合金鋼基體結合性能研究

□ 王新波 □ 方孝紅

1.上海電氣風電集團股份有限公司 上海 200233 2.浙江長盛滑動軸承股份有限公司 浙江嘉興 314100

1 研究背景

錫青銅作為摩擦磨損件的基礎材料之一在工業領域應用廣泛,該材料特別適合于低速重載工況,應用于滑動軸承的主要形式有單金屬軸套與推力軸承、粉末燒結雙金屬軸套與推力軸承、離心澆鑄雙金屬軸套與推力軸承、旋壓單金屬軸套、粉末冶金單金屬軸套等。激光熔覆是一種高效的表面強化與再制造修復技術,具有與基體結合效果好、稀釋率低、熱影響區小等優點。激光熔覆是多參數耦合的復雜過程,激光功率、激光掃描速度、送粉速度、光斑直徑等參數對熔覆層的質量非常重要,國內外已經對激光熔覆增材制造進行了多方面的研究。但是,對于常規激光熔覆而言,粉末吸收20%的能量,能量利用率低,稀釋率為5%～15%,并且熔覆完成后后續加工量較大,加工成本高。對于高速激光熔覆,粉末可吸收80%的能量,能量利用率高,稀釋率可小于3%,并且熔覆完成后后續加工量較小,加工成本低。高速甚至超高速激光熔覆技術優化了粉體的熔凝形式和能量吸收比例,提高了材料沉積速度,獲得高效、無缺陷、高結合強度、低稀釋率的熔覆層,比傳統激光熔覆更有優勢。應用高速激光熔覆制備工藝將錫青銅合金層制備在鋼軸基體上,可解決軸套與鋼基體長時間過盈配合產生蠕變而導致的跑圈問題。并且錫青銅合金層出現失效后,可以將其加工去除后重新熔覆,從而實現再制造。目前,對錫青銅粉末在鋼軸基體上的高速激光熔覆研究還比較少,筆者應用高速激光熔覆工藝將CuSn12Ni2錫青銅粉末熔覆在42CrMo合金鋼基體上,研究材料的微觀成分和組織、宏觀結合強度對雙層金屬材料的結合情況。研究結果證明,CuSn12Ni2錫青銅與42CrMo合金鋼基體已經達到了冶金結合。

2 試樣準備

為了對材料的結合強度進行充分的研究,首先制備研究試樣,包括測試材料缺陷和材料結合面附近的化學成分采用的平面試樣,測試材料結合強度采用的圓形試樣。

2.1 粉末制備

高速激光熔覆所用粉末的粒徑越集中、球形越好、成分分布越均勻,粉末的流動性就越好,熔覆之后缺陷也就越少,特別對于結合面而言,缺陷會更少。筆者所用CuSn12Ni2錫青銅粉末采用氣霧化工藝獲得,原理是采用高速氣流將銅合金液體擊碎形成微小液滴,然后快速冷卻形成球形金屬顆粒。顆粒的粒徑主要集中在50～150 μm,并且球形度較好,如圖1所示。錫青銅粉末內部金相晶粒較細,圖2(a)所示為大部分等軸晶,圖2(b)所示為小部分樹枝晶。此外,錫青銅粉末截面能譜分析顯示,銅、錫、鎳元素分布較為均勻,未出現偏析現象。

▲圖1 CuSn12Ni2錫青銅粉末顆粒

▲圖2 CuSn12Ni2錫青銅粉末金相組織

2.2 試樣制備

試樣制備采用高速激光熔覆工藝,其中激光熔覆設備的光源為光纖激光器,激光波長約為1.06 μm,最大功率為6 kW,激光從光纖接頭射出后,經過準直透鏡變為平行光,然后經過聚焦透鏡實現聚焦,將能量集中于一點,在焦點處將金屬熔化實現激光熔覆加工。采用同軸環形氣載送粉,送粉均勻,送粉氣體為氬氣,同時氬氣作為保護氣體,可減少激光熔覆過程中材料的氧化。為帶走激光器在電能轉換為光能過程中產生的多余熱量,同時帶走外光路的鏡片反射激光束所吸收的部分熱量,為激光器提供了水冷冷卻系統。

筆者在研究中的熔覆層厚度為1.2 mm,熔覆速度為60～100 mm/s,光斑直徑為2 mm,送粉量為40～50 g/min,激光功率為4 500 kW～4 800 kW。

高速激光熔覆工藝制備的平面試樣如圖3所示,用于對CuSn12Ni2錫青銅與42CrMo合金鋼基體結合面附近區域進行材料表征和分析,具體操作時需從平面試樣上取樣,然后制樣進行金相組織分析和能譜分析。高速激光熔覆工藝制備的法向結合強度測試試樣如圖4所示,用于測定CuSn12Ni2錫青銅與42CrMo合金鋼基體之間的結合強度。

▲圖3 高速激光熔覆工藝制備的平面試樣樣件

▲圖4 高速激光熔覆工藝制備的法向結合強度測試試樣

3 高速激光熔覆材料表征與分析

3.1 金相組織

對試樣進行金相分析,分析設備采用超景深顯微鏡,圖5所示為試樣未腐蝕顯微組織形貌,圖6所示為試樣腐蝕后金相組織。腐蝕試樣所采用的溶液由三種物質混合組成:10 g FeCl3·6H2O、2 mL密度為1.16 g/mL的鹽酸溶液、98 mL體積分數為95%的乙醇溶液。通過觀察圖5可以看出,高速激光熔覆工藝制備后的CuSn12Ni2錫青銅仍存在一定的氣孔,較大的氣孔直徑為97.14 μm。由圖6可以看出,試樣腐蝕后的金相組織,靠近結合面附近,CuSn12Ni2錫青銅以樹枝晶為主,越靠近CuSn12Ni2錫青銅表層,以等軸晶為主。主要原因是越靠近表層,過冷度越大,越容易形成等軸晶粒,越靠近結合面,過冷度越小,越利于樹枝晶晶粒的形成。

▲圖5 試樣未腐蝕顯微組織形貌▲圖6 試樣腐蝕后金相組織

3.2 能譜分析

在激光熔覆過程中,CuSn12Ni2錫青銅中會有一定量的元素滲透到42CrMo合金鋼基體中,在結合面附近形成冶金結合。在結合面處進行能譜分析的目的是檢測CuSn12Ni2錫青銅中元素在高速熔覆過程中滲透入基體材料中的情況如何,即CuSn12Ni2錫青銅的稀釋率如何。如果CuSn12Ni2錫青銅的稀釋率低,可以保證CuSn12Ni2錫青銅化學成分相對較穩定,能夠更好地保持材料原有的機械性能。在平面試樣上取樣,進行結合面的能譜掃描分析,如圖7所示,主要關注元素有銅、鐵、錫、鉻、鎳。由圖7可以看出,所關注元素分布在結合面處較為分明,說明高速激光熔覆工藝對CuSn12Ni2錫青銅的稀釋率不高,因而該工藝對錫青銅成分和機械性能的影響較小。盡管稀釋率不高,但有少量元素進入合金鋼基體,說明結合面附近產生了冶金結合。

▲圖7 結合面附近能譜掃描分析結果

4 結合強度試驗

CuSn12Ni2錫青銅材料通過高速激光熔覆工藝熔覆在42CrMo合金鋼基體上后,作為滑動軸承減摩耐磨層服役時,需要與基體間具有較高的結合強度,可通過調整高速激光熔覆工藝參數獲得。筆者根據國家標準GB/T 12948—1991《滑動軸承 雙金屬結合強度破壞性試驗方法》制備結合強度試驗的試樣,進行結合強度測試。CuSn12Ni2錫青銅材料屈服強度為140 MPa～150 MPa,抗拉強度為260 MPa～300 MPa。當結合強度小于屈服強度時,將會在結合面處發生斷裂。當結合強度位于屈服強度和抗拉強度之間時,仍然將會在結合面處發生斷裂,但CuSn12錫青銅本體已經產生屈服。當結合強度大于抗拉強度時,將在CuSn12Ni2錫青銅材料本體發生斷裂。法向結合強度試驗如圖8所示,試驗結果如圖9所示。由圖9可以看出,試驗后兩試樣的法向結合強度分別為429.5 MPa、326.6 MPa,均大于材料的抗拉強度,說明結合面的結合強度超過CuSn12Ni2錫青銅的抗拉強度。試樣斷裂面由測試可知均為CuSn12Ni2錫青銅本體,如圖10所示,也印證了結合面的結合強度超過CuSn12Ni2錫青銅的抗拉強度。結合強度試驗結果同時說明,CuSn12Ni2錫青銅與42CrMo合金鋼基體產生了冶金結合。

▲圖8 法向結合強度試驗

▲圖9 法向結合強度試驗結果

▲圖10 法向結合強度試驗斷裂后試樣

在結合面附近,CuSn12Ni2錫青銅以枝晶為主。在靠近CuSn12Ni2錫青銅表層的地方,以等軸晶為主。說明結合面附近過冷度較小,表層過冷度較大。

高速激光熔覆工藝對CuSn12Ni2錫青銅稀釋率不是很高,因而該工藝對錫青銅成分和機械性能的影響較小。

5 結束語

筆者通過對高速激光熔覆工藝制備的CuSn12Ni2錫青銅與合金鋼基體的結合性能進行研究,CuSn12Ni2錫青銅與42CrMo合金鋼基體產生了冶金結合。

高速激光熔覆工藝參數調整到合適參數,結合面結合強度可以超過CuSn12Ni2錫青銅抗拉強度。