激光能量密度對激光熔覆組織性能的影響

楊新意，程延海

1中國礦業(yè)大學徐海學院 江蘇徐州 221000

2中國礦業(yè)大學機電工程學院 江蘇徐州 221000

激 光熔覆是通過高能量密度的激光照射金屬粉 末，使粉末和基體熔化，進而在基體材料表面熔覆上一層或多層熔覆層。由于激光熔覆具有激光能量密度大，熱影響區(qū)小，成型速度快等優(yōu)點，近年來被廣泛應用于機械制造中。徐采云等人[1]在 45 鋼表面利用激光熔覆的方法熔覆了一層 WC-Co 顆粒增強金屬基復合涂層，分析了熔覆層的顯微組織及表面硬度，發(fā)現(xiàn)了熔覆層組織更加均勻，但硬度與基體相比略有下降。王岳亮等人[2]通過激光熔覆成型的方法在 H13 鋼表面熔覆 H13 粉末，研究了激光熔覆工藝參數(shù)對熔覆層高度及熱影響區(qū)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了光斑尺寸對熔覆層高度及熱影響區(qū)影響巨大。朱國斌等人[3]應用激光熔覆成形 304 不銹鋼，分析了熔覆層的顯微組織和宏觀形貌，得出了激光熔覆過程中σ相析出的時間更加充分的結(jié)論。王燕華等人[4]采用激光熔覆的方法制備了鎳包鑄造碳化鎢粉末和鑄造碳化鎢粉末 2 種熔覆層，分別研究了熔覆層的耐磨性，發(fā)現(xiàn)了鎳包鑄造碳化鎢粉末熔覆層的成形性更好，耐磨性相較于基體大幅度提高。礦山機械的工作環(huán)境通常都比較惡劣，對機械性能要求比較嚴格，Q345 由于其優(yōu)良的性能和高性價比被廣泛的應用于礦山機械。然而，對于一些采用 Q345 制造的礦山機械關(guān)健件，由于對硬度等性能指標要求較高，所以實際工程應用的效果不盡人意，如果將制造材料更換為性能指標較高的材料，則會帶來生產(chǎn)成本劇增等問題。因此，筆者系統(tǒng)地闡述了采用激光熔覆的方法，在 Q345 基體材料上熔覆一層高性能異質(zhì)熔覆層以提高礦山機械的整體性能。

1 試驗過程與方法

1.1 激光熔覆試驗材料

熔覆粉末選用 Fe-Cr-B 基合金粉末，其質(zhì)量分數(shù)如表 1 所列。

表1 Fe-Cr-B 合金粉末質(zhì)量分數(shù)Tab.1 Mass fraction of Fe-Cr-B alloy powder %

基體材料采用 Q345，應用線切割技術(shù)將其切割為 70 mm×60 mm×20 mm 試塊，其化學成分如表 2 所列。

表2 Q345 化學成分Tab.2 Chemical composition of Q345 steel %

采用同步送粉式激光熔覆的方法，熔覆工藝參數(shù)的選取參考了工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)驗，取激光掃描速度為 0.02 m/s，轉(zhuǎn)速為 1.8 r/min，光斑直徑為 3 mm，搭接率為 50%，試樣 1、試樣 2 和試樣 3 的激光功率分別為 1.6、1.8、2.0 kW。激光能量密度可以更清楚的表示單位面積上的熱輸入。

式中：ρ為激光能量密度，kW/m2；P為激光功率，kW；A為熔覆面積，m2；V為掃描速度，m/s，B為掃描寬度，m。

由式 (1) 可得，試樣 1、試樣 2 和試樣 3 的激光能量密度分別為 26.7、30.0、33.3 J/mm2。

1.2 微觀組織及成分分析

應用線切割技術(shù)將激光熔覆后的試樣切割為 10 mm×10 mm×10 mm 試塊，隨后依次采用 400、600、800、1 000、1 200、1 500、2 000 目砂紙打磨并用拋光布拋光試樣的縱截面，當縱截面拋光至光滑無劃痕時即可認為拋光完成。將拋光后的試樣采用王水腐蝕 10～15 s，將腐蝕后的試樣用酒精清理干凈并風干，最后采用掃描電子顯微鏡 (SEM) 對試樣進行微觀組織的觀察，并使用能量色散譜儀對試樣進行線掃描 (EDS) 測量得出元素分布規(guī)律。

1.3 顯微硬度測量

應用線切割技術(shù)得到 10 mm×10 mm×10 mm 試塊，采用 2 000 目砂紙打磨拋光，采用顯微硬度計測量其硬度。依據(jù)材料屬性選擇所加載荷為 9.8 N，加載時長為 15 s，每個測量點間的距離為 0.1 mm。為了試驗的準確性，每個熔覆深度取 3 個平行的點進行測量，并最終取 3 個點測量值的平均值作為該深度的硬度值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 熔覆層宏觀形貌分析

激光熔覆宏觀形貌如圖 1 所示。試樣采用單層多道激光熔覆，由于每個試樣所采用的激光能量密度不同，表面形貌也略有不同，試樣 1 和試樣 2 中部有明顯的凹陷道次，而試樣 3 的表面成形則較好。這主要是因為激光熔覆前基體材料未經(jīng)預熱，因此在熔覆起始道次由于熱輸入不足造成粉末不能完全熔化，進而導致出現(xiàn)凹陷區(qū)域，而試樣 3 沒有這樣的凹陷區(qū)域是因為試樣 3 相較于試樣 1 和試樣 2，激光能量密度最大，粉末得到了充分的熔化，因此表面成形良好[5]。

圖1 熔覆層宏觀形貌Fig.1 Macromorphology of cladding layer

2.2 熔覆層微觀組織分析

通過改變激光熔覆工藝參數(shù)進而改變激光能量密度。在熔覆過程中，激光能量密度會直接影響熔池單位面積的熱輸入，進而影響到熔池的溫度和凝固速度，其中熔池底部熔覆層與基體結(jié)合處的微觀組織結(jié)構(gòu)直接影響到熔覆層與基體的結(jié)合強度。試樣融合線處微觀組織如圖 2 所示。由圖 2 可知，熔覆層底部主要為垂直于基體表面生長的樹枝晶，試樣 1 的枝晶尺寸范圍為 3～8 μm；試樣 2 的枝晶尺寸范圍為 3～12 μm；試樣 3 的枝晶尺寸范圍為 5～18 μm。激光能量密度越大，樹枝晶的尺寸越大[6]。熔覆層與基體的結(jié)合處存在一條白色的光亮帶，其中，試樣 1 和試樣 2 的光亮帶比較明顯，試樣 3 由于激光能量密度比較高使得基體與熔覆層之間的元素擴散更加充分，結(jié)合帶不那么明顯，故結(jié)合強度更高。

圖2 試樣融合線處微觀組織Fig.2 Microstructure of fusion line on sample

2.3 熔覆層顯微硬度分析

熔覆層顯微硬度分布如圖 3 所示。通過在 Q345 表面熔覆一層異質(zhì)熔覆層，在不同激光能量密度下，熔覆層的硬度略有不同，熔覆層的硬度相較于基體材料總體提升 2 倍以上，熱影響區(qū)的硬度也得到大幅提升。試樣 3 的熔覆層硬度略低于試樣 1 和試樣 2，這主要是因為試樣 3 的激光能量密度比較大，熔池溫度較高，凝固速度較慢，樹枝晶有充分的時間長大，進而影響了熔覆層的硬度。熱影響區(qū)硬度提高的原因與熔覆層不同，熱影響區(qū)的材料與基體相同，但由于熱影響區(qū)靠近熔池底部，使得在熔覆過程中，熱影響區(qū)經(jīng)歷了一次熱處理過程，進而提高了熱影響區(qū)的硬度。

圖3 熔覆層顯微硬度分布Fig.3 Microhardness distribution of cladding layer

2.4 激光熔覆層組成元素分析

熔覆層線掃描后的元素分布如圖 4 所示。由于采用的是單層多道激光熔覆，熔覆層厚度較薄，因此在線掃描過程中選擇測量深度為 2 mm。分析熔覆層及基體材料的元素組成，確定最終標定的 4 種元素為 Fe、Cr、C、Si，其中橫坐標代表距離熔覆層表面的距離，縱坐標代表相關(guān)元素的含量。由圖 4 可知，不同激光能量密度下熔覆層的厚度有差別，激光能量密度越大，熔覆層的厚度越大。熔覆層中 Fe 元素的含量略低于基體中 Fe 元素的含量，由于粉末成分中 Cr 元素的含量較高，熔覆層中 Cr 元素的含量相較于基體中 Cr 元素的含量大幅度提升，C、Si 2 種元素在基體和熔覆層中的含量較低且基本不變，熔覆層和基體元素分布的規(guī)律也進一步解釋了熔覆層硬度遠高于基體的原因。

圖4 熔覆層線掃描Fig.4 linear scanning of cladding layer

3 結(jié)語

通過在 Q345 基體上熔覆一層 Fe 基熔覆層，使得基體表面的硬度大幅提高。通過對微觀組織的分析發(fā)現(xiàn)基體與熔覆層結(jié)合良好，熔覆層中元素分布均勻；激光能量密度對熔覆層的性能影響巨大，在一定范圍內(nèi)，激光能量密度越大，熔覆層微觀組織越粗大，硬度越低，熔覆層與基體的結(jié)合越好。