激光熔覆鐵基合金涂層在液壓油缸內壁中的研究

國麗娟

（國家能源集團新疆能源有限責任公司，新疆烏魯木齊 830018）

0 引言

在復雜苛刻的工作環境下，液壓油缸由于其內壁的腐蝕、磨損等情況造成財產損失和安全隱患。目前對這種內孔類零件內壁的表面制造工藝，還局限于縮頸法、焊補法、噴涂金屬材料和鑲內襯套法，然而上述工序復雜、費用大，且存在制造后涂層與基體之間結合力不足、涂層無法達到相應厚度要求等缺點[1]。

激光熔覆作為一種新型的材料表面改性方法，通過高能束的激光熱源在基材表面熔化一層具有特定性能的涂覆材料，從而提高基體材料的耐磨性和耐腐蝕性等[2]，在各個領域獲得了很好的推廣應用。基于內孔修復的激光熔覆技術是近幾年興起的一種新型的材料表面強化技術，將激光束作用于熔覆材料和待加工表面，使其冶金結合在一起，形成相比于基體表面在耐腐蝕性、耐磨性、耐熱性、抗氧化性等方面更為優異的熔覆層，從而達到表面修復或改性的目的。相比于傳統的內孔修復技術，激光熔覆技術不僅可以簡化工藝、降低成本，而且可以進一步提高修復質量。

楊威[3]針對內壁熔覆的基礎工藝進行研究，得到最優的工藝參數，在此基礎上利用不同的掃描方式，來分析特殊工藝對于熔覆層質量的影響，并結合了仿真模擬解釋了不同掃描方式對于枝晶生長影響的機制。李朋飛[4]針對激光熔覆設備由于尺寸限制，對于復雜零件不能實現激光束的垂直照射基體，而導致光斑形狀和光粉作用發生改變，于是借助溫度場的數值模擬，研究了非垂直激光照射下熔覆層的幾何形貌與激光入射角的關系。向家濤[5]針對提高內燃機的零部件氣缸套的耐磨性，利用激光熔覆技術在氣缸套內壁制備NiBCr-WC 合金涂層，結果發現通過激光熔覆制備的涂層具有較高的硬度、優良的內聚結合強度、較低的孔隙率和優異的耐磨耐蝕性能，達到了提高氣缸套內壁的綜合性能，延長內燃機氣缸套使用壽命的目的。張俊等[6]采用激光熔覆技術對發動機缸體內壁進行表面改性，在不同的掃描速度下制備Ni50 和Ni60 涂層，對比研究熔覆層的組織性能影響。沈毅鴻等[7]通過設計正交試驗研究了工藝參數對于激光熔覆形成層幾何特征及硬度的影響規律，發現激光功率是影響熔覆層幾何特征的最顯著因素。張若賓等[8]采用正交試驗研究了各工藝參數對于對單道熔覆層成形參數的影響主次，結合但因斯飾演優化了一組最優參數。馬運哲等[9]利用模糊綜合評價方法對正交試驗參數下表面質量、硬度和顯微組織進行綜合評價的，得到最優參數。

目前的激光熔覆主要是集中在平板類和軸外圓零件，對于內孔熔覆的研究較少，本文對內孔激光熔覆熔覆的基礎工藝進行研究，得到工藝參數對于單道熔覆層形貌參數的影響規律及主次關系，并且進一步研究了內孔熔覆層的微觀組織結構及熔覆層的硬度特性。

1 試驗條件與方法

1.1 試驗設備

試驗采用ZKZM-X000W 高速熔覆光纖激光器，其中安裝在進給機構上的內孔激光頭可以在孔內進行熔覆作業，激光器的最大輸出功率為2 kW，光斑直徑1.2 mm，離焦量15 mm（圖1）。工作過程中保持激光頭姿勢不變，調整機床運轉速度，實現內壁熔覆（圖2、圖3）。

圖1 內孔熔覆設備

圖2 內孔熔覆過程

圖3 熔覆層的宏觀形貌

1.2 試驗材料

試驗材料為鐵基合金粉末，各成分的質量分數為：C，0.2%～0.3%；Si，0.9%～1.1%；Ni，8%～9%；Cr，12%～13%；B，0.8%～0.9%；Fe，其余。試驗之前，在120 ℃條件下對粉末進行密封烘干處理40 min，以保證粉末在試驗之前處于絕對干燥的狀態，以防止送粉系統堵塞和氧化對熔覆的效果產生影響。

45#鋼成本低，且具有較好的加工切削性能和粉材冶金結合性能，因此試驗基材選用的是45#鋼圓筒，尺寸長300 mm、外徑217 mm、內徑200 mm。為確保基體待熔覆表面的平整度與潔凈程度，試驗前需要對基體用砂紙進行打磨，并用激光除銹的方法和純乙醇溶液對待熔覆表面進行處理，最后進行烘干處理。熔覆以氬氣作為保護氣體。

1.3 試驗方法

本文采用單因素試驗法，調節激光功率、掃描速度、光斑直徑、送粉量等工藝參數，以提高光與粉的耦合穩定性。進行單道激光熔覆試驗，將不同工藝參數下獲得的熔覆層試樣沿著激光掃描方向切開，經過不同目數的砂紙打磨并拋光，然后經過王水（VHCl∶VHNO3=3∶1）腐蝕10～12 s 后，迅速用清水沖洗，再用酒精清洗表面后用吹風機吹干。采用金相法，選用工業顯微鏡，根據放大倍數和刻度尺讀出每道熔覆層幾何尺寸。將截面形貌圖片以光柵圖片方式導入AutoCAD 軟件并進行輪廓擬合和按比例標注尺寸[10]。

采用SUPRA55VP 掃描電子顯微鏡（SEM）進一步觀察熔覆層截面的微觀組織形貌。采用SUPRA55VP 掃描電子顯微鏡（SEM）進一步觀察熔覆層截面的微觀組織形貌。利用HVS-1000 數顯顯微硬度儀測量涂層界面的維氏硬度，載荷0.2 kg，保壓時間為15 s，步長為0.2 mm，試樣打12 個點，每個點測量2 次，取平均值視為最終的硬度值。

2 試驗結果分析

采用上述的試驗方法，對熔覆層的熔高、熔寬和熔深進行測量（圖4）。

圖4 熔覆層截面形貌

試驗發現隨著激光功率的增加，熔覆層的高度和寬度都逐漸增加。在掃描速度和送粉量一定的時候，隨著激光功率的增加，激光能量密度逐漸在增大，熔化的粉末量增加，因此熔高增大。而功率較小的時候，由于粉末熔化不完全而出現熔融金屬的不充分流動。隨著功率的增加，粉末充分熔化，在表面張力的作用下熔融金屬充分鋪開，熔寬、熔深增加。

隨著掃描速度的增加，熔高和熔深都逐漸減小。這是因為熔覆速度的增大減小了單位能量密度，導致大量的粉末顆粒來不及熔化，同時對基體的熱輸入減小，形成較小的熔池。

送粉量是影響熔高的重要因素，對熔寬和熔深影響相對較小，但是由于送粉量的提高而使得熔覆層表面出現大量的未熔甚至半熔顆粒，增大了熔覆層的表面粗糙度。

3 內孔激光熔覆成形組織特征及性能

通過45#鋼基材表面激光熔覆鐵基合金涂層的截面顯微組織，可以看出涂層與基體結合處界面較為清晰，熔覆層無裂紋、氣孔等缺陷。不同熔覆層位置的顯微組織形態有較大的差異，其中熔覆層表層組織晶粒雜亂細小，熔覆層中部的胞狀晶、柱狀晶和底部與基材結合處的平面晶。這些復雜組織的形成主要是因為激光熔覆層組織是合金粉末在快速加熱、快速凝固的過程中形成的，由于不同區域的溫度梯度不同，過冷度不同，在冷卻時就會形成不同的組織特征[11]。

一般在熔覆層底部與基材結合處，溫度梯度（G）與凝固速度（R）的比值G/R 最大，成分過冷度最小，凝固時熔體在基材表面主要以平面晶方式外延生長。平面晶的形成，表明激光熔覆層與基材為冶金結合。在平面晶上方區域，激光熔覆過程中的熱量通過平面晶后傳遞給基材，溫度梯度（G）變小，冷卻速度有所降低，而凝固速度（R）變大，G/R 的比值變小，成分過冷度隨之變大，液固界面穩定性下降，由此形成胞狀晶。隨著胞狀晶的外延生長，G/R 的比值越來越小，成分過冷度越來越大，逐漸出現胞狀樹枝晶[12]。同理，胞狀樹枝晶進一步外延生長，形成樹枝晶[13]。隨著樹枝晶的生長，接近激光熔覆層表面時，一方面溫度梯度小，另一方面由于熔池的對流運動，并且表層與空氣存在較強的對流，造成熔覆層表層組織晶粒雜亂細小。

隨著距表面的深度增大，熔覆層的硬度呈階梯狀分布[14]，通過內孔激光熔覆設備在內壁制備的合金涂層硬度約847.7 HV，遠大于基材45#鋼（圖5）。其硬度高的主要原因是材料中含有的合金元素在激光熔覆的過程中形成了硬質相，而且從微觀組織形貌可以看出表面的組織生長紊亂且細密，遠離表面的區域組織變得粗大，也因此硬度呈階梯狀分布。

圖5 熔覆層截面硬度分布

4 油缸的熔覆

液壓油缸是工程機械的主要零部件，表面很容易出現銹蝕劃傷等，其中劃傷最為普遍。通過激光熔覆后在油缸孔內表面形成1 mm 左右厚的熔覆層，熔覆層表面平整，無明顯缺陷。經過表面處理后達到原尺寸精度，同時缸筒的機械強度達到了理想的狀態，滿足實用要求。

利用內孔激光熔覆技術在液壓油缸內表面制備鐵基涂層，通過單因素試驗獲得影響單道熔覆層形貌參數的最主要因素，研究發現激光功率和掃描速度是影響熔覆層形貌的最顯著因素。且內壁制備的涂層無明顯缺陷，組織結構致密，硬度遠高于基材。這在一定程度上提高了油缸表面的綜合性能，延長液壓油缸的使用壽命。