基于冷熱疲勞試驗對不同加工工藝Stellite6涂層的影響

摘 要：文章從激光熔覆和氬弧焊工藝對Stellite6粉末在Cr2Ni12MoV進行熔覆和焊接，研究其樣品涂層冷熱疲勞性能。在最優的工藝參數下，對比不同加工工藝樣品的冷熱疲勞70次后試驗結果。結果表明：高速激光熔覆在功率3300W、線速度2.0m/min、光斑大小3.0-3.3mm、送粉量4.7r/min、搭接率0.77和涂層厚度是0.4mm的樣品和傳統激光熔覆在功率1800W、線速度300mm/min、光斑大小2.0-2.5mm、送粉量2.0r/min、搭接率0.75和涂層厚度是0.8mm、1.2mm的樣品70次冷熱疲勞后效果最好，沒有發現任何裂紋、氣孔、刮痕。

關鍵詞：高速激光熔覆 氬弧焊 鈷基6號粉末涂層 冷熱疲勞

1 緒論

Stellite6，也被稱為司太立6，是一種高性能的鈷基合金，因其卓越的耐磨性、耐蝕性和高溫強度而廣泛應用于航空航天、能源、化工等領域。Stellite6的化學成分是其性能的基礎，主要包括：鈷（Co）、鉻（Cr）、鉬（Mo）、鎳（Ni）、鎢（W）、硅（Si）、錳（Mn）、鐵（Fe）等。激光熔覆（Laser Cladding）亦稱激光熔敷或激光包覆，是一種新的表面改性技術。它通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基層表面形成冶金結合的添料熔覆層。

在工程生產中，常常因為使用條件的苛刻，從而導致工件會產生過度磨損、失效、斷裂等情況。激光熔覆技術因具有應用靈活、耗能小、熱輸入量低、引起的熱變形小，不需要后續加工或加工量小等優點，近年來已在材料表面改性上受到高度重視。采用激光表面修復技術，對基材熔覆一層硬度更好、耐腐蝕、耐高溫的涂層材料；可以使涂層與基體結合方式由機械結合變成冶金結合。涂層質量的好壞影響工件的實際使用，通過控制激光熔覆參數，對涂層厚度進行分析。隨著激光熔覆技術的提高，工程應用中，對工件的力學性能要求越來越高。

工件在溫度不斷變化的工作環境下，很容易收到冷熱疲勞抗力，從而導致工件開裂、受損。對工件的穩定運行起相反作用，大大降低生產效率甚至出現安全問題。近年來，有許多耐磨、耐高溫的鋼材運用在這些工件上，但是并不能保證其在如此苛刻的溫度條件下不開裂、受損。

激光熔覆技術可以改變材料表面屬性，它將耐磨、耐高溫的材料熔覆在工件表面，強化了工件表面冷熱抗力性能。它利用具有高能密度的激光束使某種特殊性能的材料快速熔凝在基體材料表面并與基體形成冶金結合，構成與基體成分和性能完全不同的高性能合金熔覆層，該技術已經發展成為制備耐磨、耐高溫等性能的表面涂層的重要技術，在工業領域中具有廣泛的應用（高鐵、發電站、輪船、航空飛機）[1-3]。

國內外有許多學者對鈷基涂層的冷熱疲勞性能進行研究，Meng等[4]在H13鋼表面進行激光熔覆鈷基，其熱疲勞方面遠遠優于原母材；劉焜等[5]證明熱疲勞裂紋主要與冷熱循環次數有關，隨著熱循環次數的增加，熔覆層表面裂紋密度也隨之增大且相互交錯貫通。本文的冷熱疲勞試驗，因為基材Cr2Ni12MoV（其化學元素為：0.21%Ti，0.31V，11.47%Cr，0.87Mn，84.15%Fe，0.96%Ni，1.04%Mo，0.91%W，0.04%Nb）冷熱疲勞性能差，所以我們在基材進行傳統激光熔覆、高速激光熔覆、氬弧焊制作Stellite6粉末（0.8mm和1.2mm）涂層。通過選取各自最優工藝參數，將加工出來的樣品切削成體積相同的工件，放到電阻爐里面燒（溫度700℃，保持10-13min），取出后馬上經水冷卻，依次循環70次，每十次使用顯像劑探傷，觀察氣孔與裂紋產生情況。

2 試驗設備與工藝參數

采用傳統激光熔覆（圖1左，型號是HX-3000）、高速激光熔覆（圖1右，型號是HX-6000）以及氬弧焊三種工藝熔覆技術制備Stellite6涂層。

進行冷熱疲勞試驗之前，要保證不同工藝加工出來的樣品沒有氣孔、裂紋。氣孔與裂紋會影響冷熱疲勞測試的效果，因而把所有工藝簡化后得到沒有氣孔的工藝參數進行對比，并且盡量去熔覆區中間位置的樣品，減少誤差，取34mm×15mm的圓柱型樣品，用200～800#砂紙打磨、拋光[6]。基于大量的生產經驗，激光熔覆參數如表1，氬弧焊工藝參數如表2：表1、2中涂層厚度指的是樣品切削光滑后的涂層厚度。

冷熱疲勞試驗是樣品通過反復高頻感應加熱和冷卻后，通過觀察涂層表面裂紋情況判斷其性能好壞[7]。在電阻爐子控制器（圖2）把溫度設置到700℃，樣品放進坩堝內，帶上隔熱手套把坩堝送進爐子，關閉爐子閥門。10-13min后取出來，放到常溫的流動水中冷卻2min（直到樣品溫度下降到室溫），然后把樣品吹干放到坩堝，此前為一次完整的冷熱疲勞試驗。每隔10次試驗做一次工業探傷，記錄探傷結果。

3 實驗結果分析

母材（不經過其他工藝制備）冷熱疲勞性能，在30-40次冷熱疲勞后發現裂紋，如圖3所示；高速激光熔覆（功率是3000W、送粉量1.5r/min）樣品在60次冷熱疲勞試驗之后探傷發現裂紋（圖4a），裂紋產生在50-60次之間；高速激光熔覆（功率是3000W、送粉量1.0r/min）樣品在20次冷熱疲勞試驗之后探傷發現氣孔（圖4b），氣孔在10-20次之間產生。而傳統激光熔覆（功率2400W、涂層0.8mm）在第三十次冷熱疲勞試驗后探傷發現有裂紋（圖4c），裂紋在20-30次之間產生；傳統激光熔覆（功率2400W、涂層1.2mm）在第六十次冷熱疲勞試驗后探傷發現有裂紋（圖4d），裂紋在50-60次之間產生。高速激光熔覆樣品（功率3300W、線速度2.0m/min、光斑大小3.0mm-3.3mm、送粉量4.7r/min、搭接率0.77和涂層厚度是0.4mm）在70次冷熱疲勞后沒有產生裂紋（圖5a）；傳統激光熔覆樣品（功率1800W、線速度300mm/min、光斑大小2.0mm-2.5mm、送粉量2.0r/min、搭接率0.75、0.8mm涂層與1.2mm涂層）在70次冷熱疲勞試驗后同樣沒發現裂紋（圖5b、5c）。氬弧焊工藝（電流120A）樣品在10次冷熱疲勞試驗后探傷發現表面有裂紋（圖6a），隨著試驗次數增多，裂紋也增多和變長；氬弧焊工藝（電流180A）樣品在10次冷熱疲勞試驗后探傷發現表面有刮痕（圖6b），在70次試驗后沒有發現其他的裂紋和氣孔。

4 總結

（1）高速激光熔覆樣品在Cr2Ni12MoV上熔覆鈷基6號粉末涂層，激光功率是3300W、線速度2.0m/min、光斑大小3.0-3.3mm、送粉量4.7r/min、搭接率0.77和涂層厚度是0.4mm的樣品經過70次冷熱疲勞試驗后沒有發現裂紋、氣孔，對比激光功率是3000W、送粉量1.5r/min（1.0r/min），高速熔覆在Cr2Ni12MoV以3300W的激光功率熔覆樣品冷熱疲勞試驗達到最佳，無論是冷熱疲勞試驗次數，還是熔覆效率、熔池深度，高速激光熔覆樣品裂紋產生都是最少而且相較于其他工藝，裂紋短，開裂速度慢。

（2）傳統激光熔覆在功率1800W、線速度300mm/min、光斑大小2.0-2.5mm、送粉量2.0r/min、搭接率0.75和涂層厚度是0.8mm、1.2mm的樣品70次冷熱疲勞后效果好。

（3）氬弧焊工藝樣品，無論是180A電流還是120A電流制造的樣品都在10次冷熱疲勞試驗后產生裂紋，隨著循環次數增多，裂紋變多、變粗；與母材對比，在Cr2Ni12MoV上，不建議使用氬弧焊工藝制備樣品。

參考文獻：

[1]應小東，李午申，馮靈芝.激光表面改性技術及國內外發展現狀[J].焊接，2003（01）：2-5.

[2]石世宏，彭華明.激光熔覆與堆焊層成分稀釋度的對比研究[J].激光雜志，1998（4）：24-27.

[3]馬元明.高速列車制動盤激光熔覆工藝及性能研究[D].成都：西南交通大學，2017.

[4]Meng C， Zhou H， Zhang H， et al. The comparative study of thermal fatigue behavior of H13 die steel with biomimetic non-smooth surface processed by laser surface melting and laser cladding[J]. Materials and Design， 2013， 51（oct.）：886-893.

[5]劉焜，陳希章，徐淑文.激光熔覆低溫相變合金熔覆層的熱疲勞性能[J].中國表面工程，2019，032（003）：123-129.

[6]葉宏，雷臨蘋，喻文新，等.H13鋼激光熔覆Co基涂層組織及疲勞性能[J].強激光與粒子波，2017.

[7]潘成剛，賀曉龍，丁紫正，等.激光熔覆SiCp/Ni35覆層熱疲勞性能研究[J].特種鑄造及有色合金，2018，038（003）：238-241.