??激光熔覆與傳統(tǒng)的堆焊和噴涂、噴焊等表面熔覆改性的方法相比，激光熔覆因使熔覆層組織的微觀結(jié)構(gòu)均勻細(xì)化，工件熱變形小，母材的熱影響區(qū)小，熔覆層稀釋率小，更有利于改善材料表面的耐疲勞、耐磨損和耐腐蝕性，已引起了廣泛的重視。
??我們就鐵基高鉻耐磨合金WF372、D667，分別采用激光熔覆和激光堆焊制作耐磨層進行了對比研究。
1. 試驗
選用Φ4.0的 D667堆焊焊條，采用直流弧焊發(fā)電機AX7-500（反接），于平焊位置堆焊，順序焊法焊接，焊后緩冷。焊接電流控制在200A左右波動。
合金的成分（wt%）：WF372為C3.3~4.3%，Cr23~27%，B1.0~2.0%，Si1.0~2.0%，Ni4.0~6.0%，其余為鐵；
D667分為C2.5~5.0%，Cr25~32%，Si1.0~4.8%，Ni3.0~5.0%，Mn≤8.0，其余為鐵。
??激光熔覆合金為WF372合金粉末，采用預(yù)置粉法進行激光熔覆。預(yù)置粉厚度為1mm。激光器為^大輸出功率2.0KW橫流式電激勵CO2氣體連續(xù)激光器，實際輸出功率為1.8KW。多模輸出。以Ar氣向熔池吹壓進行保護。光斑直徑D為4mm、搭接率η為30%、掃描速度Vs為4mm/s、熔覆層寬度為20mm左右。
??對試件變形和表面成型進行檢測并進行金相分析。用美國產(chǎn)BUCHLERⅢ型維氏顯微硬度計檢測熔覆層顯微硬度的層深分布。
??激光熔覆試件在450℃回火保溫1.5小時熱處理后，與堆焊試件進行磨損對比試驗。磨損試驗采用MM200型磨損實驗機，對磨輪轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)/分，工作壓力為50N，摩擦副間加滴機械油冷卻去屑。每個試件工作8小時。通過電子天平（標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.001g）稱重。試驗前后重量之差即為磨損失重量。用quanta 200型環(huán)境掃描電鏡（SEM）對磨損面進行觀察分析。
2．結(jié)果與分析
2．1 試件的激光熔覆層和堆焊層表面成型與變形對比
??激光熔覆層厚度基本為0.9mm。堆焊層厚度平均為2.8mm。堆焊試件的平均翹曲度為0.858×10-2mm/ mm2，激光熔覆試件幾乎沒有出現(xiàn)明顯的變形和翹曲，用0.03mm厚的塞尺從試件基面幾乎不能塞入。 激光熔覆層的表面比較平整、光滑。兩焊道之間的溝槽很淺，這是由于搭接率η較高，為30%的緣故。而試件堆焊層的焊接波紋比較明顯，有些位置還有較小的凹坑，兩焊道之間的溝槽較深。
2．2 熔覆層金相組織對比分析
堆焊層組織為珠光體基體上分布Cr的枝晶碳化物，初生枝晶桿連續(xù)未斷的較多，其余小塊為次生碳化物，碳化物分布不夠均勻，熔合線附近初生的枝桿狀枝晶明顯。而激光熔覆層組織大部分區(qū)域處于非平衡、亞結(jié)晶狀態(tài)，即合金元素含量很高的非平衡γ-奧氏體和γ﹢M7C3合金碳化物共晶組織，組織均勻細(xì)密。其上碳化物等硬質(zhì)相分布比較均勻，大部分硬質(zhì)相呈細(xì)粒狀彌散分布，即使是少量的呈片狀的樹枝狀結(jié)晶組織，也是細(xì)密均勻，呈胞狀晶。
??堆焊和激光熔覆的熔覆層與基材均形成了牢固的冶金結(jié)合。但是，電弧焊對基材熔化和影響程度明顯高于激光熔覆。堆焊的熱影響區(qū)較大，而激光熔覆的熱影響區(qū)較小。熔覆層對基材的稀釋率，激光熔覆明顯小于電弧堆焊。這是由于在激光熔覆時，高能激光束掃描基材使其表面迅速加熱熔化后離去，基材表面只有很薄的一層熔化。而電弧堆焊需要輸出較大的能量才能使基材表面熔化形成熔池，對基材的作用和影響較大。
??激光熔覆工藝使熔覆層合金瞬間充分熔化，而基材表面只能有很薄一層熔化，既保證了優(yōu)良的牢固冶金結(jié)合，又不過多稀釋而改變合金成分；基材的熱溶體作用，迅速導(dǎo)熱、吸熱、散熱，產(chǎn)生極高冷卻速度(106～108 K/s)的快速凝固，形成了超細(xì)而均勻的非平衡、亞結(jié)晶狀態(tài)的枝狀共晶組織。熔覆層具有強韌兩相微觀結(jié)構(gòu)特征，韌性相為合金元素過飽和含量極高的亞穩(wěn)γ-奧氏體，強化相為高硬度的亞穩(wěn)M7C3合金碳化物，組織均勻細(xì)小。這種組織形態(tài)遠比堆焊層的顯微組織更加優(yōu)良，對性能是有影響的。所以通過采用激光熔覆工藝可以使耐磨層組織的力學(xué)性能和使用性能得到改善和提高。
2.3 熔覆層顯微硬度對比分析
??經(jīng)過顯微觀察看出激光熔覆層比堆焊層的顯微硬度平均高300HV左右。在熔合線處，兩者的顯微硬度均有明顯的下降趨勢，而試件基材的顯微硬度明顯較低。 這是由于激光熔覆層的組織形成為合金元素含量很高的非平衡γ-奧氏體和γ﹢M7C3合金碳化物共晶組織，組織均勻細(xì)小。其上碳化物等硬質(zhì)相分布比較均勻，大部分硬質(zhì)相呈細(xì)粒狀彌散分布。而堆焊層組織為珠光體基體上分布Cr的枝晶碳化物及小塊次生碳化物，碳化物分布不夠均勻，且晶粒粗大。在γ-奧氏體和高硬度共晶碳化物的共同作用下，激光熔覆層的顯微硬度比堆焊層的要高。
2．4 熔覆層磨損對比試驗
??在相同的磨損條件和磨損時間內(nèi)，激光熔覆回火磨損試件的磨損失重量比堆焊磨損試件的要小。經(jīng)回火處理后的激光熔覆層比堆焊層耐磨。
??分析認(rèn)為：通過回火處理后，使激光熔覆層的內(nèi)應(yīng)力降低，脆性下降，硬度下降，斷裂韌性得到提高。在450℃回火保溫1.5小時的熱處理工藝，使激光熔覆層強韌性達到比較好的狀態(tài)。這時，激光熔覆層洛氏硬度為HRC61，比堆焊層的硬度HRC54高許多，比對磨輪的硬度HRC60還高?？梢?，在材料的強韌性相接近的情況下，材料的硬度越高耐磨性越好。激光熔覆層回火后耐磨性提高。
2.5 磨損面的微觀對比分析
??經(jīng)實驗激光熔覆回火試件的磨痕呈小坑和不規(guī)則的樹枝狀和顆粒狀。而堆焊試件磨痕呈現(xiàn)出許多細(xì)長的溝槽，這些溝槽具有明顯的方向性，與摩擦方向一致。有較高的順應(yīng)性。同時，還分布有為數(shù)眾多的小孔洞。放大4000倍的磨痕形貌顯示，激光熔覆基體的強韌性配合較好，幾乎沒有顯示顯微梨溝、顯微切削或顯微裂紋。而堆焊試件顯示韌性較高，顯微梨溝和顯微切削形貌大量存在，但也沒有顯微裂紋顯示。這樣的磨痕形貌均與試件的原始組織和性能有關(guān)。
??激光熔覆層中的組織是極其細(xì)小的樹枝晶和胞狀晶，而堆焊層中的組織是較為粗大的樹枝晶。激光熔覆層中的基體組織為奧氏體，它比堆焊層中的基體組織珠光體的硬度高。通過回火處理后，奧氏體的韌性得到加強。因而，在基體組織和硬質(zhì)相碳化物的共同作用下，激光熔覆磨痕形貌呈現(xiàn)不規(guī)則的樹枝狀和顆粒狀，而堆焊試件的磨痕呈現(xiàn)出許多細(xì)長的溝槽和孔洞。由于堆焊試件基體組織珠光體較軟，有較強的順應(yīng)性，因而，形成大量深淺不一、與摩擦方向保持一致、長度較大的溝槽。起支撐作用的基體組織的殘存面積所剩較少，被磨去得組織較多。而激光熔覆試件中，起支撐作用的基體組織的殘存面積所剩較高，被磨掉的組織主要是原先分布在細(xì)小枝晶間隙中的較軟的組織，大量的強韌性較高的組織起到了耐磨損的支撐作用。
??通過環(huán)境掃描電鏡的觀察、分析，試件磨損面的顯微形貌顯示，激光熔覆層通過450℃保溫1.5h回火處理后比堆焊層更加耐磨。
3． 結(jié)論
1. 激光熔覆層比堆焊層的表面成型較為理想。激光熔覆試件沒有明顯的變形和翹曲。
2. 與堆焊層顯微組織相比較，激光熔覆層組織大部分區(qū)域處于非平衡、亞結(jié)晶狀態(tài)，且具有強韌兩相微觀結(jié)構(gòu)特征。熔覆層組織細(xì)小。從而使其力學(xué)性能和使用性能得到改善和提高。
3. 激光熔覆層的顯微硬度平均比堆焊層顯微硬度高300HV左右。這主要是由熔覆層中合金的組織性能和形態(tài)決定的。
4. 激光熔覆層通過450℃保溫1.5h回火處理后，強韌性達到比較好的配合狀態(tài)。在相同的磨損條件下和磨損時間內(nèi)，激光熔覆磨損試件比堆焊磨損試件的磨損失重量要小50%以上。同時，通過掃描電鏡對磨損面進行對比分析。均可見回火處理后的激光熔覆層(WF372)比堆焊層(D667)的耐磨性好。 |
