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激光熔覆专用铁基合金粉末的研究进展
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浅析激光熔覆材料的研究现状及发展
激光熔覆技术起源于20 世纪70 年代，Gnanamuthu 提出采用激光在金属基体表面熔覆一层金属的方法专利之后， 激光熔覆技术成为表面工程领域的前沿性课题。
　　OFweek网讯：随着现代工业的飞速发展，对材料的要求越来越高，材料表面改性技术是兼容材料基体性能与材料表面性能的重要手段，已被科学工作者广泛地研究和应用。技术起源于20 世纪70 年代，Gnanamuthu 提出采用激光在金属基体表面熔覆一层金属的方法专利之后， 激光熔覆技术成为表面工程领域的前沿性课题。　　激光熔覆技术以高能为热源照射基体合金表面，使待熔粉末熔化、扩展并快速凝固，在基体合金表面形成一种冶金结合的表面涂层， 可用于提高材料表面的强度、硬度，改善表面耐磨性能、抗氧化性能和耐腐蚀性能等。与热喷涂等技术相比，激光熔覆技术冷速高达106℃/s， 熔覆过程热输入小、基体热变形小，熔覆层稀释率低(一般小于8%)、性能可靠，并且熔覆层材料种类多，熔覆过程可实现自动化。影响激光熔覆层性能的因素复杂，而激光熔覆材料是主要因素之一， 直接决定了熔覆层的使用性能，因此一直受到研究人员的重视。本文对激光熔覆常用材料体系的研究进展进行了介绍和综述， 并讨论了激光熔覆材料的设计原则， 为激光熔覆技术的深入研究和应用提供了参考。　　1、激光熔覆材料研究现状　　熔覆材料的性能直接决定熔覆层的性能， 自熔覆技术诞生以来， 熔覆材料的开发一直受到研究人员的重视。熔覆材料按照其添加时存在状态可分为粉末材料、膏状材料、丝状材料和棒状材料等。粉末材料通常配合同步送粉法使用， 是应用最广泛的熔覆材料。目前常见的粉末材料包括自熔性合金粉末、高熵合金粉末、复合材料粉末和陶瓷粉末等。　　1.1 自熔性合金粉末　　自熔性合金粉末是指在Ni、Fe、Co 等基体合金中加入合金化(Si、B 等)元素形成具有低熔点共晶体的一系列合金粉末。Si、B 能降低合金粉末熔点，使其自动脱氧造渣，减少熔覆层中含氧量，提高熔覆层的成型性能。Ti、Al 能形成金属间化合物产生沉淀强化，B、Co 等可实现晶界强化。自熔合金对于基体有很好的适用性， 可以通过添加不同的合金化元素得到系列产品。　　1.1.1 Ni 基自熔合金粉末　　Ni 基自熔性合金粉末价格适中，具有良好的韧性、润湿性、耐磨性、耐蚀性、耐冲击性和耐热性等优点，并且在高温具有自润滑作用，是激光熔覆材料中研究使用最广泛的材料，主要应用于要求局部耐磨、耐腐蚀的构件。王子雷在45 钢表面制备了NiCrBSi 合金涂层。组织分析表明，B、Cr、Ni、C 形成弥散分布的Ni3B、CrB、Cr23C6等强化相， 熔覆层显微硬度为500～650HV0.2。张兴虎等在纯钛表面制备了NiCr涂层。研究发现，涂层与基体为冶金结合，具有细小状树枝晶结构， 主要组成相有NiTi、Ni3Ti、Ni4Ti3、Cr2Ni3、Cr2Ti 相，涂层的平均硬度为780HV0.2，且耐磨性能优异。张伟等采用Ni-Cr-B-Si 粉末在H13压铸模具钢表面制备了激光熔覆层。结果表明，熔覆层由固溶了Fe、Cr、Si、C 等元素的Ni 基固溶体和细小弥散分布的Cr、Fe 等元素的硬质碳化物组成，固溶强化与弥散强化效果显着， 熔覆层平均硬度达到731.9HV0.2。　　1.1.2 Fe 基自熔粉末合金　　Fe 基自熔粉末合金成本低廉、耐磨性好，其熔覆层成分与铸铁、低碳钢等基体合金接近，相容性好，界面结合牢固，常用于钢铁与低碳钢要求局部耐磨的零件。目前Fe 基合金常用的合金元素有C、Si、B、Cr 等。Fe、Cr 等元素可与C、B 等元素反应生成细小的硬质碳化物或硼化物，弥散分布于熔覆层内，提高熔覆层硬度，进而提高其耐磨性能。Nagarathnnam等设计了Fe-Cr-W-C 粉末，成功制备了铁基合金激光熔覆层。研究发现，涂层由细小的初生奥氏体枝晶和奥氏体与M7C3型(M 代表金属元素，下同)的共晶组织组成，维氏显微硬度达到8GPa。张娈等使用晶态与非晶态Fe-B-Si 系合金粉末，在45 钢表面制得激光熔覆层。结果表明，晶态粉末制得的熔覆层由固溶了B 与Si 的&-Fe 组成。非晶粉末制得的熔覆层由&-Fe 和硬质Fe2B 两相构成， 熔覆层组织细小且与基体结合良好。王晓荣等使用钛铁、钒铁、铬铁、石墨和纯铁粉在Q235 表面制备了Fe-Ti-V-Cr-C激光熔覆层。研究发现，石墨与Ti、Cr、V 原位反应生成TiC-VC 和Cr7C3等网状或弥散分布的陶瓷相，提高了熔覆层的硬度及耐磨性，并且适量石墨的添加可以抑制有害相Fe2Ti 生成。　　1.1.3 Co 基合金自熔粉末合金　　Co 基合金具有良好的耐蚀性、耐热性以及抗粘着磨损等性能，常用于石化、电力、冶金等工业领域。常用的合金元素主要有Cr、W、Ni、C、Mo、Si 等，Co、Cr、Mo 等元素可与其他元素形成硬质相，硬质相均匀分布产生强化效果。秦承鹏等采用激光熔覆在沉淀硬化不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH)上制备了Co 基合金涂层，涂层均匀致密，与基体形成冶金结合。研究表明，涂层由初生&-Co 树枝晶和片层状共晶组织组成，共晶组织中Cr、W 含量较高，起到强化的效果。冯树强等在304L 不锈钢表面制备了Co基熔覆层。结果表明，熔覆层由&-Co 固溶体、Fe2Mo相及Co7Mo6相组成，Co、W 等难熔元素富集于枝晶干，Cr、Ni 在枝晶间共晶组织中含量较高。张松等在2Cr13 不锈钢表面进行Co 基合金激光熔覆处理。研究发现，熔覆层与基体形成元素扩散带，为细小枝晶与多元共晶组织， 主要由&-Co 过饱和固溶体、CrB、Co3B、M23 (CB)6、M6C 等相组成， 硬度达到1000HV，具有优异的耐高温腐蚀性能。
责任编辑：luojing
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广东省/深圳市铁基合金粉末激光熔覆的显微硬度分析_激光加工_中国百科网
铁基合金粉末激光熔覆的显微硬度分析
    　　疲劳、腐蚀、摩擦和磨损是机械零部件、工程构件的主要破坏形式,它们所导致的经济损失是十分惊人[1],其引起的工程构件的失效大多发生在表面,零件的表面硬度影响零件的耐磨性。采用大功率激光熔覆修复技术,在零件表面失效的部分,激光熔覆一层合金材料使得熔覆合金层的零件表面有良好的机械性能,使因表面失效而报废的零件能再次使用。对于一些外形尺寸较大、吨位重的零件,利用激光熔覆技术修复后,减少工件的报废数量,降低备件制作成本,提高零件的使用寿命和再利用率,这对于节省金属材料,提高经济效益有很重要的意义。激光熔覆再制造技术是近年来各发达国家竞相研究和应用的重点之一。它是解决资源浪费、环境污染和废旧装备翻新改造的最佳方法和有效途径之一,是符合国家可持续发展战略的一项绿色系统工程。
　　本文以铁基合金粉末为熔覆材料,在常用的中碳钢(45号钢)基材上激光熔覆高硬度铁基合金覆层,研究工艺参数对显微硬度及表面硬度的影响,以提高零件的耐磨性,使之为工业应用奠定基础。
　　我们用前期正交实验法得到的两组最佳工艺参数[2],进行了后续试验的组织分析和显微硬度分析
　　2 实验方法实验在DL2HL2TH500型高功率横流CO2激光器上进行,配SIMENS数控控制系统;熔覆材料为铁基粉末,基体材料为45号钢。
　　试验前将45号钢棒料待熔覆面用砂纸打磨(表面粗糙度Ra=0.8um)并用丙酮清洗干净吹干,采用同步送粉法进行激光熔覆实验,实验加工示意图如图1 。
同步送粉法激光熔覆加工示意图
　　试验步骤如下:
　　(1 ) 将试样用卡盘夹紧,调节激光功率、扫描速度、送粉速度,用激光器进行激光熔覆处理,处理时,用氩气气体保护。
　　(2) 试验结束后, 垂直扫描方向沿法向轴线剖切试样,在镶嵌机上制作金相式样,经过金相打磨抛光后,经5%硝酸酒精腐蚀后,在光学显微镜下观察组织形态和成分变化;用金相显微镜观测熔覆层表面状况,熔覆层与基材结合处及基材热影响区的金相组织。
　　(3)在显微硬度计上测量熔覆层表面及沿径向深度方向的硬度值。
　　3 实验结果与分析硬度测量分为表面硬度测量和熔覆层的显微硬度测量,表面硬度的测量使用HR1502A型洛氏硬度计,显微硬度的测量使用HX2200型显微硬度计。
　　从测量的硬度变化可以看出。在速度较低时,当扫描速度一定时,随着激光功率的增加,表面硬度有所下降。但是当扫描速度加快时,随着激光功率的增加,熔覆层表面硬度又越来越高。当功率一定时,扫描速度越快,硬度越高。到一定的速度又有所下降,硬度变化规律用曲线表示如图2 :
　　总之,熔覆层的表面硬度与激光功率与扫描速度有很大关系,激光功率越高,扫描速度越快,则得到的熔覆层表面硬度越高。熔覆层的表面硬度与熔覆的层数没有多大关系。选择前期实验所得熔覆层表面最好的两组参数进行试验,做显微硬度分析。
　　以下曲线上的垂直线表示熔覆层和基体的结合面
　　(1)Fe35铁基合金粉末在45号钢调质态棒料上激光熔覆实验式样的显微硬度图
从图3和图4中看出,以两组参数加工的熔覆层的硬度相差不大,基体热影响区的硬度有所差别 ,
　　但相差也不大;以参数组2加工的熔覆层下的基体热影响区的硬度要略高于以参数组3加工的熔覆层下的基体热影响区硬度。这是因为以参数组3加工的熔覆层是由两层叠加而成,在第二层熔覆层成形时,产生的热将对前一层覆层的热影响区有回火作用,所以以参数组3激光熔覆的结果在熔覆层搭接部位或覆层下基体热影响区的硬度要低于以参数组2激光熔覆的硬度;两个参数组的熔覆层与基体热影响区的硬度过渡平滑,有利于抑制裂纹的产生。
　　(2)Fe30铁基合金粉末在45号钢调质态棒料上激光熔覆实验式样的显微硬度对比图 :
　　(3)Fe35铁基合金粉末在45号钢锻态棒料上实验式样的显微硬度对比图:
从图5和图6、图7和图8中看出,同样以两个参数组加工后的熔覆层的硬度相差不大,基体热影响区的硬度有所差别,其结果与图3和图4一致。
　　以参数组3加工的熔覆层和搭接部位的覆层是多覆层叠加起来的,在单层未预热激光熔覆时,熔覆层的组织很细小;搭接熔覆、多层熔覆的第二道或第二层熔覆由于熔覆过程连续进行,前道(层)熔覆层温度较高,即开始第二道(层)搭接熔覆,故搭接区的组织粗化。多层熔覆的层间搭接的重熔区位于熔池的底部,由于刚形成的熔覆层温度很高,近表面温度较低,相当于对熔池有激冷的作用。熔池底部的液态金属处于过冷,在熔池底部形成的晶核,通过周围液体传热,晶核向液体中继续长大便形成等轴晶。由于层间温度较高,结晶速度较慢,故形成的等轴晶组织较粗大[3]。由多层熔覆的熔覆层组织分布可以看出,硬度峰值出现在各层的近表层的细晶区;而最低硬度则出现在两层之间重熔区的粗晶区。
　　4 结论应用Fe35铁基合金粉末和Fe30铁基合金粉末在45号钢上进行激光熔覆,熔覆层与基体硬度过度平缓,覆层与基体结合过程中内部应力减少,熔覆层表面和基体表面没有裂纹;搭接部分基体热影响区硬度相对未搭接部分基体热影响区低;熔覆层的表面硬度与激光功率及扫描速度有很大关系,激光功率越高,扫描速度越快,则得到的熔覆层表面硬度越高。熔覆层的表面硬度与熔覆的层数没有多大关系。
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