張敏華

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089）

金屬構(gòu)件激光熔覆強(qiáng)化的研究

張敏華

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089）

以45鋼作為基體材料，對(duì)激光熔覆工藝參數(shù)中的激光熔覆功率、掃描速度對(duì)熔覆層質(zhì)量的影響進(jìn)行了探討，并得出最佳的激光熔覆工藝參數(shù)。對(duì)試件進(jìn)行了激光熔覆修復(fù)實(shí)驗(yàn)，修復(fù)后試件的表面硬度、耐磨性、耐腐蝕等性能得到明顯提高。

機(jī)械制造；激光熔覆；強(qiáng)化；功率；掃描速度

1 引言

社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為世界各國(guó)共同關(guān)注的話(huà)題。綠色再制造是當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)循環(huán)發(fā)展模式的重要技術(shù)途徑。眾所周知，金屬材料及結(jié)構(gòu)的失效往往是從表面開(kāi)始的，因此表面工程技術(shù)在金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和修復(fù)中起著重要作用[1][2]。在工業(yè)生產(chǎn)中，很多重要零部件處在惡劣條件下工作。當(dāng)生產(chǎn)工藝定型后，它們的耐用性就成為發(fā)展生產(chǎn)、降低成本的限制性環(huán)節(jié)之一。

激光熔覆是現(xiàn)代材料科學(xué)中逐漸興起的一項(xiàng)技術(shù)，特別在合金化金屬粉末制備技術(shù)獲得成熟工程應(yīng)用后，激光熔覆和結(jié)構(gòu)再制造技術(shù)得到了很大發(fā)展[3]。激光熔覆技術(shù)是表面改性技術(shù)的一種，主要特點(diǎn)是可以提高機(jī)構(gòu)的表面硬度、耐磨性、耐腐蝕等性能，得到細(xì)小的晶體組織結(jié)構(gòu)，改善構(gòu)件的綜合機(jī)械性能，最重要的是可修復(fù)因磨損或者其他原因而引起的失效零件，延長(zhǎng)零件的使用壽命[4][5]。

本文重點(diǎn)對(duì)激光熔覆工藝參數(shù)的選擇以及激光熔覆后構(gòu)件的表面硬度、耐磨性、耐腐蝕等機(jī)械性能進(jìn)行了對(duì)比研究。

2 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)所用熔覆層材料為一定含量碳化鎢（鈷包碳化鎢）的Ni60合金粉末，實(shí)驗(yàn)選用基體45鋼，尺寸50mm×50mm×5mm的薄板材料，表面硬度39HRC。

實(shí)驗(yàn)所用激光器為DL－HL－T5000B高功率二氧化碳橫流激光器，技術(shù)性能參數(shù)如表1所示。多模輸出，最大輸出功率5kW，波長(zhǎng)10.6μm，工作氣體CO2、N2和 Ar，氣體比例 CO2∶N2∶Ar=1∶8∶7，氣體純度為99.99%。

表1 TJ－HL－T5000型橫流電激勵(lì)連續(xù)CO2激光器主要技術(shù)性能參數(shù)

實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)為SIEMENS數(shù)控機(jī)床。四軸聯(lián)動(dòng)，移動(dòng)精度±0.2mm。可編程自動(dòng)控制。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 激光熔覆工藝參數(shù)的選擇

激光熔覆工藝參數(shù)對(duì)熔覆層質(zhì)量以及熔覆效果起到至關(guān)重要的作用，所以金屬試件修復(fù)前，工藝參數(shù)的選擇尤為重要，對(duì)修復(fù)效果起決定性作用。

激光工藝參數(shù)主要有激光功率P、激光掃描速度Vs、激光光斑直徑D、預(yù)置粉末厚度B、搭接率Fe、送粉率Vg等，另外，基體與熔覆層材料是否預(yù)熱和后熱也會(huì)影響熔覆層質(zhì)量。

本文重點(diǎn)對(duì)激光熔覆工藝參數(shù)中的激光功率P、激光掃描速度Vs進(jìn)行研究。

3.1.1 激光功率對(duì)熔覆層洛氏硬度的影響

激光功率是激光加工工藝參數(shù)中重要的參數(shù)之一。它的變化會(huì)引起熔覆過(guò)程中熔覆材料熔化溫度的改變，進(jìn)而影響到熔覆層的顯微組織和洛氏硬度。

如圖1所示，為掃描速度1000min－1時(shí)，不同激光功率條件下硬度分布曲線(xiàn)圖。

圖1 硬度隨激光功率的變化

由圖可見(jiàn)，隨著激光功率增加，洛氏硬度出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)激光功率為3.0kW時(shí)平均硬度值最大為67HRC。

熔凝區(qū)域的硬度值隨激光功率的增大而增大，達(dá)到最大值后又隨功率增大而減小。隨著功率的變化，熔覆層的平均硬度在60～67HRC之間變化，明顯高于基體硬度，是基體平均硬度的2～3倍，顯然相對(duì)于基體，熔覆層的硬度得到顯著提高。

出現(xiàn)上述情況的原因是：在其他工藝參數(shù)一定情況下，隨著輸出功率的增加，單位時(shí)間內(nèi)作用于熔覆層材料的能量增大，使熔覆層組織相變過(guò)程充分，又因?yàn)榧す饧庸さ奶攸c(diǎn)是瞬間作用、冷卻速度快，致使晶粒組織成長(zhǎng)時(shí)間短，晶粒組織細(xì)化，從而得到較高硬度的熔覆層。隨著激光功率的不斷增加，當(dāng)激光功率超過(guò)一定程度后，功率密度過(guò)大使更多的基體材料熔化、過(guò)熱，表層組織出現(xiàn)過(guò)熱組織結(jié)構(gòu)，使表層硬度明顯下降。其次，隨著激光功率的增加，傳遞給熔覆層的能量不斷增大，加快了基體與熔覆層之間相互滲透作用，稀釋率加大，基體中元素大量擴(kuò)散進(jìn)入熔覆層，因此熔覆層的硬度開(kāi)始明顯降低。

3.1.2 激光掃描速度對(duì)熔覆層宏觀形貌的影響

圖2為不同掃描速度下激光熔覆試件的宏觀形貌對(duì)比。當(dāng)激光功率為3.0kW、掃描速度為600min－1時(shí)熔覆性較差，出現(xiàn)凹凸不平的表面；掃描速度為1200min－1時(shí)出現(xiàn)熔不透現(xiàn)象，有淚滴狀顆粒；掃描速度為800min－1與1000min－1時(shí)，熔覆效果差別不大，尤其當(dāng)掃描速度為1000min－1時(shí)，表面光滑，熔覆效果理想。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在熔覆功率相同情況下，表面熔覆宏觀形貌在掃描速度為1000min－1時(shí)為最佳，表面比較平整，搭接處也比較理想。

圖2 不同掃描速度下熔覆層宏觀形貌（a）v=600min－1 （b）v=800min－1 （c）v=1000min－1（d）v=1200min－1

實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析得出，激光熔覆效果在工藝參數(shù)為P=3.0kW、v=1000min－1時(shí)表現(xiàn)最佳，所以最后熔覆工藝參數(shù)選定為 P=3.0kW、v=1000min－1。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別以未做任何修復(fù)的試件與激光修復(fù)后的試件為研究對(duì)象，對(duì)激光修復(fù)前后的表面硬度、耐磨性、耐腐蝕等性能進(jìn)行對(duì)比研究。

3.2.1 激光熔覆后表面硬度的對(duì)比

分別對(duì)基體與熔覆層表面在維氏硬度計(jì)上打硬度，將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為洛氏硬度，平均值作為參考值，基體硬度值為39HRC，熔覆層硬度值為59HRC。熔覆層的硬度明顯比基體的硬度高。這是因?yàn)榧す饧庸さ奶攸c(diǎn)是瞬間作用、冷卻速度快，致使晶粒組織成長(zhǎng)時(shí)間短，晶粒組織細(xì)化，熔覆層的共晶組織形態(tài)更加明顯，呈現(xiàn)出排列相當(dāng)整齊的樹(shù)枝晶[7][8]。如圖3所示。

3.2.2 激光熔覆后耐磨損性能的研究

把激光熔覆前后的試件在MMU-5G摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn)，磨損時(shí)間為30min。未經(jīng)過(guò)激光熔覆基體磨損量為1050mg，激光熔覆磨損量為150mg。可見(jiàn)激光熔覆處理前后試件的耐磨性差別很大。未做處理的試件其耐磨性明顯較差，磨損量較大，磨損形貌為較深的劃痕，磨痕明顯有深淺不一的溝槽。而激光熔覆后的試件，磨損較少，磨痕不深，磨后表面比較光滑。

這是因?yàn)榧す馊鄹矊踊w組織十分細(xì)小，且熔覆層中含有大量的碳化物強(qiáng)化相，進(jìn)而有細(xì)晶強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化作用，使熔覆層具有較高的強(qiáng)度和耐磨性。

3.2.3 激光熔覆后耐腐蝕性能的研究

以熔覆前后試件為研究對(duì)象，分別對(duì)其腐蝕10min后，熔覆后的試件組織較清晰，未做處理的試件已經(jīng)出現(xiàn)明顯腐蝕，組織已經(jīng)基本看不出其形貌（圖4）?？梢?jiàn)激光熔覆后試件的耐蝕性能得到明顯提高。

圖3 熔覆層組織

圖4 5%硝酸酒精溶液腐蝕10min微觀組織（a）未處理的試件 （b）激光熔覆后試件

4 結(jié)論

（1）激光熔覆工藝參數(shù)對(duì)激光熔覆層宏觀形貌、微觀組織、硬度、耐磨性都起到關(guān)鍵性作用。所以科學(xué)合理的工藝參數(shù)對(duì)熔覆效果有重要作用。根據(jù)討論得出最佳熔覆工藝參數(shù)：激光熔覆功率為3.0 kW，掃描速度為1000min-1。

（2）通過(guò)對(duì)熔覆前后試件熔覆層硬度、耐磨性和耐蝕性進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究得出，激光熔覆處理后試件的力學(xué)性能得到明顯的提高。

[1] 徐濱士，劉世參,史佩京，等.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)再制造效益分析及對(duì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)研究.中國(guó)表面工程，2005，（1）：1-7.

[2] 郎 娟，邢志華，朱起云.激光表面改性技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用.中國(guó)設(shè)備工程，2003，（8）：17-18.

[3] 張曉輝.激光熔覆技術(shù)在零件修復(fù)上的應(yīng)用.機(jī)械工人，2003，（11）：30-32.

[4] 王茂才，段緒海.激光熔覆（焊）技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)中的應(yīng)用.熱加工，2007，（6）：45-47.

[5] 鄒 輝.利用激光熔覆技術(shù)修復(fù)齒輪[J].制造工藝，2006，（6）：20-24.

[6] 邱星武，李 剛，邱 玲.激光熔覆技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金，2008，36（3）：54-66.

[7] 歐陽(yáng)志明.T10鋼激光熔覆與熔覆層性能研究.華東交通大學(xué)大學(xué)碩士學(xué)位論文[M].2006，7-13.

[8] 張曉燕，許樹(shù)勤，劉應(yīng)忠，張宏亮.耐腐蝕高頸法蘭胎膜鍛成形的數(shù)值模擬[J].鍛造裝備與制造技術(shù)，2009，43（2）：69-71.

Research on laser cladding on metal material

ZHANG Minhua
（Office of Academic Affairs,Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute,Xi'an 710089,Shanxi China）

The influence of laser cladding parameters including power and scanning speed on quality has been discussed based on 45 steel.The optimized laser cladding parameters have been obtained.The laser cladding repairing experiment has been executed to the work piece.The functions of work piece after the experiment including the surface harness,anti-wear,and anti-corrosion have been improved obviously.

Laser cladding;Hardening;Power;Scanning speed

TG113.26

B

1672－0121（2012）02－0073－03

2011-12-07

張敏華（1971－），男，副教授，從事強(qiáng)化與再制造研究