液壓支架激光熔覆不銹鋼合金涂層的實(shí)驗(yàn)研究

申衛(wèi)國(guó)方艷董玲岑虎王春嫻顧振杰

天津工業(yè)大學(xué),天津,300387

摘要：采用激光熔覆技術(shù)在硅錳鋼樣件表面制備了不銹鋼涂層，用SEM和能譜儀分析了基體與熔覆層界面以及熔覆層之間的微觀組織及成分,開(kāi)展了試樣彎折和沖擊強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:在激光功率為6kW、掃描速度為8mm/s、光斑直徑為5mm、搭接率30%的工藝條件下,基體與熔覆層界面以及熔覆層之間出現(xiàn)小亮帶,形成冶金結(jié)合;熔覆方向垂直于觀察面的覆層形貌呈蜂窩狀,熔覆方向與觀察面平行的覆層形貌呈豎直條狀;在功率6kW、掃描速度16mm/s、光斑直徑5mm、搭接率30%時(shí),熔覆層與基體以及熔覆層之間會(huì)產(chǎn)生夾渣；熔覆層具有較好的韌性和沖擊強(qiáng)度，熔覆后的試樣的沖擊強(qiáng)度提高了7.7%。

關(guān)鍵詞：激光技術(shù);激光熔覆;不銹鋼涂層;顯微組織

中圖分類(lèi)號(hào):TG156.99

收稿日期：2014-08-18

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)與中國(guó)民用航空局聯(lián)合資助項(xiàng)目(U1333121);天津市重大專(zhuān)項(xiàng)(13ZCZDGX01109)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(12JCQNJC02800)

作者簡(jiǎn)介：申衛(wèi)國(guó),男,1963年生。天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師。研究方向?yàn)榧す庵圃鞈?yīng)用及其過(guò)程檢測(cè)。發(fā)表論文4篇。方艷，女，1980年生。天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師。董玲，女，1976年生。天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師。岑虎，男，1986年生。天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。王春嫻，女，1966年生。天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師。顧振杰，男，1989年生。天津工業(yè)大學(xué)理學(xué)院實(shí)驗(yàn)員。

Experimental Study of Stainless Steel Alloy Coating Fabricated by Laser Cladding onto Hydraulic Support

Shen WeiguoFang YanDong LingCen HuWang ChunxianGu Zhenjie

Tianjin Polytechnic University,Tianjin,300387

Abstract:The stainless steel alloy coating was fabricated on the surface of silico-manganese steel specimen by laser cladding.The SEM and X-ray diffraction were used to analyze microstructure and composition of the clad layers.The bending and impact strength experiments were carried out on the clad specimen.The results show that the bright zone exits in the zone between clad layer and matrix or the zone between clad layers,which forms metallurgical bonding when the laser power is as 6kW,the scanning speed is as 8mm/s,the spot diameter is as 5mm and overlap rate is as 30%.The layer fabricated in the direction perpendicular to the observed surface shows honeycomb,and the layer fabricated in the direction parallel to the observed surface shows vertical bars.The slag inclusion forms in the zone between layers during laser cladding when the laser power is as 6kW,the scanning speed is as 16mm/s,the spot diameter is as 5mm and overlap rate is as 30%.The impact strength of the specimen increases by 7.7%, the clad layers have nice toughness and impact strength.

Key words:laser technology;laser cladding;stainless steel coating;microstructure

0引言

液壓支架是煤礦綜合機(jī)械化采煤工作面的關(guān)鍵且裝配最多的設(shè)備,其投資占采掘設(shè)備總投資的70%左右[1-2]。傳統(tǒng)液壓支架的鍍層在長(zhǎng)期使用中容易出現(xiàn)腐蝕和剝落,造成支架失效,進(jìn)而引發(fā)頂板事故,嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)[3]。金屬增材制造技術(shù)利用熱源將粉末或絲材逐層堆積起來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬零件制造，已迅速成為快速成形領(lǐng)域內(nèi)最有發(fā)展前途的先進(jìn)制造技術(shù)之一[4-6]。激光熔覆作為金屬增材制造基礎(chǔ)技術(shù)，以其高能量密度激光束，將預(yù)置于基體的涂層或者通過(guò)送粉裝置輸送到基體的金屬粉末迅速熔化，快速凝固后形成具有高強(qiáng)度、耐磨、耐蝕、耐熱的熔覆層[7-13]。目前,國(guó)內(nèi)外激光熔覆的主要研究難點(diǎn)是激光熔覆中熔池形貌與溫度場(chǎng)變化規(guī)律[14-16]、熔覆工藝優(yōu)化與改進(jìn)[17-18]、熔覆零件的微觀組織與性能[19-23]、梯度激光熔覆等[24-25]。激光熔覆過(guò)程較復(fù)雜,影響因素較多，給實(shí)際生產(chǎn)加工帶來(lái)了較多困難。例如,多道搭接所產(chǎn)生的熱積累效應(yīng)和熔覆層間的熱應(yīng)力，容易造成熔覆層的裂紋敏感性顯著增大[13,17],嚴(yán)重影響了熔覆層質(zhì)量。目前,主要通過(guò)調(diào)整熔覆層成分、優(yōu)化工藝參數(shù)、改進(jìn)工藝方法等方法來(lái)控制熔覆中的裂紋和氣孔等的出現(xiàn)[17-20]。本文以不銹鋼粉末作為熔覆材料，在硅錳鋼表面采用激光熔覆的方法，進(jìn)行了激光熔覆制備不銹鋼合金涂層的實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)熔覆后的試件進(jìn)行了折彎和抗沖擊強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。

1實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

熔覆層材料選用316L不銹鋼粉末,粒度為-140～+320目,其化學(xué)成分如表1所示。實(shí)驗(yàn)用基體材料為硅錳鋼(27SiMn),在激光熔覆實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行除油和除銹等表面處理，以增強(qiáng)與熔覆層的結(jié)合力。

表1　實(shí)驗(yàn)合金粉末成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) [26]　%

1.2熔覆工藝及設(shè)備

激光熔覆過(guò)程示意圖見(jiàn)圖1,其成形的過(guò)程如下：首先,由單道熔覆在基體表面沿Y軸方向依次搭接形成第一層熔覆層；接著由單道熔覆在第一層熔覆層表面沿X軸方向(垂直于上一層熔覆方向)，依次搭接形成第二層熔覆層；最后由單道熔覆在第二層熔覆層表面沿Y軸方向(垂直于第二層熔覆方向)，依次搭接形成第三層熔覆層。熔覆工藝參數(shù)如下：激光熔覆采用CO2激光器,激光功率為6kW,掃描速度為8mm/s,光斑直徑為5mm，搭接率為30%。激光器采用的是武漢金石凱CO2激光器,其型號(hào)為HANSGS-TFL-10000 。

(a)原理圖

(b)實(shí)驗(yàn)設(shè)備 圖1　激光熔覆過(guò)程原理示意圖及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.3熔覆層組織及性能測(cè)試方法

采用線(xiàn)切割將激光熔覆試樣的橫向(平行于熔覆層最外層的激光束掃描方向)、縱向(垂直于熔覆層最外層的激光束掃描方向)截面切開(kāi)后作為試塊;將橫向截面在預(yù)磨機(jī)上用砂紙逐級(jí)打磨至800號(hào),采用型號(hào)為XQ-2B的鑲嵌機(jī)對(duì)試塊進(jìn)行鑲嵌制成鑲嵌試樣;將試樣在預(yù)磨機(jī)上用砂紙逐級(jí)打磨至1000號(hào),經(jīng)拋光后,分別進(jìn)行腐蝕劑(王水)腐蝕、水沖洗、酒精清洗、干燥處理,制成金相試樣;選用S-4800冷場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡對(duì)基體材料和熔覆層之間的微觀組織形貌進(jìn)行檢測(cè)分析,并對(duì)材料的成分進(jìn)行能譜分析。為了測(cè)試熔覆層的強(qiáng)度，還對(duì)試件進(jìn)行了折彎和沖擊測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1基體和熔覆層顯微組織形貌

圖2所示為激光功率6kW、掃描速率8mm/s、光斑直徑5mm、搭接率30%的工藝條件下制得的熔覆樣品的橫截面在低倍掃描電鏡下的顯微組織形貌，可以看出，熔覆層與基體、熔覆層之間的界面出現(xiàn)了小亮帶，亮帶呈現(xiàn)一定的波動(dòng)形貌，表明基體與熔覆層及熔覆層之間形成了良好的冶金結(jié)合。圖2中，J表示基體,A、B、C分別表示第一層、第二層、第三層熔覆層。

(a)基體和熔覆層界面

(b)熔覆層之間的界面 圖2　不同熔覆層界面的低倍SEM圖

圖3a所示為基體與第一層熔覆層高倍SEM圖,可以看出:由于試樣腐蝕采用的是王水，基體腐蝕較嚴(yán)重,而熔覆層腐蝕較輕微；熔覆層表面平整，只有輕微的氣孔腐蝕，熔覆層和基體界面處較規(guī)整，形成了冶金結(jié)合。圖3b為第二層和第三層熔覆層界面處高倍SEM圖,可以看到:熔覆方向垂直于觀察截面的第二熔覆層組織形貌呈現(xiàn)出蜂窩形貌，每一個(gè)窩是由激光單道熔覆形成的單獨(dú)熔池，窩邊緣的弧形結(jié)構(gòu)為搭接重熔區(qū)域[18];熔覆方向平行于觀察截面的第三熔覆層組織形貌為豎直方向的細(xì)條結(jié)構(gòu)。

(a)基體和熔覆層界面

(b)熔覆層之間的界面 圖3　不同熔覆層界面的高倍SEM圖

2.2熔覆層缺陷分析

激光加工是一個(gè)快速加熱和迅速冷卻的過(guò)程，并伴隨復(fù)雜的能量和動(dòng)量傳輸，使得基體與熔覆層以及熔覆層之間在工藝不當(dāng)時(shí)容易產(chǎn)生夾渣和氣孔等缺陷[27]。圖4所示為功率6kW、掃描速度16mm/s、搭接率30%時(shí)試樣的組織形貌，圖4a顯示了基體和第一熔覆層間夾渣情況，熔渣在基體上表面，與基體間并無(wú)特殊表現(xiàn)形式，形成較為清晰的分界面。圖4b對(duì)夾渣情況進(jìn)行了放大顯示,可看出，熔渣實(shí)際上是嵌入熔覆層中的，熔覆層由于對(duì)流作用，熔覆層金屬與基體間形成了良好結(jié)合；熔渣被包裹于熔覆層中，熔渣呈現(xiàn)球形，說(shuō)明熔渣在形成過(guò)程中，受到激光的輻照作用及熔池金屬液體流動(dòng)作用，使得其結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)球形，在金屬對(duì)流的作用下，被熔覆層金屬液體包裹，成為了熔覆層的裂紋來(lái)源。

圖4c為第一和第二熔覆層間夾渣低倍SEM圖，可以發(fā)現(xiàn)夾渣在第一和第二熔覆層界面的上表面，與第一層熔覆層界面接觸較為平整，在夾渣的上表面由于激光輻照的影響而呈現(xiàn)較為光滑的弧形界面。圖4d是對(duì)夾渣區(qū)域進(jìn)行高清放大后的照片，可以看到：熔覆層與夾渣間還存在小的夾渣，此表面熔渣區(qū)域是激光制造中零件裂紋的來(lái)源，在熱應(yīng)力的作用下，此部分受力不均，導(dǎo)致產(chǎn)生零件裂紋。

(a)基體與熔覆層間夾渣

(b)基體與熔覆層間夾渣的高清組織形貌圖

(c)熔覆層間夾渣

(d)熔覆層間夾渣區(qū)域高清組織形貌圖 圖4　工藝不當(dāng)時(shí)熔覆層間夾渣的組織形貌圖

2.3基體和熔覆層成分測(cè)試分析

對(duì)基體組織成分進(jìn)行EDS測(cè)試分析,結(jié)果(基體中各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù))如下：C為0.81%、Si為1.41%、Cr為1.11%、Mn為1.26%,Fe為95.41%。圖5所示為基體顯微組織，可以看出，基體表面較為平整，基體材料含量最多的是Fe(約占95.4%)，其他主要成分包括C、Si、Cr、Mn等。

圖5　基體顯微組織

對(duì)熔覆層層間組織進(jìn)行EDS分析,分析結(jié)果如表2所示。分析結(jié)果表明：第一層熔覆層主要含F(xiàn)e、Cr、Ni、C、Mo、Si，在測(cè)試中還發(fā)現(xiàn)少量的Al，這是由于試塊制備時(shí)采用三氧化二鋁磨料所致。另外，對(duì)比不同層間EDS分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不同激光熔覆層材料成分及含量基本保持一致，這表明：激光熔覆制造中，在各層采用相同金屬粉末的情況下，各熔覆層和熔覆層間的界面處材料成分基本保持不變，激光熔覆具有較好的材料均勻性和穩(wěn)定性。

表2　熔覆層的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　%

2.4韌性和沖擊強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試試樣表層熔覆層的韌性,采用線(xiàn)切割將制得的激光熔覆樣件切割成若干塊試件，其尺寸為200mm×50mm×20mm,熔覆層厚度為3mm,對(duì)試件進(jìn)行了180°彎折實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示,可看出,試件的熔覆層沒(méi)有產(chǎn)生剝落、開(kāi)裂等現(xiàn)象，表明激光熔覆制得的涂層具有較好的韌性。

圖6　180°彎折實(shí)驗(yàn)后的試樣

對(duì)從激光熔覆樣件上切割出的試件進(jìn)行沖擊強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)基體的沖擊強(qiáng)度為39J,熔覆層的沖擊強(qiáng)度為42J,熔覆后的試樣沖擊強(qiáng)度提高了7.7%,實(shí)驗(yàn)后試樣的圖片見(jiàn)圖7。

圖7　沖擊強(qiáng)度測(cè)試后的試樣

3結(jié)論

(1)激光功率6kW、掃描速度8mm/s、光斑直徑5mm、搭接率選30%工藝條件下進(jìn)行熔覆制造時(shí)，基體和熔覆層形成良好的冶金結(jié)合；激光熔覆方向垂直于觀察面的第二熔覆層的形貌呈蜂窩狀，這是單道熔覆時(shí)單個(gè)熔池在熔覆后形成的；激光熔覆方向平行于觀察面的第一、第二熔覆層形貌呈豎直條狀。

(2)功率6kW、掃描速度16mm/s、光斑直徑5mm、搭接率30%時(shí)，激光熔覆產(chǎn)生的夾渣位于基體和熔覆層界面靠近熔覆層處，或者熔覆層間界面靠近后一層處，夾渣上表面呈弧形或球形；夾渣與熔覆層間為非冶金結(jié)合，高清放大后顯示兩者存在縫隙；夾渣和前一層有時(shí)并不接觸，在激光熔池內(nèi)金屬對(duì)流作用下，被包裹在熔覆層中。

(3)基體和熔覆層的成分測(cè)試分析結(jié)果表明,在激光熔覆中,采用相同金屬粉末和工藝條件下，熔覆層材料的成分基本不發(fā)生變化，激光熔覆具有較好的材料均勻性和穩(wěn)定性；對(duì)試樣的180°彎折和沖擊強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明,熔覆層具有較好的韌性和沖擊強(qiáng)度，熔覆后的試樣的沖擊強(qiáng)度提高了7.7%。

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(編輯蘇衛(wèi)國(guó))