張文龍，張安峰，齊寶路，李　帥，張連重，李滌塵

（西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，快速制造國家工程研究中心，高端制造裝備協(xié)同創(chuàng)新研究中心，陜西西安710049）

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不同氣氛下激光熔覆Fe901修復40Cr組織與性能的研究

張文龍，張安峰，齊寶路，李帥，張連重，李滌塵

（西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，快速制造國家工程研究中心，高端制造裝備協(xié)同創(chuàng)新研究中心，陜西西安710049）

摘要：在不同氣氛下進行激光熔覆Fe901修復40Cr實驗，從微觀組織、元素分析、力學性能等角度探討不同氣氛對修復的影響，研究野外環(huán)境下氮氣替代氬氣的可行性。結(jié)果表明：不同氣氛下的熔覆組織均為樹枝晶和等軸晶的混合組織；不同氣氛下的熔覆層中，氮、氧元素含量變化較小，和Fe901粉末相比沒有明顯增加；不同氣氛下修復試樣的抗拉強度和延伸率較接近，抗拉強度均達到基材的92.5 %以上，延伸率不低于4 %。激光熔覆Fe901修復40Cr的組織和性能受氣氛的影響很小，用氮氣替代氬氣送粉基本能滿足野外環(huán)境下應急快速修復零件的要求。

關鍵詞：激光熔覆；修復；氣氛；力學性能

裝備零件在野外環(huán)境中失效具有偶然性，若無備用零件或距離補給地較遠，將導致設備無法正常運行。如能及時、快速地修復零件，使設備重新投入使用，可節(jié)約資源、降低損失，具有巨大的工程應用價值。

與傳統(tǒng)修復技術相比，激光熔覆修復技術具有熱量輸入小、熱影響區(qū)小、不易損傷基體、熔覆層與基體結(jié)合強度高等優(yōu)點。近年來，通過國內(nèi)外對激光熔覆修復技術進行的研究表明，激光熔覆修復過程大部分是在惰性氣體（如氬氣）保護的環(huán)境中進行的。然而，由于野外環(huán)境中的零件失效具有偶然性，攜帶氬氣（Ar）也不方便，使野外熔覆修復很難在惰性氣體保護的環(huán)境中進行。與惰性氣體相比，氮氣（N2）可通過發(fā)生器從空氣中制取，尤其適合在野外環(huán)境中對失效零件進行快速修復。

本文針對野外環(huán)境下的中碳鋼零件快速修復，分別在Ar送粉Ar保護、Ar送粉無保護、N2送粉無保護3種不同氣氛下進行激光熔覆Fe901修復40Cr實驗，從微觀組織、元素分析、力學性能等角度探討不同氣氛環(huán)境對修復的影響，研究用N2替代Ar的可行性。

1　實驗條件及方法

實驗在LDF-1000A型激光直接成形系統(tǒng)上進行，實驗設備包括Nd：YAG激光器、帶手套箱的工作臺、送粉器、同軸送粉噴嘴、冷水機及輔助裝置等。實驗所用Fe901球形粉末粒度為50～100 μm，其化學成分見表1?；倪x用40Cr棒材，尺寸為φ10mm×25 mm。

表1　Fe901粉末的主要成分

實驗前，將Fe901粉末置于真空干燥箱中，并在120℃環(huán)境下真空干燥4 h，以去除水分、增加粉末流動性?；谋砻嫦扔蒙拜喆蚰コ纱植诒砻?，再用丙酮清洗，以除去油污，然后用乙醇清洗干凈。送粉氣體為Ar和N2，在Ar保護和空氣環(huán)境中分別進行熔覆實驗，粉末由送粉器經(jīng)同軸送粉噴嘴輸送至激光熔池中。實驗使用的主要工藝參數(shù)見表2。

表2　激光熔覆實驗工藝參數(shù)

在40Cr棒料上進行激光熔覆Fe901實驗時，每個試樣的熔覆層和基材各占50 %，并將試樣分為A、B、C 3組。A組試樣的送粉氣體為Ar，且Ar保護熔覆；B組試樣的送粉氣體為Ar，但無保護熔覆；C組試樣的送粉氣體為N2，也無保護熔覆。將試樣按GB/T 228.1—2010標準[1]的規(guī)定進行常溫拉伸試樣的制備，用Istron5985電子萬能材料試驗機測試修復后的力學性能。用LECO600氣體元素分析儀分別測定A、B、C組中Fe901熔覆層和Fe901粉末的氧、氮元素含量，取樣1 g，測量3次并取平均值。用VH-600光學顯微鏡和S-3000N掃描電子顯微鏡對微觀組織和拉伸斷口形貌進行分析，用HXD-2000TMSC/LCD顯微硬度計對修復試樣進行顯微硬度的測試，加載載荷200 g，保持時間10 s。

2　實驗結(jié)果與討論

2.1熔覆層顯微組織

圖1是激光熔覆Fe901微觀組織。激光熔覆單道橫截面微觀組織見圖1a，可見從熔覆層底部到頂部晶體形貌依次為平面晶、胞狀晶、柱狀樹枝晶和等軸晶。這是由于熔覆層剛開始凝固時，熔池與基體之間存在很大的正溫度梯度G，凝固速率R很小，界面處不存在成分過冷，晶體通過基體的非均勻形核作用而保持平面生長的方式，在結(jié)合面處形成平面晶組織，平面晶的形成說明熔覆層與基體之間達到冶金結(jié)合；隨著結(jié)晶過程的進行，溫度梯度與凝固速率的比值（G/R）逐漸減小，成分過冷區(qū)破壞了固液界面的穩(wěn)定性，晶體從平面晶過渡形成一種穩(wěn)定的胞狀晶組織；在熔覆層的中上部，（G/R）值進一步減小，且由于結(jié)晶潛熱的釋放，晶體的生長方向沿著散熱最快的方向生長，從而形成生長方向與基體結(jié)合面大致垂直的柱狀晶和樹枝晶組織；而在熔覆層頂部，固液界面前沿液體的成分過冷大于非自發(fā)形核所需的過冷度時，界面前沿的液體將會自發(fā)形核，生長形成等軸晶。

圖1　激光熔覆Fe901微觀組織

由圖1b可見，實體熔覆層的組織為枝晶和等軸晶的混合組織。這是因為在實體熔覆過程中，已成形的熔覆層和基體相比具有較高的溫度，且隨著結(jié)晶過程中結(jié)晶潛熱的不斷釋放，凝固時的溫度梯度G減小、結(jié)晶速度R增大，故（G/R）值減小，固液界面前沿液體中的成分過冷增大，因此形成枝晶和等軸晶的混合組織。

2.2熔覆層的氮、氧元素含量分析

在不同氣氛下激光熔覆Fe901熔覆層內(nèi)部的氮、氧元素含量分析結(jié)果見表3?？煽闯?，在3種不同氣氛下，熔覆層的氮、氧元素含量變化很小，和Fe901粉末中的氮、氧元素含量相比沒有明顯增加。即不同氣氛環(huán)境對Fe901熔覆層的氮、氧元素含量影響很小，因此，在野外環(huán)境中可選用N2替代Ar進行零件的快速修復。

表3　激光熔覆Fe901試樣的氮、氧元素分析結(jié)果

由表3還可看出，粉末中氮的質(zhì)量分數(shù)為0.029 %，與熔覆層的氮含量相差很小；粉末中氧的質(zhì)量分數(shù)為0.021 %，明顯高于熔覆層的氧含量。其原因主要有以下幾方面：①氧為表面活性元素，覆蓋在熔池表面，阻礙熔池吸氮[2]，且在激光功率不大的情況下，氮氣很難電離并與合金元素發(fā)生反應，故在3種不同的氣氛環(huán)境中，F(xiàn)e901熔覆層和粉末的氮元素含量差別很??；②送粉氣體保護熔池與空氣中的氧氣隔離，F(xiàn)e901粉末中的Si、B元素在熔池中進行脫氧冶金反應，產(chǎn)生的夾渣絕大多數(shù)飛濺出熔池，保護熔池不被氧化，抗氧化性好，故在3種不同的氣氛環(huán)境中，熔覆層的氧元素含量基本相同；③粉末采用霧化原理制成，霧化介質(zhì)中的氧氣使粉末含有一定的氧[3]，且粉末暴露在空氣中，表面易被氧化，所以導致粉末中的氧含量較熔覆層高。

2.3拉伸性能和顯微硬度分析

在不同氣氛下激光熔覆Fe901修復試樣的拉伸性能數(shù)據(jù)見表4?？煽闯?，在3種不同氣氛下，熔覆修復試樣的屈服強度、抗拉強度和延伸率均較接近，且屈服強度超過基體、抗拉強度達到基體的92.5 %以上、延伸率均不低于4 %，表明熔覆修復層與基材結(jié)合性能良好。由于Fe901熔覆層的塑性差，基體的塑性良好，且Fe901的強度比基體高，故在承受拉伸載荷時，主要是基體參與變形，因此，修復后的性能主要體現(xiàn)基體的性能。

表4　激光熔覆Fe901修復試樣及基體的拉伸性能數(shù)據(jù)

通過以上分析，對Fe901合金粉末來說，不同氣氛對激光熔覆修復40Cr的性能影響很小，在野外環(huán)境中采用N2替代Ar作為送粉氣進行熔覆修復后的性能完全滿足使用要求。

圖2是在不同氣氛下激光熔覆Fe901修復拉伸試樣和拉伸曲線，圖3是拉伸試樣斷口SEM形貌及金相圖。由圖2a可見，F(xiàn)e901修復試樣的斷裂位置大多是在靠近結(jié)合面的熔覆層處，這說明Fe901修復40Cr后性能的薄弱位置在結(jié)合面處。同時，由圖2b可知，40Cr在斷裂前發(fā)生明顯的彈塑性變形，而Fe901只發(fā)生彈性變形就已斷裂。由于熔覆層與基體的組織、性能差別很大，在承受橫向拉伸過程中，熔覆層與基體的變形不一致；在結(jié)合面處為了保持變形的連續(xù)性，會產(chǎn)生切應力，導致結(jié)合面端點處應力集中[4-5]，易在此處開始失效，結(jié)合面端點處均存在撕裂（圖3e、圖3f）。

圖2　激光熔覆Fe901修復試樣及拉伸曲線

修復試樣的斷口分析表明：熔覆層的斷口呈現(xiàn)河流花樣的脆性斷裂形貌（圖3a）；裂紋源位于熔覆層與基體結(jié)合面端點處，裂紋在端點處開始撕裂，然后沿著熔覆層呈射線狀擴展（圖3a、圖3e）；斷口局部位置出現(xiàn)韌窩形貌（圖3b），說明斷裂前熔覆層發(fā)生少量的塑性變形；基材塑性良好，斷裂處有明顯的頸縮，斷口出現(xiàn)明顯的纖維區(qū)形貌，微觀形貌呈現(xiàn)大量韌窩，屬于韌性斷裂（圖3c、圖3d）。

圖3　拉伸試樣斷口形貌及金相圖

圖4是激光熔覆Fe901修復試樣顯微硬度隨熔覆層高度的變化曲線。可看出，熔覆層的顯微硬度雖有波動，但基本穩(wěn)定在700 HV0.2左右，遠高于基體硬度300 HV0.2。較高的硬度為Fe901熔覆層的耐磨性提供了保證，可適用于磨損類零件的修復。

3　結(jié)論

（1）Fe901粉末激光熔覆修復40Cr中碳鋼的結(jié)合面處為典型平面晶組織，層內(nèi)主要為柱狀晶和樹枝晶的混合組織，頂部為細小等軸晶。

（2）在Ar送粉Ar保護、Ar送粉無保護、N2送粉無保護等3種氣氛環(huán)境下，F(xiàn)e901熔覆層中的氮、氧元素含量變化很小，和Fe901粉末中的氮、氧元素含量相比沒有增加。不同氣氛下，修復試樣的強度和延伸率較接近，屈服強度均高于基體，抗拉強度均達到基材的92.5 %以上，延伸率均不低于4 %。氣氛環(huán)境對激光熔覆Fe901修復40Cr的性能和氮、氧元素含量的影響很小，故野外環(huán)境下可用N2替代Ar作為送粉氣源。

（3）Fe901熔覆層的顯微硬度約為700 HV0.2，遠高于基體硬度300 HV0.2，故耐磨性好，可適用于磨損類零件的修復。

圖4　顯微硬度測量結(jié)果

參考文獻：

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Study on Mechanical Properties and Microstructure of 40Cr Repaired by Laser Cladding Fe901 under Different Atmospheres

Zhang Wenlong，Zhang Anfeng，Qi Baolu，Li Shuai，Zhang Lianzhong，Li Dichen
（State Key Laboratory for Manufacturing System Engineering，Rapid Manufacturing National Engineering Research Center，The High-end Manufacturing Equipment Collaborative Innovation Research Center，Xi′an Jiaotong University，Xi′an 710049，China）

Abstract：Experiments for repairing 40Cr by laser cladding Fe901 under the different atmospheres. The influence of different atmospheres on the repairing is discussed in terms of microstructure，elements analysis and mechanical properties，intending to investigate the feasibility of replacing Ar with N2in laser cladding repair in the wild environment. The results show that the microstructure of cladding layers under different atmospheres，are composites of dendritic crystals and equiaxed crystals. The contents of N and O in the cladding layers under different atmospheres differ little，or no increase more accurately，compared with that of Fe901 powder. The tensile strength and ductility of samples repaired under different atmospheres differs slightly，among which the tensile strength all reach to 92.5 % of the substrate，and the ductility surpasses 4 %. The atmosphere influences slightly on the microstructure and properties of 40Cr repaired by laser cladding Fe901，which means that replacing Ar with N2can totally satisfy the requirement of the emergency repairing in the wild environment.

Key words：laser cladding；repairing；atmosphere；mechanical property

第一作者簡介：張文龍，男，1990年生，碩士研究生。

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51275392）

收稿日期：2015-08-03

中圖分類號：TG113，TG115

文獻標識碼：A

文章編號：1009－279X（2016）01－0040-04