劉 偉 ,閆泰起 ,孫兵兵 ,陳冰清 ,張 峰 ,龐義斌

（1.中航國(guó)際供應(yīng)鏈科技有限公司,北京 100027；2.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院 3D 打印研究與工程技術(shù)中心,北京 100095；3.航發(fā)優(yōu)材(鎮(zhèn)江)增材制造有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

30CrMnSiA 鋼屬于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，具有較高的強(qiáng)度、韌性以及優(yōu)異的抗疲勞性能[1]，廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)領(lǐng)域中的重要承力構(gòu)件，如飛機(jī)起落架、螺栓、拉桿等零件中[2-4]。這些零件在服役過(guò)程中，需要承受頻繁的磨損、沖擊或腐蝕等作用[5]，容易產(chǎn)生微裂紋、裂紋等缺陷，在未到壽命的情況下最終導(dǎo)致失效[6-7]。為避免零件整體更換產(chǎn)生高昂的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本，采用適當(dāng)?shù)男迯?fù)方法對(duì)受損部位進(jìn)行修復(fù)延壽，能避免材料浪費(fèi)，大幅縮短飛機(jī)維修周期，是降低該類零件使用成本的重要手段[8-9]。飛機(jī)拉桿零件使用一段時(shí)間后，在與軸配合面的位置出現(xiàn)磨損和腐蝕缺陷，不能繼續(xù)使用，需對(duì)拉桿端面與側(cè)面損傷部位進(jìn)行修復(fù)；修復(fù)后的拉桿在后續(xù)服役過(guò)程中需保證力學(xué)和耐磨損性能，并同時(shí)保證輸油孔暢通以及交接處的儲(chǔ)油槽的尺寸。

30CrMnSiA 鋼由于化學(xué)成分特點(diǎn)，其焊接性較差，在焊接過(guò)程中易產(chǎn)生變形或者開(kāi)裂等問(wèn)題。尤其是采用傳統(tǒng)焊接方法進(jìn)行修復(fù)時(shí)，熱輸入較大，開(kāi)裂傾向更大，需要進(jìn)行嚴(yán)格的焊前預(yù)熱、層間溫度控制和焊后緩冷，給操作帶來(lái)了很大不便，且不一定能取得很好的效果[6,10]。激光熔覆技術(shù)作為一種新型的再制造修復(fù)技術(shù)之一[11-13]，其原理是將零件的損傷失效部位作為基體，在高能量激光束的作用下，將熔覆粉末熔化并逐層堆積在待修復(fù)區(qū)，獲得與基體形成冶金結(jié)合涂層的一種表面改性技術(shù)，最終達(dá)到修復(fù)零件的目的[14-16]，在冶金、航空航天、船舶等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[17-19]。相比傳統(tǒng)焊接修復(fù)技術(shù)，激光熔覆修復(fù)具有熱輸入可控、熱影響區(qū)小、基體與熔覆層結(jié)合強(qiáng)度高、熔覆區(qū)組織致密且晶粒細(xì)小等優(yōu)點(diǎn)，可大大降低高強(qiáng)鋼材料焊接及修復(fù)過(guò)程中的裂紋傾向[20-22]。因此，激光熔覆技術(shù)是30CrMnSiA 鋼構(gòu)件損傷部位修復(fù)與再制造的最佳技術(shù)途徑之一。本研究的拉桿待修復(fù)面相互垂直，可達(dá)性差，尤其適合采用激光熔覆技術(shù)作為修復(fù)手段。

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)30CrMnSiA 鋼的激光熔覆修復(fù)技術(shù)開(kāi)展了一些研究工作。研究表明[12,[23-24]，當(dāng)熔覆材料的碳含量小于母材的碳含量時(shí)，低碳含量熔覆層雖能夠提升高強(qiáng)鋼修復(fù)區(qū)的可焊性，增強(qiáng)熔覆層的韌性，但其強(qiáng)度低于基體的強(qiáng)度，導(dǎo)致力學(xué)性能不能滿足要求。采用18CrMoA[25]、1Cr15Ni4Mo3[26]和GQ001[27]等合金粉末，實(shí)現(xiàn)了熔覆層和基體的強(qiáng)韌匹配，但在一定溫度下，基體中的碳元素會(huì)擴(kuò)散至熔覆層和基體之間的界面，使界面中出現(xiàn)增碳脆化現(xiàn)象，導(dǎo)致服役性能穩(wěn)定性降低[28-29]。

本工作選用與30CrMnSiA 鋼拉桿相同牌號(hào)的合金粉末作為熔覆材料，采用激光熔覆方法，對(duì)拉桿零件損傷失效部位進(jìn)行修復(fù)技術(shù)研究。通過(guò)在30CrMnSiA 基體上進(jìn)行激光熔覆工藝實(shí)驗(yàn)，獲得最優(yōu)工藝。采用最優(yōu)工藝進(jìn)行激光焊接和熔覆實(shí)驗(yàn)，對(duì)熔覆接頭的組織和性能以及熔覆層的耐磨損性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用驗(yàn)證后的工藝對(duì)該型拉桿損傷區(qū)域進(jìn)行激光熔覆修復(fù)，并對(duì)修復(fù)后的拉桿尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

損傷拉桿待修復(fù)區(qū)情況如圖1 所示，在端面與側(cè)面大面積出現(xiàn)密集型腐蝕坑及磨損，深度約0.3 mm，通過(guò)修復(fù)需恢復(fù)其尺寸的同時(shí)保證其力學(xué)和耐磨損性能。

激光熔覆實(shí)驗(yàn)的基板和母材均為30CrMnSiA鍛件，化學(xué)成分如表1 所示。熔覆實(shí)驗(yàn)所用粉末為通過(guò)氣霧化法制備的30CrMnSiA 粉末，粉末粒徑為53～105 mm，化學(xué)成分見(jiàn)表1。粉末形貌如圖2所示，可以看到，粉末顆?；境室?guī)則球形，表面存在少量衛(wèi)星粉現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)前將30CrMnSiA 粉末置于溫度120 ℃的真空干燥箱中烘干處理4 h。

表1 實(shí)驗(yàn)材料的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of testing materials

圖2 30CrMnSiA 粉末形貌Fig.2 Morphology of 30CrMnSiA powder

將鍛件下料加工成280 mm×280 mm×10 mm的對(duì)接試板用于激光焊接實(shí)驗(yàn)。將試板表面開(kāi)X 型待焊缺口，單邊坡口角度60°，激光焊接前對(duì)坡口表面進(jìn)行打磨并用丙酮擦洗，隨后將試板平放在水平底板上，坡口對(duì)接，坡口之間留0.1～0.5 mm 間距。

激光熔覆和焊接實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備主要包含TruDisk 6002 型碟片式激光器（最大功率6.0 kW）、KUKA KR90 六軸機(jī)器人、振動(dòng)送粉器等。采用不同的激光熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行單層單道實(shí)驗(yàn)，選用激光功率、掃描速度、送粉量共3 個(gè)實(shí)驗(yàn)因素，設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表2。熔覆完成之后，進(jìn)行成形效果對(duì)比，優(yōu)選出最佳工藝參數(shù)范圍。為防止激光熔覆和焊接過(guò)程中試板發(fā)生氧化，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程在氬氣保護(hù)下進(jìn)行，氬氣流量20 L/min。激光焊接后，將試板置于120 ℃的空氣爐中進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)2 h 的去應(yīng)力退火處理。

表2 熔覆工藝參數(shù)設(shè)計(jì)Table 2 Design of cladding parameters

觀察熔覆層外觀形貌和內(nèi)部缺陷，評(píng)價(jià)成形質(zhì)量，選擇最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行焊接和熔覆實(shí)驗(yàn)。在垂直于焊縫方向，利用線切割在試板焊縫區(qū)切取試樣用于金相觀察，試樣經(jīng)打磨、拋光后，選用4%硝酸酒精溶液作為腐蝕劑腐蝕表面后，采用Leica DM 4000型金相顯微鏡觀察微觀組織。隨后切取試樣測(cè)試焊縫區(qū)不同位置顯微硬度，測(cè)試設(shè)備為恒-FM 800 型數(shù)字顯微硬度測(cè)試儀，施加載荷為2 N，加載時(shí)長(zhǎng)20 s。拉伸性能測(cè)試按照HB5143—1996 進(jìn)行，應(yīng)變速率為0.015 min－1，焊縫區(qū)位于拉伸試樣中心位置，測(cè)試設(shè)備選用MTS E45 型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，斷口形貌觀察選用FEI nano450 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，加速電壓為15 kV。

采用最優(yōu)工藝制備50 mm×50 mm×10 mm的激光熔覆試樣，采用HT-500 型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，在室溫下對(duì)熔覆試樣進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，并采用白光干涉儀測(cè)試磨痕寬度、深度，評(píng)價(jià)耐磨性。

采用最優(yōu)工藝對(duì)拉桿進(jìn)行激光熔覆修復(fù)，對(duì)修復(fù)后的拉桿進(jìn)行尺寸測(cè)量，選用Leitz Reference Xi 三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量拉桿孔徑、長(zhǎng)度等，選用ATOS Triple Scan 16M 光學(xué)三維掃描儀對(duì)拉桿型面進(jìn)行整體掃描，評(píng)價(jià)熔覆修復(fù)對(duì)拉桿變形的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 激光熔覆工藝

根據(jù)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行單層單道激光熔覆實(shí)驗(yàn)，得到不同工藝參數(shù)下成形的13 組試樣，熔覆層宏觀形貌照片如圖3 所示，從右向左依次為1～13 號(hào)樣品。從圖3 可以明顯觀察到激光功率、掃描速度和送粉量對(duì)成形效果的影響，綜合考慮表面成形質(zhì)量、熔寬、層厚以及控制修復(fù)零件熱量輸入以減少變形等因素，選擇8、9、10 號(hào)樣品為最優(yōu)并開(kāi)展后續(xù)參數(shù)研究。

圖3 單層單道激光熔覆試樣Fig.3 Laser cladding samples with single layer and single track

采用優(yōu)選的8、9、10 號(hào)參數(shù)進(jìn)行單層多道激光熔覆實(shí)驗(yàn)并制備金相試樣。圖4 為單層多道激光熔覆試樣外觀照片和金相照片。由圖4 可以看到，三個(gè)試樣均成形良好，但相比之下，采用9 號(hào)參數(shù)制備的試樣表面光滑平整、波紋小，具有最亮的金屬光澤，氣孔數(shù)量最少，尺寸也最小，成形質(zhì)量最優(yōu)；因此，采用9 號(hào)工藝參數(shù)進(jìn)行激光焊接和熔覆實(shí)驗(yàn)，對(duì)接頭的微觀組織、力學(xué)性能及熔覆層耐磨損性能進(jìn)行分析和研究。

圖4 單層多道激光熔覆試樣（a）8 號(hào)；（b）9 號(hào)；（c）10 號(hào)；（1）外觀照片；（2）金相照片F(xiàn)ig.4 Laser cladding samples with single layer and multiple tracks（a）No 8;（b）No 9;（c）No 10;（1）appearance photos;（2）metallographic photographs

2.2 30CrMnSiA 鋼激光焊接頭微觀組織

圖5 為30CrMnSiA 鋼激光熔覆接頭的實(shí)物照片和宏觀形貌。由圖5（a）看出，焊縫表面呈金屬光澤，外觀質(zhì)量良好。對(duì)熔覆接頭的X 射線探傷檢驗(yàn)結(jié)果表明，接頭中無(wú)裂紋及氣孔等其他缺陷。由圖5（b）可以看到，焊縫區(qū)由逐層沉積的熔覆層組成。接頭熔覆層組織與母材原始組織的分界線明顯，且在熔覆層中可以清楚地觀察到激光光斑掃描的痕跡。由交界處的組織（圖5（c））看出，熔覆層與母材冶金結(jié)合良好，結(jié)合面牢固、緊實(shí)，未出現(xiàn)氣孔，裂紋等缺陷。通過(guò)觀察熔覆層的層間結(jié)構(gòu)可知，從試板中部到上下兩端，熔覆層的厚度在逐層增加，且每層熔覆層之間熔合效果良好，未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合等缺陷。說(shuō)明采用30CrMnSiA 粉末作為熔覆材料及優(yōu)選的激光熔覆工藝焊接30CrMnSiA鋼試板能夠獲得完整且質(zhì)量良好的接頭，接頭具有較高的焊接裂紋抗力。

圖6 為熔覆層截面微觀形貌。由圖6（a）、（b）可看出，熔覆層X(jué)/Z面組織由淺色呈平行排列的柱狀晶粒和蜂窩狀大小均一的等軸晶粒交錯(cuò)分布組成。經(jīng)分析，該組織為不同取向的鐵素體，鐵素體周邊的深色組織為回火馬氏體組織。由圖6（c）、（d）X/Y面形貌可明顯觀察到熔覆層道與道之間有序搭接的痕跡，搭接區(qū)組織致密，每道熔覆層內(nèi)的組織也由呈柱狀和蜂窩狀的鐵素體組織致密均勻排布組成。

圖5 30CrMnSiA 鋼激光熔覆（a）接頭實(shí)物照片；（b）焊縫截面（X/Z 面）宏觀形貌；（c）焊縫截面（X/Z 面）交界處Fig.5 Laser cladding joint of 30CrMnSiA steel（a）joint photo;（b）macro-morphology of weldment section（X/Z direction）；（c）junction area（X/Z direction）

2.3 30CrMnSiA 鋼激光焊接頭力學(xué)性能

顯微硬度可以在一定程度上反映材料的力學(xué)性能。對(duì)30CrMnSiA 鋼激光熔覆接頭截面（X/Z面）進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，測(cè)試方向分別為沿熔覆區(qū)左右側(cè)的母材向接頭熔覆區(qū)中心位置，結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可以看出，左右兩側(cè)母材向接頭熔覆區(qū)中心的硬度變化基本對(duì)稱，母材的顯微硬度平均值在350HV 左右，當(dāng)過(guò)渡至熔覆區(qū)，其顯微硬度平均值則提高到475HV。相比母材，接頭熔覆區(qū)的顯微硬度提高約36%。

圖7 熔覆接頭顯微硬度值Fig.7 Microhardness of laser cladding joint

分析原因可知，30CrMnSiA 鋼母材組織中，鐵素體和馬氏體各約占50%[12]，而熔覆區(qū)組織在經(jīng)歷了激光熔覆的多次熱循環(huán)后，馬氏體組織占比增加（圖6）。由于馬氏體組織比鐵素體具有更高的硬度，導(dǎo)致接頭熔覆區(qū)顯微硬度增加。

圖6 熔覆層截面微觀組織（a）X/Z 面低倍；（b）X/Z 面高倍；（c）X/Y 面低倍；（d）X/Y 面高倍Fig.6 Sectional microstructure of laser cladding joint（a）low magnification（X/Z direction）;（b）high magnification（X/Z direction）;（c）low magnification（X/Y direction）;（d）high magnification（X/Y direction）

圖8 為激光熔覆接頭拉伸試樣斷裂照片。由圖8 可以看到，熔覆接頭發(fā)生頸縮斷裂的位置均處于母材區(qū)，說(shuō)明接頭熔覆區(qū)強(qiáng)度高于母材，符合顯微硬度測(cè)試結(jié)果。表3 為拉伸性能測(cè)試結(jié)果。由表3 可知，熔覆接頭的平均抗拉強(qiáng)度為1233 MPa，屈服強(qiáng)度為1111 MPa，伸長(zhǎng)率為12.3%。相比母材，熔覆接頭的強(qiáng)度增加約9%，但伸長(zhǎng)率略有下降，后續(xù)可考慮適當(dāng)提升回火溫度，以提升伸長(zhǎng)率。

圖8 熔覆接頭拉伸試樣斷裂照片F(xiàn)ig.8 Fracture photos of tensile sample of cladding joint

表3 熔覆接頭拉伸性能結(jié)果Table 3 Tensile properties of cladding joint

圖9 為熔覆接頭的拉伸試樣斷口形貌特征。由圖9 看出，接頭斷口形貌基本一致，均由眾多小尺寸且深度較小的韌窩組成，說(shuō)明拉伸試板的伸長(zhǎng)率偏低，試板斷裂模式屬于韌性斷裂。

圖9 熔覆接頭拉伸試樣斷口形貌（a）2-1 拉伸試樣；（b）2-2 拉伸試樣；（c）2-3 拉伸試樣；（1）低倍；（2）高倍Fig.9 Fracture morphologies of cladding joint tensile samples（a）Sample 2-1;（b）Sample 2-2;（c）Sample 2-3;（1）low magnification;（2）high magnification

2.4 30CrMnSiA 鋼激光熔覆層耐磨損性能

對(duì)采用最優(yōu)工藝制備的激光熔覆試樣及30CrMnSiA 鋼鍛件進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。采用白光干涉儀測(cè)試試樣表面磨痕的寬度和深度，評(píng)價(jià)材料的耐磨性，結(jié)果如表4 所示。由表4 可以看到，相比30CrMnSiA 鋼鍛件試樣，激光熔覆制備的試樣磨痕深度減小27.7%，磨痕寬度也減小35.2%，具有更好的耐磨損性能。一方面是因?yàn)槿鄹矃^(qū)組織在經(jīng)歷了激光熔覆的多次熱循環(huán)后，馬氏體組織占比增加，導(dǎo)致硬度提高，耐磨性也相應(yīng)提高；另一方面，采用激光熔覆技術(shù)制備的30CrMnSiA 鋼材料，其晶粒得到細(xì)化，材料的硬度和強(qiáng)度得到了提高，從而提升了摩擦磨損過(guò)程中材料抵抗破壞和崩損的能力。

表4 磨痕深度和寬度Table 4 Depth and width of worn surface

2.5 損傷拉桿激光熔覆修復(fù)及檢驗(yàn)

經(jīng)上述工藝研究及性能驗(yàn)證可知，采用優(yōu)化的激光熔覆工藝，可獲得與基體冶金結(jié)合致密，組織均勻，且力學(xué)性能和耐磨損性能良好的激光熔覆組織。采用該工藝對(duì)拉桿損傷部位進(jìn)行修復(fù)，圖10為修復(fù)完成后樣品照片。對(duì)熔覆修復(fù)后的區(qū)域進(jìn)行熒光檢測(cè)及X 射線檢測(cè)，在表面及內(nèi)部均未發(fā)現(xiàn)裂紋、超標(biāo)孔洞等缺陷。

圖10 拉桿激光熔覆修復(fù)后形貌（a）機(jī)加前；（b）機(jī)加后Fig.10 Morphologies of pull rod repaired by laser cladding（a）before machining；（b）after machining

三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果表明，拉桿加工后的孔直徑滿足圖紙要求。對(duì)拉桿進(jìn)行整體型面掃描，結(jié)果見(jiàn)圖11?？梢钥闯觯瓧U各個(gè)部位的形變范圍在－0.042～0.041 mm，大部分位置的形變范圍可控制在±0.020 mm，所采用的激光熔覆工藝可在激光熔覆修復(fù)過(guò)程中較好地控制拉桿因受熱而產(chǎn)生的形變，修復(fù)后的拉桿滿足圖紙要求和性能要求。

圖11 拉桿三維光學(xué)掃描結(jié)果Fig.11 Three-dimensional optical scanning of pull rod

3 結(jié) 論

（1）在最優(yōu)激光熔覆工藝參數(shù)下，可得到冶金結(jié)合良好、組織均勻致密的試樣，熔覆區(qū)每層之間的熔合效果良好，組織由呈柱狀和蜂窩狀的鐵素體及周邊的馬氏體組成。

（2）熔覆區(qū)顯微硬度為475HV，相比基體提高約36%，這與熔覆層中的馬氏體含量增加、鐵素體減少有關(guān)。熔覆接頭平均抗拉強(qiáng)度為1233 MPa，屈服強(qiáng)度為1111 MPa，伸長(zhǎng)率為12.3%。相比母材，熔覆接頭的強(qiáng)度增加約9%，但伸長(zhǎng)率略有下降。試板拉伸斷裂位置處于基體區(qū)，斷口由眾多小尺寸且深度較淺的韌窩組成，屬于韌性斷裂。

（3）相比30CrMnSiA 鋼鍛件試樣，激光熔覆制備的試樣磨痕深度減小27.7%，磨痕寬度也減小35.2%，具有更好的耐磨損性能。

（4）采用優(yōu)化的激光熔覆工藝，對(duì)拉桿進(jìn)行了修復(fù)，經(jīng)機(jī)加工后，拉桿尺寸符合要求，且基本無(wú)熱變形現(xiàn)象。