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合金元素激光熔覆層性能的影響分析

添加人:材料人 發布時間:2019-1-8 8:49:01 來源:微信公眾號

激光熔覆(亦稱激光堆焊)是指以不同的添加方法在被熔覆的基體上放置選擇的涂層材料,經激光輻照后,使之和基體表面熔化,經快速凝固形成低稀釋度的﹑與基體呈冶金結合的表面涂層的工藝過程。與傳統的表面處理技術,如電鍍和熱噴焊等相比,激光熔覆技術具有熔覆層晶粒細小,熱影響區和熱變形區小等優點。筆者在文獻里研究了碳元素含量對鐵基合金激光堆焊層性能的影響,獲得了高硬度無裂紋的熔覆層。由于合金元素對鋼鐵材料的性能同樣起著重要的作用,故在本文里則進一步研究合金元素對鐵基合金激光熔覆層性能的影響,以便獲得不同性能(如不同硬度)的熔覆層滿足不同的生產需要。
  1 試驗材料及方法
  激光熔覆試驗采用德國Rofin公司制造的ROFIN TR050型快軸流CO2激光器。實驗過程中,激光功率為3.5KW,激光光束波長為10.6μm;采用燒蝕法測量光斑直徑,通過調整離焦量,使試驗過程中光斑直徑為4mm;采用單道單層預置式激光熔覆,預置的粉末厚度為1.5mm;激光掃描速率為6mm/s掃描長度均為30mm;使用Ar作為保護氣體,主要用于防止合金粉末在熔覆過程中發生氧化,Ar氣流量為3.6L/min。基材采用A3鋼,尺寸為100mm×40mm×5mm,表面酸洗去銹,并用丙酮清洗干凈,然后烘干備用。實驗采用性能較好的合金粉末Fe202作為基礎合金,該粉為150~200目的自制Fe-Ni-Cr-B-Si-C合金,化學成分(質量分數,%)為92.7Fe,3Ni,2Cr,1B,1Si,0.3C。激光熔覆試驗結果表明,采用Fe202合金粉末作為熔覆用粉,可獲得高硬度無裂紋的鐵基激光熔覆層。在Fe202中分別添加不同含量的Ni、Cr和Mo,以研究各種合金元素及其含量(質量分數)對熔覆層性能的影響規律。
  為了讓所添加純合金元素能與原合金粉末均勻混合,并達到一定合金化程度,將混合的合金粉末先通過機械球磨機進行混料處理。其處理工藝為:球磨時間為10h,磨球為Φ10mm左右的硬質合金球,磨球與合金粉末的質量比例為5:1,球磨時稀釋劑為適量無水酒精。球磨后粉末在100℃烘干2h,然后過篩待用。
  利用洛氏硬度計檢測各種成分合金熔覆層的表面硬度;采用X射線衍射法測定各熔覆層中的殘余奧氏體(AR)量;采用放大倍率為10倍的體視顯微鏡來觀察和測量裂紋的條數和長度;熔覆層的開裂敏感性α是通過衡量單位面積內裂紋長度得到的,α=∑Li/A,Li是第i條裂紋的長度(mm),A是熔覆層的面積(cm2)。
  2 試驗結果及分析
  2.1 合金元素及含量對熔覆層硬度的影響
合金元素及其含量對熔覆層表面硬度的影響如圖1所示。可知,Ni可降低熔覆層的硬度,隨Ni含量增加,熔覆層的硬度開始平穩下降;Ni含量超過7%后,熔覆層硬度急劇下降;少量地添加Cr可以略微增加熔覆層的硬度,但Cr含量超過4.6%時H+熔覆層的硬度略微下降,當Cr的含量進一步增加時,熔覆層的硬度有較明顯下降,但下降幅度沒有Ni大;隨Mo含量增加,熔覆層的硬度增加,但Mo含量超過5.75時,熔覆層的硬度下降,當Mo含量進一步增加時,熔覆層的硬度沒有明顯變化。合金元素對熔覆層硬度的影響主要是由于熔覆層中AR量的變化造成的,由于AR硬度低,如果熔覆層中AR增加較多,則熔覆層硬度會有所下降,而合金元素含量變化對熔覆層AR量(體積分數)的影響見圖2(實測)。
2.2 合金元素及含量對熔覆層開裂敏感性的影響
  合金元素對熔覆層開裂敏感性的影響如圖3所示,由于采用Fe202合金粉末制備得到的熔覆層沒有裂紋,可見(1)無論添加多少Ni元素都不能使熔覆層產生裂紋。由于Ni元素能夠增加熔覆層中的AR量(見圖3),它應有減少熔覆層開裂敏感性的作用,宋武林的研究也證明了這點。雖然在本試驗中由于試樣尺寸相對較小,未添加Ni元素的熔覆層本身無裂紋,所以未體現Ni元素的有效作用,但如果是在熔覆條件更惡劣,比如是在熔覆層冷卻速度更大或周圍拘束應力更復雜的情況下,應能體現Ni元素的這一作用。(2)隨著Cr元素含量的增加,熔覆層的開裂敏感性增加,但當Cr元素含量達到和超過9.8%時,由于AR量急劇增加(見圖2),降低了熔覆層開裂敏感性,熔覆層不產生裂紋。
  2.3 合金元素及含量對熔覆層AR量的影響
  AR的存在及其含量無疑對熔覆層的硬度和開裂敏感性起著重要作用。由圖可知(1)隨著Ni含量的增加,熔覆層中AR量增加,幾乎成正比例關系;(2)隨著Cr含量的增加,熔覆層中AR量起初增加緩慢,隨后增加很快;(3)隨著Mo量的增加,熔覆層中的AR量緩慢增加。熔覆層中AR量隨Ni、Cr和Mo含量的增加而增加,是因為這些合金元素降低了馬氏體轉變終了溫度Mf,而Mf點的高低決定了鋼淬火至室溫時的AR量。
  3 結論
  隨著Ni含量的增加,熔覆層中AR量增加,硬度下降,開裂敏感性不變;隨著Cr含量的增加,熔覆層中AR量增加,硬度先是略微增加,然后下降,熔覆層開裂敏感性先是增加,然后下降,隨著Mo含量的增加,熔覆層中AR量緩慢增加,熔覆層硬度先是增加,然后下降,最后基本保持不變,熔覆層開裂敏感性持續增加。
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