激光宽带熔覆模式对激光熔覆组织的影响

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇激光宽带熔覆模式对激光熔覆组织的影响范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要 本文为了研究激光宽带熔覆技术对熔覆组织的影响,采用自配的合金粉末,利用宽带熔覆技术,对45#转轴进行了成功修复。利用OM、XRD、显微硬度计对熔覆层的组织结构及硬度进行了研究。结果表明,宽带熔覆,熔覆层与基材实现了良好的化学冶金结合,熔覆层元素分布均匀,基体相为α-Fe,基体相上分布有结晶析出的Fe5C2、Fe2B、FeSi等相,还有一定量的非晶组织。熔覆层较基材有较高的硬度。

关键词 激光熔覆;宽带技术;组织;硬度

中图分类号TG174.445 文献标识码A文章编号 1674-6708(2010)20-0040-02

激光宽带熔覆技术与窄带相比较具有很多优点:单道熔覆宽度大;温度分布更为均匀;裂纹敏感性低;合金元素均匀分[1]。近今年来,已经逐步应用于重要机械部件的修复,如45#的修复[2]。本文运用宽带激光熔覆技术,配备傅里叶光学系统,采用自配粉末,对严重尺寸失效的45#进行了成功修复,重点研究了熔覆层的组织状态及硬度。

1 材料及试验方法

1.1 实验材料

基材为45调制钢,熔覆层粉末为自配的铁基合金粉末,粒度为36µm~74µm,化学成分(质量分数,% )为0.3C、1.7Si、15 Cr、≤1. 5Ni、1.5B、余量为Fe。

1.2 试验方法

试样采用钼丝线切割,试样尺寸为70mm×20mm×25mm,使用前用400金相砂纸打磨表面,再用丙酮清洗备用。

熔覆试验采用TJ―HL―T 5000型5千瓦CO2激光器,激光输出光束为多阶模,采用宽带单道扫描熔覆方式。宽带光斑尺寸为15mm×2mm,焦距统一为315mm,预置粉末厚度约为1.5mm,所形成的熔覆层厚度约为1mm,扫描速度与功率见表1。在垂直于扫描速度的方向制取金相样品。用型号为GX51奥林巴斯金相显微镜进行显微组织观察,用D/Max-2200型全自动X射线衍射仪对熔覆层进行物相鉴定,并进行了显微硬度测试。

2 结果与分析

2.1 激光熔覆层的宏观状况与熔覆层的显微组织状况

表2.1、表2.2分别为宽带激光熔覆层表观质量情况和熔覆层与基材的界面区域的裂纹情况。可以看出,P=3kW,V=3mm/s,修复表观质量最佳。图1为在此工艺条件下,熔覆样品的表观状况1(a)、熔覆层与基体的结合区组织形貌1(b)与熔覆层的组织形貌1(c)。

由表观状况1(a)可以看出熔覆层外表为均匀的波纹状,中间光亮的区域为生成的熔渣脱落区,表明粉末有良好的流动性与造渣能力,液体合金有良好的充型能力。

由熔覆层与基体的结合区组织形貌1(b)可以看出熔覆层与基材之间实现了良好的冶金结合,组织过渡良好,这样的组织也表明熔覆粉末材料与基体材料之间有着良好的相容性。保证了熔覆层与基体之间不会出现开裂现象。

由熔覆层的组织形貌1(c)可以看出熔覆层不同深度区域组织之间过度良好,保证了熔覆层内部不至于存在性能薄弱区域,在零件再次投入使用时从局部区域提前产生裂纹。

2.2 熔覆层的元素分布状况

熔覆层中间部位为正常服役区域,所以中间部位树枝晶区域的元素分布就成了熔覆层性能的关键因素。

形貌分析如图2,可以看出微观结构为两种组织成网状相间,组织之间也没有微裂纹,不同区域过渡自然,所以树枝晶区域内部的力学性能均匀,没有应力集中的危险,不会在本层引起零件破坏。取树枝晶区域不同位置,晶粒内部位置1和晶界处位置2分别进行元素成分分析结果如表3(a)和3(b):Cr元素在晶界处的含量比晶粒内部高,因为Cr元素是硬质相生成元素,所以在晶界处会有较多的硬质相生成。将熔覆层中部树枝晶区域相同位置元素分布与过渡区域元素分布进行比较,可以看出该区域Si的含量明显减少,Cr、Ni元素含量大量增加,Fe含量减小,所以在此会生成更多的硬质相,通过形貌比较我们也可以看出在该区域网状晶界明显增加,硬质相区域较大,会具有更好的力学性能。

2.3 XRD相的确定

图3为熔覆层X射线衍射分析结果,由图可知,涂层中相组成复杂,除了基体相 -Fe外,还有Fe5C2、Fe2B、FeSi等相,从图2还可以看出有表征非晶态的漫散包,这表明涂层内含有一定量的非晶,这种复合材料组织预示着熔覆层将会有比较好的力学性能。

2.4 显微硬度变化规律

图4为熔覆层结合区基材显微硬度分布曲线。由图可知,在熔覆表层,由于高能激光作用,造成合金元素的烧损,使表面硬度较低;由表及里约0.3mm处,硬度明显升高。

在0.3mm~0.9mm区域,硬度变化趋于平缓,这是由于熔覆层中结晶析出的碳化物和金属间化合物等数量变化不大所致。

在结合区域,显微硬度高达到了HV8100.2,这是由于在高能激光作用下,结合区发生激光淬火,产生马氏体组织。在接近基材处,硬度下降明显,原因是马氏体数量逐渐减少所致。

3 讨论

激光模式不同,都将造成激光光斑形状发生变化,光斑形状的不同能使所获得的熔覆层形貌和力学性能存在较大的差别。高斯光斑与宽带光斑能量分布如图5所示,即利用宽带系统,可将光束形状调制成功率密度分布为矩形分布的光斑,大功率激光通过这种变换后,激光的功率分布可以均匀地会聚在一个尺寸很小的方形区域,这不但大大方便了激光扫描工艺的制定,而且由于光斑具有整齐的方形边界,可以准确控制作用区域,使同时扫描的面积比较大。图5给出了本课题采用的调制光斑能量分布与高斯模式能量分布情况。

4 结论

1)宽带光斑尺寸为15mm×2mm,输出功率p=3kW,扫描速度v=3mm/,熔覆效果最佳;

2)宽带激光熔覆模式具有以下优势:(1)可以增加熔覆带宽度,单道熔覆宽度10~15mm,甚至更宽,窄带 φ1~3mm;(2)宽带激光熔覆可使温度分布更为均匀,由于激光束斑快速局部摆动使熔池表面温度最高点快速变化,导致熔池中央区域的温度梯度下降,裂纹敏感性降低,引起的变形减小,表观质量得到改善;(3)由于熔池边缘的温度梯度形成了适当的表面张力,可起到搅拌熔体使合金元素均匀分布的作用。

参考文献

[1]王义厢,45钢表面激光熔覆铁基合金涂层显微组织与性能 [J].热加工工艺,2008(21):131-133.

[2]刘其斌,钛合金表面宽带激光熔覆梯度生物陶瓷复合涂层 [J].功能材料, 2005(36):50-53.