進給距離對激光-電復合熔覆層組織及性能的影響

楊文選,王 玥,郭玲玲,李佳樂,徐 超

(1.西安思源學院,陜西 西安 710038;2.西安科技大學機械工程學院,陜西 西安 710054)

1 引 言

激光熔覆技術是一種針對零件表面改進的工藝方法,可以對廢舊零件進行修復改造。簡化和零件制造的過程,可以使經濟效益最大化,并且是減少資源消耗和環境污染少的先進制造方法,也是符合國家可持續發展的一項綠色系統工程[1-3]。按照材料的形狀不同可分為激光粉末熔覆和激光絲材熔覆。絲材熔覆和粉末熔覆相比,絲材熔覆不僅材料利用率高,而且效率高、環境污染少,是一種極具潛力的熔覆技術,因此對該工藝的研究具有重要意義[4-6]。

譚米雪等人[7]通過激光送粉熔覆技術在316L不銹鋼表面制備了高速鋼涂層,研究了送粉速度和掃描間距對熔覆層性能的影響。安相龍等人[8]利用Ansys軟件分別建立了具有30 %,40 %,50 %,60 %,70 %搭接率的多道熔覆模型,研究了搭接率對殘余應力的影響規律。Wen等人[9]采用ER41ONiMo線光纖激光在馬氏體沉淀硬化不銹鋼FV520B表面熔覆了多道熔覆層,優化了工藝參數,研究了熔覆層表面、稀釋率等變化規律。王涵等人[10]采用激光絲材熔覆技術,以316 L不銹鋼絲材為原材料,研究了不同搭接率對熔覆層表面形貌的影響。周勇等人[11]采用激光熔覆技術研究了不同搭接率對316L熔覆層晶粒生長取向和耐蝕性能的影響。朱明冬等人[12]采用激光熔覆技術才304 LN不銹鋼表面制備了Stellite 6鈷基熔覆層,研究了工藝參數對熔覆層組織與性能的影響。楊思瑞等人[13]采用激光熔覆技術在45#鋼表面熔覆鐵基合金粉末,研究了激光功率、掃描速度和送粉速率對熔覆層性能的影響。郭衛等人[14]采用激光熔覆技術在27 SiMn表面熔覆304不銹鋼,研究了不同掃描速度對多層熔覆層力學性能的影響。

本文采用新工藝方法激光-電復合絲材熔覆技術,利用焦耳熱使絲材達到一定的溫度,再利用激光將絲材送入熔池完成熔化。該方法不僅可以提高材料利用率,而且可以降低能量損耗。本文采用該方法在45#鋼上制備630不銹鋼熔覆層,主要研究進給距離對熔覆層微觀組織、硬度以及耐磨損性能的影響。本工藝方法的研究對零件修復領域具有指導意義。

2 實驗材料與檢測方法

2.1 實驗方法與材料

基材采用45#鋼,熔覆前表面精加工,用酒精清洗,自然晾干。熔覆材料為φ1.2 mm的630不銹鋼絲,成分如表1所示。熔覆設備原理如圖1所示,送絲方式為同軸側向送絲,實驗在氮氣保護下進行。材料與基體接觸,發生短路,產生的熱量對絲材進行預熱,隨后進入熔池完全融化,形成修復層。熔覆工藝參數:激光功率2400 W、熔覆速度50 mm/s、送絲速度:62.5 mm/s、光斑大小2 mm、電流大小160 A,進給距離為熔覆層環形纏繞在基體上的螺距,分別設進給距離為0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.4 mm,4種工藝參數下的修復層分別標記為a～d。

表1 630不銹鋼焊絲化學組成成分

圖1 激光絲材熔覆原理圖

2.2 組織性能測試

將熔覆層制成10×10×15 mm的,對試樣進行鑲嵌、打磨、拋光,采用Vilella試劑(1 g苦味酸+5 ml HCI+100 ml酒精)對試樣表面腐蝕15 s,采用金相顯微鏡對熔覆層進行觀察。用HV-1000顯微硬度計測量其顯微硬度,施加載荷9.8 N持續15 s,依次從修復層向基體方向打點,間隔選取為200 μm。采用往復式摩擦磨損實驗機在常溫進行干摩擦磨損實驗,采用φ6氮化硅研磨球,載荷設為80 N,往復摩擦1800 s,頻率2次/s。用電子秤測量熔覆層的磨損質量損失,采用光學顯微鏡和電子掃描顯微鏡觀察其微觀組織及磨損形貌。

3 結果與討論

3.1 修復層宏觀形貌分析

本節將0.8～1.4 mm的進給距離范圍分為4個水平,分別為0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.4 mm,圖2(a)～(d)為不同進給距離下熔覆層的截面和表面形貌,明顯可以看出,熔覆層表面形貌存在顯著差異,進給距離提升,熔覆層寬度增加。進給距離為0.8 mm和1.0 mm時,結合面較平整,隨著進給距離增加,結合面呈現出波浪狀條紋,是由于進給距離超過了熔池寬度。隨著進給距離的加大,熔覆層道與道之間的縫隙逐漸增大,不同參數下熔覆層表面均有較小的雜質小顆粒。

圖2 修復層形貌圖

表2為4組工藝參數下熔覆層厚度,進給距離增加,熔覆層厚度減小。是由于單位時間材料補給量固定,進給距離增加,熔覆層高度降低,進給距離為0.8 mm時,熔覆層平均厚度為1772.14 m,進給距離為1.4 mm時,熔覆層厚度為987.34 m。

表2 不同進給距離熔覆層厚度

3.2 修復層的微觀組織分析

由結晶生長理論可知,結晶狀態與固-液界面的溫度梯度G與冷卻速度R的平方根比值有關。隨著值的降低,晶粒的生長方式從胞狀生長逐漸變為柱狀晶、柱狀枝晶和自由樹枝晶[15-16]。圖3(a)～(d)對應為進給距離為0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.4 mm下熔覆層中部的微觀組織,熔覆層組織為等軸晶或等軸晶與柱狀晶的混合組織,整體來看,組織比較混亂,是因為激光熔覆時重復加熱,組織不斷進行重熔再結晶。

圖3 修復層的微觀組織

3.3 修復層顯微硬度的分析

圖4為不同進給距離熔覆層的硬度變化,和基體相比,硬度得到了很大提升,不同參數下硬度值分布較平穩。圖5為平均硬度,進給距離為0.8 mm時,平均硬度值為204.08 HV,進給距離為1.4 mm時,平均硬度值為233.39 HV,進給距離的增加,顯微硬度平均值緩慢增加,變化幅度很小,是由于給進距離增加,熔覆層高度降低,寬度增加,與基體接觸面積增加,導致冷卻速度增加,從而使熔覆層顯微硬度得到提升。

圖4 不同進給距離下熔覆層縱向硬度變化

圖5 硬度平均變化

3.4 修復層摩擦磨損性能分析

3.4.1 摩擦系數分析

圖6所示為不同進給距離下摩擦系數變化圖,進給距離為0.8 mm時,摩擦系數先減小后增大,變化劇烈,隨后穩定上升,是由于磨損面小顆粒逐漸增多,磨損主要為磨粒磨損。進給距離為1.0 mm時,剛開始摩擦系數變化劇烈,后在0.3左右浮動,在12 min和25 min有兩次波動。進給距離為1.2 mm時,前8分鐘為磨合階段,8～26 min為穩定磨損階段,摩擦系數穩定在0.25左右,在26 min時,摩擦系數有較大波動,是由于摩擦副間顆粒剝落造成。當進給距離為1.4 mm時,在前15 min,摩擦系數變化波動較大,在后15 min摩擦系數緩慢上升。

圖6 不同進給距離下熔覆層摩擦系數變化

圖7所示為摩擦系數的平均變化值,進給距離的增加,平均值先降低后上升。進給距離為1.2 mm時,摩擦系數最小,穩定在0.25左右,在穩定運轉階段后,試樣表面損壞,摩擦副間的間隙增大,增大了摩擦副間的載荷,造成了振動。結合金相組織,在進給距離為1.2 mm時,熔覆層出現了硬度和強度很高的針狀馬氏體組織,從而使熔覆層耐磨損性能增強[17]。

圖7 平均摩擦系數

3.4.2 磨損量分析

圖8為不同進給距離下的磨損量,可以看出隨著進給距離的增加,熔覆層的磨損量先減少后增加。結合摩擦系數,可以看出,磨損量與摩擦系數成正比例關系。

圖8 不同進給距離磨損量

3.4.3 磨痕形貌和磨損機制分析

圖9(a)～(d)為不同進給距離下磨損表面形貌。進給距離0.8 mm時,磨痕表面存在少量的游離顆粒,磨損形式主要為摩擦副引起的磨粒磨損,表面存在塑性變形。進給距離1.0 mm時,磨痕表面存在疲勞剝落和梨溝,磨損形式主要為疲勞磨損及磨粒磨損。進給距離1.2 mm時,表面存在大量的磨屑,磨損形式主要為粘附磨損和疲勞磨損。進給距離1.4 mm時,磨痕表面有大片的疲勞剝落及梨溝,磨損形式主要為疲勞磨損及磨粒磨損[18-20]。

圖9 不同進給距離表面磨損形貌

4 結 論

本文采用激光-電復合絲材熔覆技術在45#鋼表面制備630不銹鋼熔覆層,研究進給距離對630不銹鋼修復層的冶金質量及微觀組織的影響,分析了不同進給距離熔覆層顯微硬度及摩擦磨損性能。在現有實驗條件下,得出以下主要結論:

(1)進給距離的選擇對630不銹鋼修復層的宏觀形貌、微觀組織、耐磨損性能有一定的影響。在不同進給距離下熔覆層微觀組織均為混亂的等軸晶與柱狀晶的混合組織。

(2)熔覆層的平均硬度在200 HV左右上下浮動,摩擦系數呈現先降低后上升的趨勢,磨損量與摩擦系數呈現正相關關系,觀察其磨痕形貌其磨損形式主要為疲勞磨損和黏著磨損。在進給距離在1.2 mm時,耐磨性能最佳。