摘  要：利用激光熔覆+重熔的方法在低碳钢表面制备了原位生成颗粒增强铁基涂层。用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)对其相结构和微观组织进行了研究，重点分析了重熔层的组织形态和形成机制。结果表明：制备的涂层无气孔和裂纹，整个涂层的厚度约为0.6-0.7mm，重熔层厚度约为50-80μm；熔覆层主要是方向比较紊乱的树枝晶组织，重熔层内形成了细小的等轴晶组织；重熔层最高显微硬度达到了1056Hv。

关键词：激光熔覆；显微组织；涂层

中图分类号：TG156.99   文献识别码：A

Abstract: The Fe based coating with situ particle reinforced on the surface of mild steel was fabricated by laser cladding and remelting. The phase structure and microstructure were analyzed by XRD and SEM. It is focus on the microstructure of morphology and forming mechanism in the remelted zone. The experimental results show that there were not pores and cracks in the coating and the depth of coating was about 0.6-0.7m. The depth of remelted zone was about 50-80μm. There are mainly fir-tree crystals which is direction free in the clad zone and small equiax crystals in the remelted zone. The highest mirohardness in the remelted zone is 1056Hv.

 

Key words: Laser cladding; Microstructure; Coating

激光表面改性技术已广泛应用于零件表面微观结构和成分改良，以提高其耐磨性、抗腐蚀性、抗氧化性等^[1-3]。作为激光表面改性领域中最重要的技术之一，激光熔覆技术可以不受基体材料的制约，是改良材料表面性能的一种经济有效的手段^[4-6]。激光表面熔覆首项工业应用是在1981年Rolls-Royce的RB211飞机发动机高压叶片连锁上，采用激光熔覆钴基合金后，不仅变形小，节省了后续加工工时，与堆焊钴基合金工艺方法相比，合金用量减少50%^[7]。激光重熔具有比激光熔覆更快的冷却速度，可以进一步细化晶粒并提高涂层的机械性能^[8]。

铁基复合材料因为其成本低廉使用普遍而较受重视。现有激光熔覆所用的Fe基合金体系一般是采用碳化物增强涂层，以达到提高耐磨性的要求^[9]。加入颗粒相主要有直接添加和原位生成两种方式，后者因为是在冶金反应中形成的颗粒相，其与基体结合更好，降低了涂层的裂纹敏感性。本文研究了Fe₄₁Co₇Cr₁₅Mo₁₄C₁₅B₆Y₂合金涂层的激光制备，在涂层中原位生成了增强相；并研究了涂层的相结构、显微组织形态、显微硬度，为此涂层的进一步应用提供了理论依据。

 

1.      试验材料及方法

激光熔覆在尺寸为130mm×90mm×8mm的低碳钢(碳的质量分数为0.0013)试板上进行，试板经打磨和丙酮擦洗后干燥待用。熔覆合金用粉末的粒度范围为100-200目的铁粉(铁质量分数为0.995)、硼铁(硼质量分数为0.18)、钴粉(钴质量分数为0.995)、铬粉(铬质量分数为0.995)、钼粉(钼质量分数为0.995)、石墨粉(碳的质量分数为0.995)和钇粉(钇的质量分数为0.995)。利用德国TRUMPF生产的TLF15000 turbo 快速轴流型、最大输出功率为15kW的CO₂激光器进行试验。采用D/max 2550VL/PC型X射线衍射(XRD)对熔覆层表面进行相结构分析；试样经王水腐蚀后采用JSM-6460型扫描电镜(SEM)进行观察；采用HVS-10型数显韦氏硬度计进行涂层的显微硬度测试，载荷为0.2kg。

将有机溶剂—羟基乙基纤维素与配制好的合金粉末充分混合并预涂在低碳钢试板上，厚度约为1mm。室温下干燥后进行多道搭接的激光熔覆，随后对熔覆层进行多道的激光重熔。激光熔覆和重熔工艺参数如表1所示。

表1 预置激光熔覆和重熔工艺参数

Table.1 Parameters of preset laser cladding and remetling

激光工艺	激光功率(kW)	扫描速度(m/min)	光斑直径(mm)	送粉量(g/min)	侧吹氩气(L/min)
激光熔覆	4	1.5	5	20-30	15
激光重熔	14	8	4	-	30

 

2.      试验结果与讨论

2.1熔覆层被重熔后的外观形貌

重熔后获得的涂层形貌如图1所示。因为激光热源为高斯分布，光斑中心温度高而四周低，在熔覆和重熔时都存在涂层受热不均匀的现象，所以激光熔覆和重熔形成的单道涂层一般为圆弧形。在搭接时由于重熔的扫描路线不能与熔覆时完全重合，导致涂层的表面平整性受到影响。另外，合金粉末中原先存在的空隙在粉末被熔化后的液相合金填满以及粘结剂的挥发导致熔覆合金体积的减少，再加上合金的局部不均匀性也影响了涂层表面平整性。

图1 预置Fe₄₁Co₇Cr₁₅Mo₁₄C₁₅B₆Y₂合金粉末激光熔覆+重熔后形貌

Fig.1 The appearance of remelted layer with preset laser cladding

 

2.2 涂层的相结构及显微组织

重熔层的XRD衍射结果如图2所示，重熔层中晶相峰主要包括了硼化物(Cr₂B、(Co,Fe)₃B、Mo₂FeB₂)、碳化物(Fe₃C、Cr₇C₃及Cr₃C₂)及α-Fe。可知，重熔层中主要的相为碳化物和硼化物，这是因为熔覆合金中碳和硼及铬、钼等强碳化物形成元素的含量较高造成的。

图2 预置熔覆重熔层XRD衍射曲线

Fig.2 The XRD pattern of remelted layer with preset laser cladding

图3为涂层的纵向截面图。其中，图3 (a)是熔覆层与重熔层的显微组织，重熔层的厚度约为50-80μm，熔覆层主要是树枝晶组织但方向比较紊乱。熔覆层的树枝晶组织在重熔界面处被打断，在重熔层内形成了细小的等轴晶组织，如图3(b)所示。图3(c)是重熔层组织的放大图，重熔层中的等轴晶的晶粒尺寸约为3-5μm。根据约翰逊-梅尔方程，可以导出在t时间内形成的晶核数P(t)与形核率N及长大速率R之间的关系为^[10-11]：

   

式中，k为常数，与晶体形状有关；P(t)与晶粒尺寸d成反比。由上式可知，形核率N越大，晶粒越细；晶粒长大速度R越大，则晶粒越粗。而N和R都取决于过冷度，其中N∝exp(-⊿T^-2)，连续长大时R∝⊿T；螺旋长大时，R∝(⊿T)²，由此可见，增大过冷度，N迅速长大，且比冷却速度增加的速度快，在激光重熔条件下，由于产生了极大的过冷度，熔化层的晶粒被细化。另外，根据枝晶熔断说理论^[10]，在熔覆层被激光重新熔化后，由于熔池存在时间太短，其熔化必定是不充分的，原先组织中的某些高熔点化合物有可能未熔化或未完全熔化，这使得熔体中依然存在着一定数量的异质形核核心，在随后的快速凝固过程中，这些核心会很大程度上提高熔体的形核率，导致晶粒的细化。又根据G_L/R值对组织形态的影响^[10]，其值增大有利于获得平面生长，其值减小有利于获得内生生长的等轴晶。对于激光重熔，由于熔化层很薄，只有50-80μm左右，其间温度梯度很小，又因为重熔层凝固时冷却速度快，晶粒生长速度也快，所以G_L/R值很小，故有利于形成细小的等轴晶。

(a) 重熔层与熔覆层   

           
  (b) 重熔层与熔覆层界面处

(c) 重熔层显微组织

图3 预置熔覆重熔层扫描电镜显微分析

Fig.3 The SEM analysis of remelted layer with preset laser cladding layer

一般激光熔覆后形成的组织主要为柱状枝晶和等轴晶^[12]，柱状枝晶凝固时由于溶质分配系数较小，凝固时剩余液相的溶质浓度增加，即熔覆层表面的合金溶质浓度要大于下层，其元素偏析程度较大。熔覆层中元素的不均匀分布会降低熔覆层的机械性能，容易在工程应用中引起失效。由于合金元素和温度场的复合作用，在激光熔覆中很难获得全部等轴晶的组织，对熔覆层进行激光重熔不仅可以均匀化组织而且还有利于形成细小的等轴晶，从而改善涂层的机械性能。

 

2.3 显微硬度

图4是涂层厚度方向上显微硬度的分布曲线图。由图可知，涂层的最高硬度在表面，达到了1056Hv，这是因为表层是经过激光重熔之后形成的，晶粒被细化，具有最高的硬度；重熔层以下是预置熔覆层，这一层的硬度分布比较均匀，约在800Hv左右；预置熔覆层以下是基体与熔覆层混合区，此处由于基体表层被熔化而与熔覆金属混合，硬度较熔覆层有了明显的下降，最低为400Hv；混合区以下为基体的热影响区(HAZ)，此处未发生熔化，只是在激光作用过程中被加热，相当于对低碳钢基体进行了淬火处理，由于其含碳量较低，淬火后硬度在400Hv以下。

由涂层的显微硬度分布图可以清晰地看到激光的作用范围：预置的合金粉末的厚度为1mm，熔覆后厚度降低为0.6-0.7mm，这是因为预置粉末中有空隙，在激光作用过程中合金粉末熔化、粘结剂挥发导致了预置层厚度的降低。

图4 涂层纵向截面的显微硬度分布

Fig.4 The microhardness of the coatings along cross section

 

3.      结论

1)        利用预置熔覆+重熔制备了Fe₄₁Co₇Cr₁₅Mo₁₄C₁₅B₆Y₂合金涂层，其最高显微硬度达到了1056Hv；

2)        在激光功率为14kW，扫描速度为8m/min时，重熔层厚度约为50-80μm，整个涂层的厚度约为0.6-0.7mm；

3)        熔覆层主要是方向比较紊乱的树枝晶组织，熔覆层被激光重熔后形成了细小的等轴晶组织。

 

参考文献

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