金属零件激光表面熔覆强化实验研究*

陈光霞

(江汉大学 机电与建筑工程学院，湖北 武汉 430056)

金属零件激光表面熔覆强化实验研究*

陈光霞

(江汉大学 机电与建筑工程学院，湖北 武汉 430056)

激光表面熔覆强化是表面改性的方法之一。在激光功率为106 W，扫描速度为8 m/min，熔覆层厚为20～60 mm时，采用Fe-17Cr-4Ni-2Mo-0.1C材料进行激光熔覆，对熔覆层的形貌、显微硬度、致密度分析及X射线衍射分析。结果表明，熔覆层的显微硬度呈波浪型变化且平均值大于HV300，致密度大于96%，且其主要物相为γ-Fe。

金属零件；激光熔覆；表面强化

0 引 言

机械零件在加工过程中，为了提高其使用寿命，往往对零件表面进行强化处理，也就是常说的表面改性加工。表面改性技术(surface modified technique)则是采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能的一类热处理技术。它包括化学热处理(渗氮、渗碳、渗金属等)，表面涂层(低压等离子喷涂、低压电弧喷涂、激光熔覆和非金属涂层技术等)[1-3]。

激光熔覆技术是利用高能密度激光束将具有不同成分、性能的合金与基材表面快速熔化，在基材表面形成与基材具有完全不同成分和性能的合金层的快速凝固过程。这样可使零件具有特殊的性能，在复杂环境下，它比单一成分的材料具有更大优势，具有高强度、高韧性、高耐热性、高耐磨性等特性[4]。

笔者利用IPG200W光纤激光器和自主研究开发的熔覆设备，在基材上进行表面熔覆，研究表面熔覆层的形貌、显微硬度的变化规律、致密度分析及X射线衍射分析。

1 实验方法与材料

笔者利用IPG200W光纤激光器和自主研究开发的激光熔覆设备，在基材上(Q235钢板厚25 mm)进行表面激光熔覆实验，熔覆材料为不锈钢粉末(Fe-17Cr-4Ni-2Mo-0.1C(质量分数ω))，粉末粒度为-180/+600目， 研究熔覆层的形貌、显微硬度的变化规律、致密度及X射线衍射分析。工艺参数如表1。

表1 激光熔覆实验的工艺参数

2 结果与分析

2.1 熔覆层形貌

图1 表面熔覆宏观形貌 图2 熔覆层低倍形貌

利用表1所列工艺参数进行表面熔覆，其宏观形貌如图1所示。其低倍形貌如图2所示，熔覆层是由多道具有相同组织特点的组织组成，熔覆道与熔覆道彼此相互平行。2.2 X射线衍射分析

图3所示，给出了激光熔覆层的组织X-射线衍射谱及相应的衍射峰的物相标定。从图中可看出，材料在熔覆后主要以奥氏体存在，主要物相为γ-Fe。

图3 X射线衍射分析

2.3 显微硬度的变化规律

图4所示为激光熔覆层显微硬度变化曲线，测试平面为XOY平面。其显微硬度测试结果曲线呈现波浪型起伏变化。由于在非加工硬化的情况下，金属材料的硬度和平均晶粒大小的关系[5]可表示为：

(1)

式中：Hs为金属材料的硬度；Hi，K分别为与硬度测量有关的适当常数；d为平均晶粒直径。

图4 激光熔覆层显微硬度变化曲线

由式(1)可知，晶粒越大显微硬度越低，晶粒越小显微硬度越高。在金属熔化结晶过程中，晶枝的生长与冷却时间有很大关系，冷却时间越快，则晶粒越小。由于激光熔覆过程是骤热骤冷的过程，冷却时间极短，因此熔覆层晶粒小，所有显微硬度高。在每条熔覆道中的测试点的显微硬度都较高。而在两条熔覆焊道搭接处，由于激光能量密度稍低，且存在重熔现象，组织较粗大，而且这个部位也是缺陷的聚集处，因此硬度偏低。

从显微硬度的测试来看，平均硬度均在HV300以上，与奥氏体不锈钢锻造件力学显微硬度性能相比，在显微硬度上高于锻件，如表2所列。

2.4 致密度性能

激光熔覆层的致密度是衡量激光熔覆质量好坏的重要标志之一。笔者对熔覆层的致密度进行测定，不锈钢材料的致密度为100%时的比重取值为7.93×103kg/m3。

测试结果如表3所列。从表中可看出，激光熔覆层的致密度可达到96%以上，与铸造相当，完全可满足实际使用需要。

表2 奥氏体不锈钢力学性能表(摘自GB/T1220—1992)

表3 SLM制备金属件致密度测量结果

3 结 论

激光表面熔覆强化是表面强化的方法之一，从实验研究可得出结论：

(1) 熔覆层的显微硬度呈现波浪型变化，且其平均值大于HV300，高于锻件;

(2) 熔覆层的致密度高于96%,与铸造相当，能满足实际需要。

[1] 韩 莉,姜 伟,戚佳睿.40Cr激光表面强化工艺的研究[J].表面技术，2009,38(1)：35-36.

[2] 巴发海,宋巧玲.激光表面强化相关问题的研究进展[J].郑州大学学报(工学版),2000,25(3)：85～89.

[3] Kobryn P A, Semiatin S L. Microstructure and Texture Evolution During Solidification Processing of Ti-6Al-4V[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2003,135(2～3): 330～339.

[4] 张魁武.国外激光熔覆应用和直接熔覆金属零件及梯度材料制造[J].金属热处理, 2002,27(9): 1-4.

[5] Sato Y S, Urata M,Kokawa H, et al. Hall-Petch Relationship in Friction Stir Welds Of Equal Channel Angular-Pressed Aluminium Alloys[J].Materials Science Engineering, 2003, 354(1～2):298～304.

Experimental Research on Surface Strengthening of Metal Parts by Laser Surface Cladding

CHEN Guang-xia

(SchoolofElectromechanicalandArchitecturalEngineering,JianghanUniversity,WuhanHubei430056,China)

Strengthening of laser surface cladding is one method of surface modification. Some cladding layers were built with process parameters such as laser power 106 W, scan velocity 8m/min, cladding layer thickness 20～60 mm, and material is Fe-17Cr-4Ni-2Mo-0.1C, and then, morphology of cladding layer, micro-hardness, density and X-ray diffraction were processed. According to analysis results, the micro-hardness of the cladding layer is wavy changed and their average value is bigger than HV300, the density is bigger than 96%, and the main phase is γ-Fe.

metal parts; laser cladding; surface strengthening.

2014-01-06

江汉大学机电与建筑工程学院资助项目(编号：GS010[2013])

陈光霞(1968-)，男，湖北武汉人， 教授，博士，主要从事激光快速成型及激光表面改性方面的研究工作。

TG156.99

A

1007-4414(2014)02-0074-02