机械冲击对高硬激光熔覆层力学性能与微观组织的影响

郑丽娟 付宇明 王好平 齐 童

燕山大学机械工程学院,秦皇岛,066004



机械冲击对高硬激光熔覆层力学性能与微观组织的影响

郑丽娟 付宇明 王好平 齐 童

燕山大学机械工程学院,秦皇岛,066004

为减少高硬合金激光熔覆层缺陷，提出了一种将机械冲击作用于激光熔覆过程的工艺方法，在45钢轴表面制备了Ni基、Fe基和Co基三种高硬合金熔覆层，对比分析了机械冲击对熔覆层力学性能和微观组织的影响。研究结果表明：加载机械冲击可改善熔覆层表面熔覆质量，抑制裂纹的萌生；机械冲击对不同材料的熔覆层力学性能影响不同，Ni65WC试样的可承受最大载荷提高了26.2%，但断裂总伸长量却减小了约37%，Fe90试样的可承受最大载荷提高了21.3%，而且断裂总伸长量亦增大约21%，Sti6+3%WC试样的可承受最大载荷提高了9.04%，其断裂总伸长量无明显变化；机械冲击使微观组织明显细化，显微硬度提高。

熔覆层；冲击；力学性能；微观组织

0 引言

激光熔覆是一种重要的再制造手段，采用激光束作为移动热源。当在普通碳钢基材上熔覆制备高硬合金时，由于熔覆合金与基体的物性差异，熔覆层常存在裂纹、气孔等缺陷[1-2]。为避免熔覆层缺陷，目前主要采用改善熔覆工艺、设计熔覆合金及外加超声波或电磁场辅助作用等技术方案，这些技术手段均在熔覆层质量控制中起到一定的作用，却又不同程度地受到零件材料、结构、成本等因素的限制[3-7]。本文将一种简单、高效的机械冲击法应用于激光熔覆过程。机械冲击法对激光熔覆层的作用体现在两个方面：一方面对熔池的间接振动作用，使熔覆过程中熔池热量交换速度、溶液对流程度增加，枝晶破碎作用增强，从而促进气体的排出，减少组织成分偏析、枝晶粗大、晶间裂纹等现象[8-9]；另一方面，对已成形但仍处于高温状态下的凝固组织进行高频击打，使其产生压应变，使受到较大拉应力的组织塑性得以延展，减少裂纹的产生[10]。

考虑到不同材料熔覆层的性能差异，采用大功率半导体激光器，在45钢轴表面分别制备了Ni基、Fe基和Co基高硬熔覆层，在激光熔覆过程中辅以机械冲击，研究机械冲击对不同材料高硬合金熔覆层表面质量、力学性能和微观组织的影响。

1 试验方法

试验采用4 kW半导体激光器，工作波长为976 nm，光斑尺寸为11.5 mm×2 mm，焦距为300 mm。在激光熔覆过程中利用机械冲击装置对熔覆层施加机械冲击，装置工作原理图见图1。通过空压机产生高压压缩空气，压缩空气通过进气孔11进入A室中，推动冲击块9，使冲击块9获得一定的初速度和动能，冲击锤头7带着变形的弹簧与熔覆层6撞击，然后冲击锤头7复位，完成一次机械冲击过程，通过调节初始距离L2和空压机压力可调节冲击力和频率。

1.缸体 2.激光束 3.送粉管 4.粉末 5.工件 6.熔覆单道 7.冲击锤头 8.拉簧 9.冲击块 10.泄气孔 11.进气孔图1 熔覆过程机械冲击机构工作原理Fig.1 Mechanical impact mechanism of cladding process

熔覆试件选用45钢实心轴，尺寸为φ40 mm×200 mm，熔覆材料分别选用Ni基、 Fe基 和Co基高硬合金粉末，粉末粒度为150～325目，基体与熔覆材料合金成分如表1、表2所示。激光熔覆功率为3200 W，熔覆速度为320 mm/min。冲击锤头为直径8 mm的圆柱形，固定距离L2约30 mm，距光斑中心圆周距离约20 mm，此时锤头对熔覆面的冲击应力约2.3 MPa。

表1 基材的化学成分

表2 熔覆材料的化学成分

拉伸试验在WDW3100万能试验机上进行，试件分3组，每组4个试样，试件尺寸参照《GB/T 228-2002矩形横截面比例试样》，如图2所示，标距为36 mm，拉伸速度为1 mm/min，输出载荷-位移线图。制备金相试样，经过打磨、抛光，选用王水(V(HCL)∶V(HNO3)=3∶1)进行腐蚀，根据不同合金耐酸腐蚀性能控制腐蚀时间(Fe基约30 s，Ni基约1 min，Co基约2 min)，然后将试件冲洗、吹干，在Axiovert200光学显微镜下对组织进行观察分析，其他待观察试样用定性滤纸包装。鉴于机械冲击对物相影响不大，采用D/max-2500/Pc型衍射仪，仅对不同基材未经冲击试件进行物相分析，2θ确定为20°～100°，扫描速度为3°/min，得到各试样的衍射曲线。采用FM-ARS9000显微硬度测量系统对试件进行显微硬度测试，该系统的压头是金刚石压头，由于熔覆层硬度较高，故加载质量500 g，保持时间为15 s。

图2 拉伸试件Fig.2 Tensile specimen

2 结果与讨论

2.1 机械冲击对熔覆层表面质量的影响

在45钢轴外表面将每种熔覆材料熔覆5道，调节冲击频率为0、10 Hz、20 Hz、30 Hz和40 Hz，对应每道编号为0～4，熔覆后的覆层表面如图3所示。图3a所示为Ni65WC熔覆层，检测熔覆层表面发现：表面无裂纹，呈暗灰色，与未受冲击的0号熔覆层相比，1～4号熔覆层厚度变薄，这主要是因为机械冲击引起的工件高频振动使粉末均匀增密，进而使熔覆层致密度增大。图3b所示为Fe90熔覆层，覆层表面无裂纹，但施加冲击的覆层颜色明显深于无冲击覆层颜色，说明施加冲击后，其表面温度升高，熔池温度梯度相对减小，熔池搅拌剧烈，使粉末熔覆所需的比能量相对减小，体现了机械冲击对熔池温度的均匀性、熔池的对流强度等有明显的作用，同时覆层厚度变化与图3a相同，但熔覆表面有锤击凹坑。图3c所示为Sti6+3%WC熔覆层，其表层呈明亮的银灰色，由于热物理参数的差异及残余应力大等原因，出现了多道轴向裂纹，其中4号覆层表面与其他覆层相比，厚度小，且极为光亮，表面绿色氧化皮少，没有出现熔池向前推进时的类波纹现象，说明该熔覆层熔化较为充分，机械冲击对涂层质量作用显著，加载一定频率的机械冲击后其裂纹数目明显减少，表3所示为图3c工件表面裂纹数目统计，体现出机械冲击熔覆层的裂纹抑制效果较为明显。

(a)Ni65WC熔覆层

(b)Fe90熔覆层

(c)Sti6+3%WC熔覆层图3 熔覆层表面形貌图Fig.3 Surface topography of cladding layer

熔覆层0号1号2号3号4号裂纹数65521

2.2 机械冲击对拉伸性能的影响

拉伸试验所得载荷位移曲线如图4所示。从图4a可以看出：未受冲击试样在拉断前有多个台阶，主要原因是45钢塑性高于高硬熔覆层塑性，出现熔覆层先于基材出现裂纹和断裂现象，当施加40 Hz冲击后，表层在变薄的同时强度明显提高，无明显先于基材早期断裂现象，可承受最大载荷提高了4900 N，提高比例为26.2%，但断裂总伸长量却减小约37%。由图4b可以看出：受冲击试件在拉伸过程中无明显屈服现象，可承受最大载荷提高了3600 N，提高比例为21.3%，而且断裂总伸长量亦增加约21%。由图4c可以看出：施加冲击后的试件仍出现明显的屈服现象，可承受最大载荷提高了1700 N，提高比例为9.04%，其断裂总伸长量无明显变化。

(a)Ni65WC熔覆层

(b)Fe90熔覆层

(c)Sti6+3%WC熔覆层图4 各拉伸试件的载荷-位移曲线Fig.4 Load displacement curve of each tensile specimen

2.3 机械冲击对微观组织的影响

由于熔覆层结合处的元素成分变化最剧烈，应力、温度梯度变化大，同时基材表面的疲劳层等去除不干净等因素，使结合处易产生微裂纹，若裂纹扩展，则会穿过熔覆层成为宏观裂纹，或产生熔覆层受载剥落等现象。图5为Ni65WC熔覆层与基材结合处的显微组织图与物相分析图。由图5可明显看出，经过机械冲击的覆层块状WC尺寸减小，使硬质相的弥撒强化作用增强，同时振动引起强烈搅拌作用使WC不再过多沉积于底部，这对微裂纹的产生有抑制作用。图6、图7分别为Fe90熔覆层和Sti6+3%WC熔覆层与基材结合处的显微组织图与物相分析图。从图6、图7中可以看出，Fe90熔覆层中白色的枝晶主要由奥氏体组成，为Fe-Cr固溶体组织，由于含Cr较高，故形成大量碳化物(Fe，Cr)7C3，作为硬质相在枝晶间呈网状分布，对组织的强度等有重要作用；Sti6+3%WC熔覆层白色枝晶为f.c.c的钴固溶体，同时在晶界处与C形成高硬度碳化物(Cr，W)7C3，而且其对晶间的耐腐蚀起着重要的作用；由受冲击和未受冲击试样组织形貌对比可以看出，机械振动作用引起的“强烈紊流”作用，使枝晶方向与正温度梯度方向夹角增大，抑制枝晶沿梯度成长，由于粗大枝晶在强烈的熔池对流冲击下破碎成多方向多小段枝晶，故熔覆层性能各向异性减弱，枝晶间距离明显减小，熔覆层致密性增强，细晶强化作用显著。

(a)未受冲击 (b)受冲击

(c)X衍射图5 Ni65WC熔覆层微观组织与物相分析Fig.5 Microstructure and phase analysis of Ni65WC cladding layer

(a)未受冲击 (b)受冲击

(c)X衍射图6 Fe90熔覆层微观组织与物相分析Fig.6 Microstructure and phase analysis of cladding layer by Fe90

2.4 机械冲击对显微硬度的影响

在测量显微硬度时，从距熔覆层表面约0.2 mm处开始到基材一共取9个点，图8为不受冲击试样和受冲击频率为40 Hz试样的显微硬度曲线图。从图8可以看出，施加机械冲击使不同材料熔覆层的显微硬度均得到提高，而且显微硬度提高的位置包括熔覆层的上部、中部和底部，但不同材料不同部分的提高比例并不相同，如表4所示。由表4可以看出，由于各覆层的屈服强度不同，相同频率的冲击力对熔覆层表面硬度改变量并不相同，屈服强度较低的Fe90熔覆层更易产生应变强化。结合显微组织分析可知，冲击后显微硬度提高的原因是应变强化和组织细化。

(a)未受冲击 (b)受冲击

(c)X衍射图7 Sti6+3%WC熔覆层微观组织与物相分析Fig.7 Microstructure and phase analysis of cladding layer by Sti6+3%WC

(a)Ni65WC熔覆层

(b)Fe90熔覆层

(c)Sti6+3%WC熔覆层图8 各材料熔覆层横截面显微硬度Fig.8 Cross section microhardness of the cladding layers

表4 各工件受冲击熔覆层横截面显微硬度提高比例

3 结论

(1)在激光熔覆过程中对熔覆层施加一定强度的机械冲击是改善熔覆层表面质量、抑制裂纹萌生的有效手段，但熔覆层厚度会有所减小，表面由于机械冲击会产生凹坑。

(2)在同样的试件尺寸和测试条件下，计算拉伸位移和断裂载荷的变化，证明施加机械冲击可提高熔覆试件的强度，但不同材料提高比例不同，Ni65WC试样的可承受最大载荷提高了26.2%，但断裂总伸长量却减小约37%；Fe90试样的可承受最大载荷提高了21.3%，断裂总伸长量亦提高约21%；Sti6+3%WC试样的可承受最大载荷提高了9.04%，其断裂总伸长量无明显变化。

(3)施加机械冲击的熔覆层显微硬度明显提高，一方面是因为施加冲击力的应变强化作用，另一方面是由于机械振动引起的细晶强化作用。

[1] FALLAH V, ALIMARDANI M, CORBIN S F, et al. Impact of Localized Surface Preheating on the Microstructure and Crack Formation in Laser Deposition of Stellite1 on AISI 4340 Steel[J]. Applied Surface Science,2010,257:1716-1723.

[2] 刘贵仲，钟文华,高原.激光熔覆涂层缺陷的形成及防治[J].表面技术,2012,41(5):89-92. LIU Guizhong, ZHONG Wenhua, GAO Yuan. Formation and Resolving Method of the Structure Defect about Laser Cladding Coatings[J]. Surface Technology,2012,41(5):89-92.

[3] 杨宁,李立凯.激光熔覆层的开裂行为及其防治[J].材料热处理技术,2011,40(24):150-152. YANG Ning, LI Likai. Cracking Behavior and Preventing Methods of Laser Cladding Layer[J]. Material & Heat Treatment,2011,40(24):150-152.

[4] HUANG Yongjun, ZENG Xiaoyan. Investigation on Cracking Behavior of Ni-based Coating by Laser-induction Hybrid Cladding[J]. Applied Surface Science,2010,256(20):5985-5992.

[5] 徐成伟,姜伟,胡芳友.稀土元素和工艺参数对激光熔覆层微观形貌的影响[J].表面技术，2009,38(3)：58-60. XU Chengwei, JIANG Wei, HU Fangyou. The Effect of Rare Earth Elements and Craft Parameters on the Microstructureby CO2Laser Cladding[J].Surface Technology,2009,38(3)：58-60.

[6] 傅戈雁,石世宏,张赟，等.多冲碰撞载荷下激光涂层的裂纹损伤及机理分析[J].中国机械工程,2006,17(21):2296-2299. FU Geyan, SHI Shihong, ZHANG Yun, et al. An-alysis to Flaw Damaging and Mechanism of Laser Coating under Repeated Impact Load [J]. China Mechanical Engineering, 2006,17(21):2296-2299.

[7] 许华,郑启光,丁周华，等.电磁搅拌辅助激光熔覆硬质合金的研究[J].激光技术,2005,29(5):449-469. XU Hua, ZHENG Qiguang, DING Zhouhua,et al. Study on Laser Cladding Hard Alloy with Electromagnetic Stirring[J]. Laser Technology,2005,29(5):449-469.

[8] 王传琦,刘洪喜,周荣，等.机械振动辅助激光熔覆NiCrBSi-TiC复合涂层中颗粒相行为特征[J]. 金属学报,2013,49(2):221-228. WANG Chuanqi, LIU Hongxi, ZHOU Rong, et al. Characteristic Behaviors of Particle Phases in NiCrBSi-TiC Composite Coating by Laser Cladding Assisted by Mechanical Vibration[J]. Acta Metallurgica Sinica,2013,49(2):221-228.

[9] 王维,郭鹏飞,张建中，等.超声波BT20钛合金激光熔覆过程的作用[J].中国激光,2013,40(8):1-5. WANG Wei, GUO Pengfei, ZHANG Jianzhong, et al. Ultrasonic Effect on Laser Cladding BT20 Titanium Alloy Process[J]. Chinese Journal of Lasers,2013,40(8):1-5.

[10] 徐文立,黎明,刘雪松，等.动态低应力小变形无热裂随焊锤击焊接技术研究[J].材料科学与工艺,2001,9(1)：126-129. XU Wenli, LI Ming, LIU Xuesong, et al. Dynamic Low Stress-little Distortion-hot Crackfree Welding Technology by Ttrailing Peening[J]. Materials Science&Technology,2001,9(1)：126-129.

(编辑 袁兴玲)

Effects of Mechanical Shocks on Mechanics Properties and Microstructures of High Hardness Laser Cladding

ZHENG Lijuan FU Yuming WANG Haoping QI Tong

School of Mechanical Engineering,Yanshan University, Qinhuangdao，Hebei，066004

In order to reduce the defects of high hardness alloy cladding layers, a new technique for the laser cladding processes was presented. The Ni based, Fe based and Co based three kinds of high hardness alloy cladding layers were prepared on the surfaces of 45 steel. The effects of mechanical shocks on the mechanics properties and microstructures of the cladding layers were compared and analyzed. Research results show that the surface cladding quality of cladding layers may be improved by loading the mechanical shocks, restrian cracks. Mechanical shocks have different impacts on mechanics properties of cladding layers of different materials. Ni65WC specimen may withstand the maximum load increased by 26.2%, but the total elongation is reduced by about 37%, the ratio of the maximum load to the Fe90 sample may be increased to 21.3%, and the total elongation is also approximately improved, the ratio of the maximum load to the Sti6+3%WC sample may be increased to 9.04%, no obvious changes in the total elongation. Mechanical impacts make the microstructure significantly refined, micro hardness improved.

laser cladding; impact; mechanics property; microstructure

2016-10-14

国家自然科学基金资助项目(51105325);河北省自然科学基金资助项目(E2015203217，E2014203223)

TH117.1

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.13.015

郑丽娟，女，1971年生。燕山大学机械工程学院教授、博士。主要研究方向为激光熔覆强化与再制造技术。发表论文70余篇。付宇明(通信作者)，男，1971年生。燕山大学机械工程学院教授。E-mail:fymzlj@163.com。王好平，男，1989年生。燕山大学机械工程学院硕士研究生。齐 童，男，1992年生。燕山大学机械工程学院硕士研究生。