深松铲尖表面激光熔覆强化试验研究

闫勇，王宏立

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319）

农机碎土深耕中主要工作部件是深松铲尖，在播前整地的土壤疏松中，深松铲尖的磨损是一个十分复杂的过程，不仅取决于深松铲尖的内部化学成分及材料结构，还受到许多外界的影响，例如土壤机械组成（粒度、石英砂含量、砂砾形状和硬度等）、土壤湿度（温度影响土壤的坚实度、粘度和硬砂粒在零件表面的附着力）、刀的形状、摩擦表面的单位压力和运动速度，土壤中砂石或磨料接触造成的摩擦磨损，同时还受到砂砾，植物根系等物的冲击，造成弯曲变形或折断。

由于深松铲尖在工作中普遍存在严重腐蚀及磨损[1]，如果硬度、耐磨性不能满足要求，在服役时，这些零件与土壤、作物根茬摩擦这极大的影响铲尖的工作寿命，同样生产成本也会升高[2]。采用激光熔覆技术表面加工方法[3-6]用于需要具有高性能合金层的金属材料的表面上，提高材料表面的物理性能，如铲尖需要的耐磨、耐蚀等方面的性能[7-10]。与其它表面强化方式如堆焊、热喷涂，还有等离子喷涂等相比，通过激光熔覆方式强化的表面层性能好、综合成本低等方面优势[11]。相关文献已经报道过镍基合金涂层相关的研究成果[15]，朱润生等[16-17]在金属表面上熔覆镍基合金粉末的试验，表明其具有良好的自熔性、润湿性、硬度高等特性。国内外很多学者对Ni60 自熔性合金粉末激光熔覆进行了很多的研究[18-20]，通过对深松铲融覆Ni60 合金粉末后的熔覆层的宏观样貌及所用的熔覆工艺参数进行观察及试验，熔覆层显微硬度高达957 Hv0.1，远高于基体硬度，测试后的熔覆层摩擦磨损性能高于基体。其熔覆后涂层的耐磨性、耐蚀性等方面都取得了很好的效果。

在激光熔覆过程中熔覆层可能开裂形成裂纹，涂层中残余热应力的大小和熔覆层的抗开裂能力（韧塑性及抗拉强度）是影响材料开裂敏感性主要原因。由于熔覆材料与基材之间存在的物理性能方面的差别，激光束的高能密度的迅速加热和基材的激冷效果这两种因素，熔覆层中的枝晶界、气孔、夹杂的杂质强度较低易发生应力集中，当局部拉应力大于熔覆层材料的强度极限时，就会产生裂纹。单道激光熔覆层的裂纹的分布大部分是平行的且与激光扫描的方向垂直。选择具有与基体热膨胀系数相近的熔覆材料可以减少裂纹的产生，也可以采用试验后得出的较优工艺参数来减少熔覆层中的裂纹。

气孔是一种在激光熔覆层中非常有害的缺陷，而熔覆层中的裂纹源就是由气孔引起的，尤其在一些需要具有高气密性的性能的熔覆层地方气孔的存在是完全不能被应用的，另外需要熔覆层具有耐磨、耐蚀等特性的地方气孔也会降低其性能。产生气孔的因素主要是：涂层熔覆搭接过程中的搭接产生的孔隙，以及凝固时材料的收缩会产生凝固孔以及熔覆过程中脱氧造渣产生的气体产生的气孔。熔覆镍基合金材料的熔点与钢基材的熔点不一样，导致两者相交界面凝固时间不一致这会导致其收缩形成孔隙。通常，气孔是不能完全能避免在激光熔覆过程中。可以采取一些措施用来减少熔覆层中气孔数量，例如在试验前对镍基合金粉末样品进行烘干处理；也可以选择不易氧化的合金粉末或者在涂层粉末中加入抗氧化的物质；在激光熔覆期间加大相应的保护气体的流量；通过调节试验参数，如较高的激光功率和较慢的扫描速度，这样就可以延长熔池存在的时间，使气体更容易逸出。

试验采用深松铲尖基材为试验材料，用直读光谱仪测定其化学成分，试验前用线切割机将熔覆层切割成9 块尺寸大小为30 mm×30 mm×5 mm 长方体试样。使用的激光熔覆材料，使用的熔覆材料为粉末状材料。因为粉末状的熔覆材料不仅能与激光、熔池之间的接触面积增大，而且脱氧造渣能力也会提升，也能与保护气体进行最大面积的接触。不但要对熔覆材料的选择与基体材料相匹配，而且还要考虑其线膨胀系数、熔覆材料的熔点和基体材料之间的润湿性等都应该匹配。主要的选择标准有以下几点：

（1）所用的材料应有良好的润湿性在基体材料上进行熔覆时熔覆的质量才会提高。

（2）激光熔覆粉末与基体材料两者各具有的热膨胀系数相同或者接近，热膨胀系数差距越小的两种材料，熔覆后的组织致密性才能越好。

（3）熔覆材料与基体材料的熔点应该相接近，以确保熔覆时两者能够同时熔化、结晶成熔覆层。如果两者的熔点差别较大，观察微观组织时明显看到晶体大小不均匀而导致熔覆后的铲尖性能下降更是无法使用。

试验中使用的熔覆层的材料为NiCrBSi（Ni60，后文中简称Ni 自熔性合金粉末），其化学成分（wt%）为：16 Cr，3.3 B，4.4 Si，0.9 C，8.0 Fe，余为Ni。Ni 基合金具有良好的耐高温氧化性、良好的耐蚀性和耐磨性以及较高的硬度等。这主要是由于Ni 基合金中的Cr 元素能溶于Ni 中形成NiCr 固溶体而增加涂层的强度，同样提高涂层的硬度和耐磨性原因还有材料中所含有的Cr 还能与B 元素、C 元素形成碳化物和硼化物等硬物；此外，Si 可溶于铝中产生固溶强化效果形成过饱和固溶体，同时还能形成大量分布着弥散的高强度Si 质点而较大的提升了其耐磨性。选用最佳的参数试验结果表明，熔覆层与基体结合紧密，无气孔及裂纹。其结合面显微组织良好，表面硬度高，摩擦磨损性能良好，熔覆层的硬度比基体硬度要高约3.5 倍，磨损量约为基体的四分之一，并研究了采用熔覆镍基合金的方式在农机深松铲上的使用的合理性，通过研究结果发现对改进农机深松铲的加工工艺，提高零件工作使用寿命，降低使用和制造成本提供了有益的效果。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

采用65 Mn 钢板为试验基体的材料，切割的试样尺寸为100 mm×100 mm×10 mm。使用的熔覆材料粉末参数为140 至320 目镍基合金粉末，其化学成分如表1 所示。

表1 镍基合金粉末的元素含量（质量分数/%）Table 1 Chemical composition of nickel based alloy powder（mass fraction/%）

1.1 试验方法

试验前用金相砂纸对65 Mn 钢的表面由粗到细进行依次均匀打磨，去除表面所有杂质，用酒精冲洗干净表面，吹风机吹干待用，使用TFL-H6000 CO2激光器，配备SIMENS 数控系统，通过试验设计激光熔覆采用正交对比试验并列出其组合参数依次进行试验，试验后的各个参数试块进行性能测试，得出此实验的最佳工艺参数。试验原理如图一所示，固定65 Mn钢基体试样在实验仪器的工作台上，并用预置法进行熔覆，预置粉末厚度为2 mm，激光器发射激光束并进行匀速直线运动，采用多道搭接方式，搭接率为60%，激光束的高能量使镍基合金粉末熔化并形成熔池，同时熔覆时吹入氩气进行保护，通过冶金结合及熔池快速冷凝后，在基体表面形成固体熔覆层。

激光熔覆后，用BWM-3000 型电火花数控线切割机床沿垂直于激光扫描运动方向，切割含有熔覆层小块金属试样大小为10 mm×10 mm×10 mm，把小块的金属试样横截面用金属镶嵌机制成，使用80～2 000 目的金相砂纸打磨，依次由粗到细进行，最后用PG-2A 型金相抛光机上用金刚石研磨膏抛光样品，用浓度为50%的氢氟酸溶液腐蚀、冲洗，吹干待用。

图1 激光熔覆试验原理图Fig.1 Principle diagram of laser cladding test

使用HV-1000 型显微硬度计测量镍基合金层的显微硬度，对熔覆层进行加载，载荷为1N，保压时间为10 s，从熔覆层表面测试第一个点至基体方向依次测量，测量点之间的间隔为100 μm，依次测试硬度后计算出平均测量值，熔覆层工艺参数通过正交试验选出质量较优的，用此参数下的试样进行后续的显微形貌观察、耐磨性试验及物相分析。电子显微镜对最降价参数组合下的的试样的熔覆层截面进行观察分析其微观组织，对试样熔覆层使用X-6600型X 射线衍射仪进行物相分析，加速电压40 kV，电流30 mA，扫描速度1.5 mm·min-1，Cu 靶，角度扫描范围10～90 °。使用线切割机床再次切割出15 mm×15 mm×10 mm 熔覆层表面和65 Mn 钢基体，对其两者依次进行打磨抛光处理，在POD-AUTO 型球-盘摩擦磨损试验机进行干摩擦试验。摩擦在室温20 ℃条件下进行，球摩擦副材质为陶瓷，试验加载的载荷为30 N，转速200 r·min-1，试验时间为90 min，计算机软件记录整个试验过程的摩擦系数，试验前后试样均用无水乙醇清洗，吹干并称量试块，使用精度值为0.1 mg 的FA104 型电子天平测量摩擦前后质量并记录，计算摩擦磨损失重，每个试块惊醒3 次测量，取其平均值。计算后试块采用Ima-A2m 光学显微镜对磨损后的试块进行形貌观察，分析其磨痕磨损机理。

1.3 正交试验

采用正交试验设计，依据正交性挑出部分能体现试验全面的点来进行试验，在全面试验中，这些点具备了“均匀分散，齐整可比”有一定的代表特点，分式析采用的设计方法是正交试验设计。它是一种效率高、速度快、具有经济性的实验设计方法。获得熔覆层质量较优的工艺参数可通过正交试验来完成。激光功率、扫描速度、离焦量等工艺参数对熔覆层硬度，对消除熔覆时产生的气孔及使结晶组织更加致密及增强其耐磨性具有很大影响，因此试验以这3个参数为试验因素，以熔覆层耐磨性为指标，以此设计正交试验方案。依据正交组合参数试验前先进行前期初步试验，来确定各参数取值范围，试验方案及结果分析如表2 所示，通过极差分析可知，对熔覆层的耐磨性能影响最大是离焦量，而扫描速度其次，影响最小是激光功率，即影响熔覆层耐磨性的试验因素主次顺序为离焦量>扫描速度>激光功率。最后可得到熔覆质量最佳的工艺参数组合的激光功率为5 500 W，扫描速度为550 mm·min-1，离焦量为360 mm，对应的硬度值957 HV0.1，以此为熔覆工艺参数组合进行熔覆，得到的熔覆层进行后续的基体熔覆层的熔覆，进行组织观察、磨痕的机理、物相分析、摩擦磨损试验。

表2 正交试验设计及结果分析Table 2 Design of orthogonal test and analysis of results

2 试验结果与分析

2.1 熔覆层的显微组织

图2 为试样截面在电子显微镜下观察到的宏观形貌。可见熔覆层宏观组织细密均匀，气孔、裂纹等组织缺陷并未出现，熔覆层结合界面质量良好紧密，测量镍基合金层厚度在1.5 mm 左右。镍基合金涂层表面为典型的树枝晶，晶粒分布细密，组织细小均匀。熔覆层与基体结合界面结合紧密无裂纹，从熔覆层到基体的晶体逐渐变得细小致密。

图2 熔覆层截面形貌Fig.2 Section morphology of cladding layer

2.2 熔覆层的显微硬度

图3 为镍基合金涂层的显微硬度曲线。由此图可见，试样从镍基合金层表面至基体的硬度总体趋势是不断下降的，镍基合金涂层的最大硬度达到1 100 HV0.1，镍基合金层厚度约1.5 mm。镍基合金涂层硬度平均值为957 HV0.1，是基体硬度297 HV0.1约3.2 倍。那么其原因是镍基合金粉末在激光的照射下快速融化，由于基体的快速凝固，熔覆的镍基合金晶核不能充分的长大，所以结晶的晶粒变得细小，组织变得细密，对组织又有强化作用；另一方面，粉末中含有Ni、Cr 等合金元素，这些元素能够形成硬质相，且组织为细密的枝晶组织，又因固溶强化效果明显，所以镍基合金涂层的硬度对比于基体而更高。另外越接近熔池底部冶金结合中的镍基合金稀释率越大，这些导致熔池部位硬度要低些。对镍基合金涂层进行显微硬度测试，激光熔覆极大的提高65 Mn 钢表面的显微硬度，明显的强化了镍基合金涂层的表面硬度。

图3 熔覆层显微硬度Fig.3 Microhardness of cladding layer

2.3 熔覆层摩擦磨损性能

2.3.1 摩擦磨损性能

两种试样在初期磨损系数稍大些，究其原因是磨损初期，试样表面有凹凸点，表面不是非常平整，导致局部压力较大，摩擦系数也会相应变大一些。在65 Mn 钢表面激光熔覆的镍基熔覆层，大大的降低了表面摩擦系数，熔覆层摩擦平均系数比基体的平均摩擦系数降低35%左右。这是因为镍基合金涂层内元素能够形成大量的硬质相且能均匀分布，导致镍基合金层硬度远高于65 Mn 基体。图4 为镍基合金层与基体的磨损量的对比。由图可见，在磨损条件都相同的情况下，熔覆层的磨损量为1.06 mg，而65 Mn基材磨损量为3.62 mg，是镍基合金层磨损量的3.4 倍。镍基合金层是因为组织内部含有Cr、B 形成较多硬质相所以更加耐磨，并且组织晶粒致密又均匀，由此镍基合金层比基体硬度要高很多，也提升了镍基合金层的耐磨性能。由此可得出镍基合金层与基体磨损量进行对比，则说明了经过激光熔覆在65 Mn 钢表面的镍基合金涂层，极大地提高了深松铲的耐磨性能。

2.3.2 田间试验

根据以上的最佳工艺参数，在65 Mn 钢表面上进行镍基合金粉末熔覆再把经过传统热处理的深松铲尖以及熔覆后的深松铲尖安装在同一辆深松整地机上，进行田间试验。让深松铲尖工作一定时间后分别称量两种深松铲的磨损量，检验其工作性能及耐磨性，结果显示测量数据如表3 所示。

图4 熔覆层和基体的磨损量对比Fig.4 Comparison of the wear of the cladding layer and the matrix

表3 深松铲磨损量对比Table 3 Comparison of wear amount of subsoiling shovel

3 结论

（1）在65 Mn 钢表面应用激光熔覆技术能够实现在深松铲表面进行较大面积的熔覆镍基合金。各项参数通过正交试验得出结果可分析出，影响熔覆层耐磨性的因素顺序依次为激光功率<扫描速度<离焦量，得出较优的熔覆工艺参数组合是激光采用功率为5 500 W，扫面速度550 mm·min-1，离焦量360 mm。

（2）熔覆层与基体冶金结合性能良好，无气孔，裂纹等缺陷。观察其组织的显微情况，致密且均匀，主要的为树枝状、柱状等晶体。

（3）镍基合金层的硬度较65 Mn 钢基体的硬度远大于基体，试验得出的最优的熔覆层硬度为957 Hv0.1，总体的平均硬度值为859 Hv0.1，其平均硬度是基体的3.5 倍。

（4）对比与基材，镍基合金层的摩擦系数和磨损量较小，摩擦系数值较均匀，平均比65 Mn 钢基体的摩擦系小35%左右。镍基合金涂层磨损量是基体的1/3.4，表现出其优良的耐磨性。可用镍基合金对农机深松铲表面进行强化处理，深松铲的使用寿命得以提高，降低了总体使用成本。