高速列车道岔关键部位激光再制造工艺研究

杨加才 夷红志 丁颖杰 顾海龙 毛永文

(中车四方车辆有限公司 山东 青岛 266111)

激光再制造的特点是利用损伤或将要报废零部件材料作为再制造的基体。通过激光表面硬化技术来增强工件的表面硬度和组织性能。同时通过激光再制造使试件表面的涂层厚度大都在微米到毫米间，最终达到再制造产品的各种性能、质量能和新产品的水平一致[1]。

1 试验材料

为制备具有性能优良的熔覆层和提高母材表面的硬度、耐磨性能。在配置熔覆层粉末时应考虑粉末具有良好的固态流动性；粉末与母材热膨胀系数相近；粉末与基体有良好的润湿性；粉末在熔敷过程中有良好的除气、造渣性能；熔覆粉末的熔点须在合适的范围，熔点太低时熔覆层极易过烧；熔点过高，熔覆层粉末未熔化使其不连续，导致熔覆层不平整，杂质较多等[2]。

本试验采用的熔覆材料分别为：Fe粉、Ni粉、Co粉和Cr+Al+Si+Ti混合粉末。1#、2#、3#的粉末成分如表1所示。其中Fe粉、Ni粉和Co粉质量分数相近，Cr+Al+Si+Ti混合粉末从1#～3#含量依次增加，其中3#是1#的2倍。

表1 试验材料各元素质量分数/%

2 高熵合金激光熔覆再制造显微组织研究

2.1 宏观形貌

本试验采用行星式球磨机进行球磨，在装样和球磨的过程中，都是在氩气保护的氛围中进行的，保证球磨时粉末不与空气发生反应，球磨转速为100 r/min，球磨2 h，停10 min后直接干磨2 h，使粉末混合均匀。

将球磨好的熔覆粉放入同步送粉器中，设定好激光工艺参数后，将粉末经过激光的作用在316L不锈钢制备一条复合涂层。图1(a)、(b)、(c)为不同成分熔覆粉末制备出的熔覆涂层的宏观形貌[3-4]。

从图中可以看出，1#、2#、3#熔覆层的宏观形貌表面均呈现出一种平整、光滑状，并且熔覆层的侧面没有出现明显的熔渣起球现象，熔覆涂层致密，无气孔和裂纹，与基板的冶金结合良好，具有良好的冶金效果。

图1 不同成分熔覆层表面宏观形貌

2.2 光学显微组织

图2为1#试样在50×金相电镜下的熔覆层组织全貌，从图中可以看出，熔覆层主要有等轴晶和树枝晶，组织分布不均匀，熔覆层内有些许的气孔。

由微观组织全貌图2可看到，树枝晶主要集中在中上部和右上部，树枝晶之间的晶间距适中，在右端出现少量的横向枝晶。在A区域主要是等轴晶，可发现还存在少量的树枝晶。B区域可以看出树枝晶较多，并且树枝晶垂直于熔池底部向上生长，预测一定时间后会变成等轴晶。C区域主要有树枝晶和柱状晶，且晶粒尺寸很大，可看到些许的等轴晶的尺寸在慢慢变大。

图2 1#熔覆层在50×的光学显微组织全貌

图3为2#试样在50×金相显微镜下的熔覆层组织全貌，由图3可以看出熔覆层主要以等轴晶为主，少量的树枝晶左半部分，并且熔覆层的组织发生了明显的细化。熔覆层的柱状晶变细成为树枝晶。在100×的A区域可以看出分布的主要是等轴晶，少量的柱状晶。B区域主要集中分布树枝晶，并且树枝晶有向等轴晶生长的趋势。C区域是熔池的底部，枝晶的尺寸较大，存在大量的柱状晶，主要原因可能是熔池底部受热的能量较大，形成的熔池较深，枝晶有足够的生长时间，过冷度较低，枝晶更容易生长，使得枝晶尺寸增大[5]。

图3 2#熔覆层在50×的光学显微组织全貌

图4为3#试样在50×金相显微镜下的熔覆层组织全貌，熔覆层主要是等轴晶和一些即将向等轴晶转变的细小树枝晶，并且组织分布均匀，整体致密，表面无气孔和夹杂的现象。A区域分布大量的等轴晶。B区域观察到有等轴晶和树枝晶，树枝晶变得细小，粗大的树枝晶消失，枝晶尺寸逐渐变大。C区域观察到熔覆层几乎为等轴晶和一些少量细小树枝晶，组织分布均匀，整体致密[5]。

由图4可看出随着Cr+Al+Si+Ti含量的增加，熔覆层内部出现了明显的晶粒细化，当Cr+Al+Si+Ti含量为12.48%时，熔覆层内粗大的柱状晶和树枝晶慢慢变细变小，并开始向等轴晶转变，由图4所示，这是由于 Al、Si、TI原子容易和熔覆材料Fe和Ni形成固溶体和金属间化合物异质相在结晶过程中起到了一个异质形核的作用，从而使熔覆层内部晶粒得到细化，因此大量的异质形核相当于效果良好的晶粒细化剂。

图4 3#熔覆层在50×的光学显微组织全貌

3 高熵合金激光熔敷再制造力学性能研究

3.1 显微硬度

图5为激光熔覆同轴送粉制备的1#、2#、3#试样，沿熔覆层到基体方向的显微硬度分布曲线。首先，从图中可以看出1#、2#、3#在0～1 mm范围内熔覆层硬度比其他地方高得多，最高分别为260 HV、440 HV、820 HV。1#、2#、3#在1～2 mm范围内硬度都有骤降的趋势。在2～5 mm范围内试样硬度都较低，分析原因是母材可能有元素熔入，使这个区域的硬度比熔覆层有明显下降。

从图中看出3#的硬度最高，由前面的显微组织分析可推测，3#中有大量的组织致密且分布均匀的等轴晶，而等轴晶组织中存在大量的硬质G相使其硬度大大提高[6-7]。

图5 1#、2#、3#熔覆层显微硬度分布

另外，1#、2#、3#试样的Cr+Al+Si+Ti的混合粉末比约为1∶1.5∶2，3#试样的Si和Ti的含量最高，Si和Ti的含量对熔覆层的硬度有显著的影响，Si、Ti含量较低的1#试样硬度只有260 HV，当Cr+Al+Si+Ti含量为12.48%时，硬度达到820 HV，因此，Si、Al、Cr、Ti的加入可使得熔覆层的硬度显著地增加。

3.2 弯曲试验

为了测量1#、2#、3#试样的抗弯强度，从而分析1#、2#、3#试样的脆性和低塑性，检查材料的表面质量，本次试验的加载方式是三点弯曲。

由图6试样弯曲曲线图可以看出，1#试样的抗弯强度最高，达到3 600 N左右才发生断裂的现象，这说明与2#、3#试样相比，1#试样具有良好的塑性。抗弯强度最低的是3#试样，2 500 N左右就断裂，说明3#试样具有较高的脆性。并且发现3#试样发生断裂后还能承受800 N的抗弯，会发生二次断裂[8]。

图6 1#、2#、3#试样弯曲曲线图

4 结论

本文利用高熵成分体系的材料实现了道岔关键部位的再制造，通过试验手段探索合适的高熵合金成分范围。试验中使用激光熔覆表面强化技术，在316L不锈钢表面制备了3组合金成分不同的熔覆层。研究3组不同熔覆粉末成分的熔覆层的宏观形貌、微观结构组织、硬度和弯曲性能，获得以下结论：

(1)由金相试验可知，与1#、2#试样相比，3#试样的等轴晶分布均匀且致密。1#、2#试样存在一定数量的树枝晶和柱状晶，并且树枝晶有向等轴晶转变的趋势。

(2)由硬度试验可知：与1#、2#试样相比，3#试样硬度最高，为820 HV，这是由于3#试样中有大量的组织均匀且致密的等轴晶，因此硬度最高；由弯曲试验可知：与2#、3#试样相比，1#试样抗弯强度最高，则说明1#试样的强韧性最好。3#试样中含有大量的硬质脆性的G相，虽然硬度大幅提高，但是显著降低了材料的韧性，所以抗弯强度和挠度最低。

(3)综上试验可知，高熵合金具有许多传统合金所不及的优良特性，用于制备涂层强化了某些特性，如硬度和塑性，更扩展了其应用范围，将高熵合金应用于高速列车道岔的修复中，一方面可以弥补道岔修复时的很多缺陷，另一方面，达到了在现有基体上实现再制造目的，产生了一定经济效益。