激光熔覆马氏体钢涂层组织与性能研究

喻佳臣，李 胜，邱长军

（南华大学机械工程学院，湖南 衡阳 421001）

0 引言

激光熔覆技术是利用高能量密度激光辐照金属粉末使其与基材一起熔凝，在基材表面快速成型出高质量的涂层。激光熔覆是一种高经济效益、绿色环保的再制造技术，它可以在廉价的基材上制备出高耐磨、耐腐蚀、耐高温或抗氧化的涂层[1，2]。且制备的涂层具有与基材成冶金结合、热影响区小、稀释率低、效率高等优点[3，4]。马氏体钢是一种高强度钢种，具有优异的综合力学性能、耐腐蚀性和良好的热处理工艺性，可以通过回火处理调整其力学性能，改善其塑性。Sun 等[5]通过激光熔覆技术在300M 钢表面制备了420 马氏体钢涂层，通过连续熔覆、单道间歇熔覆（间歇时间80s）来控制原位淬火和回火顺序。结果表明，间歇熔覆主要产生的组织为回火马氏体，相比于连续熔覆，延伸性提高了38%，屈服强度和抗拉极限仅降低了5%～10%。王强等[6]通过激光熔覆技术在27SiMn钢活塞杆表面，采用17-4PH 马氏体钢进行了不同激光功率熔覆试验。结果表明，随着激光功率的增加，熔覆层的高度先减小后增加，基材的穿透深度和热影响区宽度增大，熔覆层的平均显微硬度逐渐增加，熔覆层的组织由较短且没有方向性的板条状马氏体向具有方向取向的板条状马氏体转变。综合上述因素得出2600 W 为最佳激光功率。使用1000 W 光纤激光器在Q235 基材表面熔覆了约4 mm 的马氏体钢涂层，对其涂层性能进行了表征和分析，能为工程实际应用提供一定的参考。

1 材料及方法

本实验采用的粉末为高纯氮气下气雾化的铁基粉末，粉末的粒度为-150 目～+300 目，粉末成分见表1，熔覆基材为Q235 钢板，尺寸为110 mm × 60 mm ×15 mm。实验之前先将基材用磨床打磨，再用酒精清洗，去除基材表面氧化层和油渍。将粉末和基材置于恒温干燥箱进行干燥处理，干燥温度为50 ℃，干燥时间为3 h。

表1 粉末成分质量分数（wt.%）

采用1000 W 光纤激光器在基材表面熔覆制备马氏体钢涂层，送粉方式采用送粉器同步送粉，保护气体、送粉气均为高纯氮气，将基材放置在通有冷却水的低温工作平台上面，水温设置为23 ℃。激光工艺参数：激光功率为500 W，离焦量25 mm，扫描速度为8 mm/s，搭接率为50%，送粉速度为4.35 g/min。

图1为激光熔覆后涂层表面形貌，从图中可看出，制备出的马氏体钢涂层表面光洁无裂纹、气孔等缺陷。采用DK7763 型线切割机制备出多个非标拉伸试样，如图2 所示。将拉伸试样放入预热好的210 ℃电阻炉中保温2 h，进行低温回火处理。采用WDW-20E 材料万能试验机测试马氏体钢涂层的室温拉伸性能，拉伸速率为0.2 mm/min。采用HVS-1000AV 维氏显微硬度计进行硬度测量，载荷为2 N，保压时间为10 s。通过XD-3 型X 射线衍射仪分析其物相结构。

图1 涂层表面宏观形貌

图2 拉伸试样尺寸（mm）

2 结果及讨论

2.1 涂层组织

采用扫描电子显微镜（SEM）和XD-3 型X 射线衍射仪（XRD）对热处理后涂层试样进行了物相分析，其分析结果如图3、图4 所示。由图3 涂层显微组织形貌可以看出涂层质量良好，无裂纹、气孔等缺陷，涂层热处理后组织为典型的板条状马氏体，且马氏体呈不同方向分布。由图4 XRD 图可见，热处理后涂层组织主要为马氏体和M23C6，结果与其他文献中的马氏体钢成分相近[7]。

图3 涂层显微组织形貌

图4 XRD 图

2.2 拉伸性能

激光熔覆马氏体钢试样拉伸曲线图如图5 所示，由图可知室温下原始态试样抗拉强度为（1475±20）MPa，其塑性较差，呈现脆性断裂。经过210 ℃低温回火2 h 后的试样抗拉强度可达（1755±15）MPa，屈服强度为（1125±15）MPa，断后延伸率为（10.5±1.5）%。经210 ℃低温回火后，改善了涂层的强度和塑性，热处理态试样力学性能优于其他文献报道[8]。热处理态试样强韧性提高的原因主要有：（1）回火后组织更加细化；（2）在低温回火过程中部分碳元素偏聚对基体进行强化。经过210 ℃回火2 h 马氏体钢涂层力学性能优异，在保持高强度的同时，仍然具有优异的塑性。

图5 拉伸曲线

2.3 显微硬度

采用HVS-1000AV 维氏显微硬度计对涂层进行硬度测量，涂层的显微硬度曲线如图6 所示，从图中可以看出涂层原始态与热处理态试样显微硬度值波动较小，说明硬度比较均匀。对涂层原始态和热处理态试样显微硬度结果进行分析可得：（1）涂层未进行热处理时，其组织为高硬度的粗大马氏体，硬度值较高；（2）热处理后涂层试样显微硬度比原始态显微硬度有所降低，这是因为经低温回火后，部分碳化物析出导致马氏体的过饱和度下降[9，10]。

图6 显微硬度曲线

3 结语

（1）通过激光熔覆技术制备了低成本力学性能优秀的马氏体钢涂层，所制备的涂层表面光洁，无裂纹气孔等缺陷；（2）涂层的显微硬度为475～490HV0.2；（3）经过210 ℃低温回火2 h 的试样，室温下抗拉强度可达（1755±15）MPa，屈服强度为（1125±15）MPa，断后延伸率为（10.5±1.5）%，能够在保持高强度的同时也有较好的塑性，具有优异的综合力学性能。