30CrMnSiA 高强钢拉杆激光熔覆修复

刘 伟 ,闫泰起 ,孙兵兵 ,陈冰清 ,张 峰 ,庞义斌

（1.中航国际供应链科技有限公司,北京 100027；2.中国航发北京航空材料研究院 3D 打印研究与工程技术中心,北京 100095；3.航发优材(镇江)增材制造有限公司,江苏 镇江 212000）

30CrMnSiA 钢属于低合金高强度结构钢，具有较高的强度、韧性以及优异的抗疲劳性能[1]，广泛应用于航空航天工业领域中的重要承力构件，如飞机起落架、螺栓、拉杆等零件中[2-4]。这些零件在服役过程中，需要承受频繁的磨损、冲击或腐蚀等作用[5]，容易产生微裂纹、裂纹等缺陷，在未到寿命的情况下最终导致失效[6-7]。为避免零件整体更换产生高昂的经济成本和时间成本，采用适当的修复方法对受损部位进行修复延寿，能避免材料浪费，大幅缩短飞机维修周期，是降低该类零件使用成本的重要手段[8-9]。飞机拉杆零件使用一段时间后，在与轴配合面的位置出现磨损和腐蚀缺陷，不能继续使用，需对拉杆端面与侧面损伤部位进行修复；修复后的拉杆在后续服役过程中需保证力学和耐磨损性能，并同时保证输油孔畅通以及交接处的储油槽的尺寸。

30CrMnSiA 钢由于化学成分特点，其焊接性较差，在焊接过程中易产生变形或者开裂等问题。尤其是采用传统焊接方法进行修复时，热输入较大，开裂倾向更大，需要进行严格的焊前预热、层间温度控制和焊后缓冷，给操作带来了很大不便，且不一定能取得很好的效果[6,10]。激光熔覆技术作为一种新型的再制造修复技术之一[11-13]，其原理是将零件的损伤失效部位作为基体，在高能量激光束的作用下，将熔覆粉末熔化并逐层堆积在待修复区，获得与基体形成冶金结合涂层的一种表面改性技术，最终达到修复零件的目的[14-16]，在冶金、航空航天、船舶等领域发挥着越来越重要的作用[17-19]。相比传统焊接修复技术，激光熔覆修复具有热输入可控、热影响区小、基体与熔覆层结合强度高、熔覆区组织致密且晶粒细小等优点，可大大降低高强钢材料焊接及修复过程中的裂纹倾向[20-22]。因此，激光熔覆技术是30CrMnSiA 钢构件损伤部位修复与再制造的最佳技术途径之一。本研究的拉杆待修复面相互垂直，可达性差，尤其适合采用激光熔覆技术作为修复手段。

近几年来，国内外研究者针对30CrMnSiA 钢的激光熔覆修复技术开展了一些研究工作。研究表明[12,[23-24]，当熔覆材料的碳含量小于母材的碳含量时，低碳含量熔覆层虽能够提升高强钢修复区的可焊性，增强熔覆层的韧性，但其强度低于基体的强度，导致力学性能不能满足要求。采用18CrMoA[25]、1Cr15Ni4Mo3[26]和GQ001[27]等合金粉末，实现了熔覆层和基体的强韧匹配，但在一定温度下，基体中的碳元素会扩散至熔覆层和基体之间的界面，使界面中出现增碳脆化现象，导致服役性能稳定性降低[28-29]。

本工作选用与30CrMnSiA 钢拉杆相同牌号的合金粉末作为熔覆材料，采用激光熔覆方法，对拉杆零件损伤失效部位进行修复技术研究。通过在30CrMnSiA 基体上进行激光熔覆工艺实验，获得最优工艺。采用最优工艺进行激光焊接和熔覆实验，对熔覆接头的组织和性能以及熔覆层的耐磨损性能进行评价。采用验证后的工艺对该型拉杆损伤区域进行激光熔覆修复，并对修复后的拉杆尺寸进行检验。

1 实验材料与方法

损伤拉杆待修复区情况如图1 所示，在端面与侧面大面积出现密集型腐蚀坑及磨损，深度约0.3 mm，通过修复需恢复其尺寸的同时保证其力学和耐磨损性能。

激光熔覆实验的基板和母材均为30CrMnSiA锻件，化学成分如表1 所示。熔覆实验所用粉末为通过气雾化法制备的30CrMnSiA 粉末，粉末粒径为53～105 mm，化学成分见表1。粉末形貌如图2所示，可以看到，粉末颗粒基本呈规则球形，表面存在少量卫星粉现象。实验前将30CrMnSiA 粉末置于温度120 ℃的真空干燥箱中烘干处理4 h。

表1 实验材料的化学成分Table 1 Chemical composition of testing materials

图2 30CrMnSiA 粉末形貌Fig.2 Morphology of 30CrMnSiA powder

将锻件下料加工成280 mm×280 mm×10 mm的对接试板用于激光焊接实验。将试板表面开X 型待焊缺口，单边坡口角度60°，激光焊接前对坡口表面进行打磨并用丙酮擦洗，随后将试板平放在水平底板上，坡口对接，坡口之间留0.1～0.5 mm 间距。

激光熔覆和焊接实验采用的设备主要包含TruDisk 6002 型碟片式激光器（最大功率6.0 kW）、KUKA KR90 六轴机器人、振动送粉器等。采用不同的激光熔覆工艺参数进行单层单道实验，选用激光功率、扫描速度、送粉量共3 个实验因素，设计方案见表2。熔覆完成之后，进行成形效果对比，优选出最佳工艺参数范围。为防止激光熔覆和焊接过程中试板发生氧化，整个实验过程在氩气保护下进行，氩气流量20 L/min。激光焊接后，将试板置于120 ℃的空气炉中进行时长2 h 的去应力退火处理。

表2 熔覆工艺参数设计Table 2 Design of cladding parameters

观察熔覆层外观形貌和内部缺陷，评价成形质量，选择最优参数进行焊接和熔覆实验。在垂直于焊缝方向，利用线切割在试板焊缝区切取试样用于金相观察，试样经打磨、抛光后，选用4%硝酸酒精溶液作为腐蚀剂腐蚀表面后，采用Leica DM 4000型金相显微镜观察微观组织。随后切取试样测试焊缝区不同位置显微硬度，测试设备为恒-FM 800 型数字显微硬度测试仪，施加载荷为2 N，加载时长20 s。拉伸性能测试按照HB5143—1996 进行，应变速率为0.015 min－1，焊缝区位于拉伸试样中心位置，测试设备选用MTS E45 型万能材料试验机，断口形貌观察选用FEI nano450 型场发射扫描电子显微镜，加速电压为15 kV。

采用最优工艺制备50 mm×50 mm×10 mm的激光熔覆试样，采用HT-500 型摩擦磨损试验机，在室温下对熔覆试样进行摩擦磨损实验，并采用白光干涉仪测试磨痕宽度、深度，评价耐磨性。

采用最优工艺对拉杆进行激光熔覆修复，对修复后的拉杆进行尺寸测量，选用Leitz Reference Xi 三坐标测量仪测量拉杆孔径、长度等，选用ATOS Triple Scan 16M 光学三维扫描仪对拉杆型面进行整体扫描，评价熔覆修复对拉杆变形的影响。

2 结果与分析

2.1 激光熔覆工艺

根据设计的方案进行单层单道激光熔覆实验，得到不同工艺参数下成形的13 组试样，熔覆层宏观形貌照片如图3 所示，从右向左依次为1～13 号样品。从图3 可以明显观察到激光功率、扫描速度和送粉量对成形效果的影响，综合考虑表面成形质量、熔宽、层厚以及控制修复零件热量输入以减少变形等因素，选择8、9、10 号样品为最优并开展后续参数研究。

图3 单层单道激光熔覆试样Fig.3 Laser cladding samples with single layer and single track

采用优选的8、9、10 号参数进行单层多道激光熔覆实验并制备金相试样。图4 为单层多道激光熔覆试样外观照片和金相照片。由图4 可以看到，三个试样均成形良好，但相比之下，采用9 号参数制备的试样表面光滑平整、波纹小，具有最亮的金属光泽，气孔数量最少，尺寸也最小，成形质量最优；因此，采用9 号工艺参数进行激光焊接和熔覆实验，对接头的微观组织、力学性能及熔覆层耐磨损性能进行分析和研究。

图4 单层多道激光熔覆试样（a）8 号；（b）9 号；（c）10 号；（1）外观照片；（2）金相照片Fig.4 Laser cladding samples with single layer and multiple tracks（a）No 8;（b）No 9;（c）No 10;（1）appearance photos;（2）metallographic photographs

2.2 30CrMnSiA 钢激光焊接头微观组织

图5 为30CrMnSiA 钢激光熔覆接头的实物照片和宏观形貌。由图5（a）看出，焊缝表面呈金属光泽，外观质量良好。对熔覆接头的X 射线探伤检验结果表明，接头中无裂纹及气孔等其他缺陷。由图5（b）可以看到，焊缝区由逐层沉积的熔覆层组成。接头熔覆层组织与母材原始组织的分界线明显，且在熔覆层中可以清楚地观察到激光光斑扫描的痕迹。由交界处的组织（图5（c））看出，熔覆层与母材冶金结合良好，结合面牢固、紧实，未出现气孔，裂纹等缺陷。通过观察熔覆层的层间结构可知，从试板中部到上下两端，熔覆层的厚度在逐层增加，且每层熔覆层之间熔合效果良好，未发现裂纹、未熔合等缺陷。说明采用30CrMnSiA 粉末作为熔覆材料及优选的激光熔覆工艺焊接30CrMnSiA钢试板能够获得完整且质量良好的接头，接头具有较高的焊接裂纹抗力。

图6 为熔覆层截面微观形貌。由图6（a）、（b）可看出，熔覆层X/Z面组织由浅色呈平行排列的柱状晶粒和蜂窝状大小均一的等轴晶粒交错分布组成。经分析，该组织为不同取向的铁素体，铁素体周边的深色组织为回火马氏体组织。由图6（c）、（d）X/Y面形貌可明显观察到熔覆层道与道之间有序搭接的痕迹，搭接区组织致密，每道熔覆层内的组织也由呈柱状和蜂窝状的铁素体组织致密均匀排布组成。

图5 30CrMnSiA 钢激光熔覆（a）接头实物照片；（b）焊缝截面（X/Z 面）宏观形貌；（c）焊缝截面（X/Z 面）交界处Fig.5 Laser cladding joint of 30CrMnSiA steel（a）joint photo;（b）macro-morphology of weldment section（X/Z direction）；（c）junction area（X/Z direction）

2.3 30CrMnSiA 钢激光焊接头力学性能

显微硬度可以在一定程度上反映材料的力学性能。对30CrMnSiA 钢激光熔覆接头截面（X/Z面）进行显微硬度测试，测试方向分别为沿熔覆区左右侧的母材向接头熔覆区中心位置，结果如图7 所示。由图7 可以看出，左右两侧母材向接头熔覆区中心的硬度变化基本对称，母材的显微硬度平均值在350HV 左右，当过渡至熔覆区，其显微硬度平均值则提高到475HV。相比母材，接头熔覆区的显微硬度提高约36%。

图7 熔覆接头显微硬度值Fig.7 Microhardness of laser cladding joint

分析原因可知，30CrMnSiA 钢母材组织中，铁素体和马氏体各约占50%[12]，而熔覆区组织在经历了激光熔覆的多次热循环后，马氏体组织占比增加（图6）。由于马氏体组织比铁素体具有更高的硬度，导致接头熔覆区显微硬度增加。

图6 熔覆层截面微观组织（a）X/Z 面低倍；（b）X/Z 面高倍；（c）X/Y 面低倍；（d）X/Y 面高倍Fig.6 Sectional microstructure of laser cladding joint（a）low magnification（X/Z direction）;（b）high magnification（X/Z direction）;（c）low magnification（X/Y direction）;（d）high magnification（X/Y direction）

图8 为激光熔覆接头拉伸试样断裂照片。由图8 可以看到，熔覆接头发生颈缩断裂的位置均处于母材区，说明接头熔覆区强度高于母材，符合显微硬度测试结果。表3 为拉伸性能测试结果。由表3 可知，熔覆接头的平均抗拉强度为1233 MPa，屈服强度为1111 MPa，伸长率为12.3%。相比母材，熔覆接头的强度增加约9%，但伸长率略有下降，后续可考虑适当提升回火温度，以提升伸长率。

图8 熔覆接头拉伸试样断裂照片Fig.8 Fracture photos of tensile sample of cladding joint

表3 熔覆接头拉伸性能结果Table 3 Tensile properties of cladding joint

图9 为熔覆接头的拉伸试样断口形貌特征。由图9 看出，接头断口形貌基本一致，均由众多小尺寸且深度较小的韧窝组成，说明拉伸试板的伸长率偏低，试板断裂模式属于韧性断裂。

图9 熔覆接头拉伸试样断口形貌（a）2-1 拉伸试样；（b）2-2 拉伸试样；（c）2-3 拉伸试样；（1）低倍；（2）高倍Fig.9 Fracture morphologies of cladding joint tensile samples（a）Sample 2-1;（b）Sample 2-2;（c）Sample 2-3;（1）low magnification;（2）high magnification

2.4 30CrMnSiA 钢激光熔覆层耐磨损性能

对采用最优工艺制备的激光熔覆试样及30CrMnSiA 钢锻件进行摩擦磨损实验。采用白光干涉仪测试试样表面磨痕的宽度和深度，评价材料的耐磨性，结果如表4 所示。由表4 可以看到，相比30CrMnSiA 钢锻件试样，激光熔覆制备的试样磨痕深度减小27.7%，磨痕宽度也减小35.2%，具有更好的耐磨损性能。一方面是因为熔覆区组织在经历了激光熔覆的多次热循环后，马氏体组织占比增加，导致硬度提高，耐磨性也相应提高；另一方面，采用激光熔覆技术制备的30CrMnSiA 钢材料，其晶粒得到细化，材料的硬度和强度得到了提高，从而提升了摩擦磨损过程中材料抵抗破坏和崩损的能力。

表4 磨痕深度和宽度Table 4 Depth and width of worn surface

2.5 损伤拉杆激光熔覆修复及检验

经上述工艺研究及性能验证可知，采用优化的激光熔覆工艺，可获得与基体冶金结合致密，组织均匀，且力学性能和耐磨损性能良好的激光熔覆组织。采用该工艺对拉杆损伤部位进行修复，图10为修复完成后样品照片。对熔覆修复后的区域进行荧光检测及X 射线检测，在表面及内部均未发现裂纹、超标孔洞等缺陷。

图10 拉杆激光熔覆修复后形貌（a）机加前；（b）机加后Fig.10 Morphologies of pull rod repaired by laser cladding（a）before machining；（b）after machining

三坐标测量结果表明，拉杆加工后的孔直径满足图纸要求。对拉杆进行整体型面扫描，结果见图11。可以看出，拉杆各个部位的形变范围在－0.042～0.041 mm，大部分位置的形变范围可控制在±0.020 mm，所采用的激光熔覆工艺可在激光熔覆修复过程中较好地控制拉杆因受热而产生的形变，修复后的拉杆满足图纸要求和性能要求。

图11 拉杆三维光学扫描结果Fig.11 Three-dimensional optical scanning of pull rod

3 结 论

（1）在最优激光熔覆工艺参数下，可得到冶金结合良好、组织均匀致密的试样，熔覆区每层之间的熔合效果良好，组织由呈柱状和蜂窝状的铁素体及周边的马氏体组成。

（2）熔覆区显微硬度为475HV，相比基体提高约36%，这与熔覆层中的马氏体含量增加、铁素体减少有关。熔覆接头平均抗拉强度为1233 MPa，屈服强度为1111 MPa，伸长率为12.3%。相比母材，熔覆接头的强度增加约9%，但伸长率略有下降。试板拉伸断裂位置处于基体区，断口由众多小尺寸且深度较浅的韧窝组成，属于韧性断裂。

（3）相比30CrMnSiA 钢锻件试样，激光熔覆制备的试样磨痕深度减小27.7%，磨痕宽度也减小35.2%，具有更好的耐磨损性能。

（4）采用优化的激光熔覆工艺，对拉杆进行了修复，经机加工后，拉杆尺寸符合要求，且基本无热变形现象。