激光熔覆工艺参数对16mn钢组织的影响

激光熔覆工艺参数对16mn钢组织的影响

激光崇拜是利用高能耗激光束将具有不同组成和性能的材料快速熔融的过程，并在基质表面形成一个与材料完全不同且性能的高速冷结合过程。它是一项新兴的零件加工及维修的表面改性技术,采用激光熔覆技术可使涂层与基体的结合方式由机械结合变为冶金结合。在激光作为热源辐照下,合金粉末涂层与基体的金属原子之间将发生相互扩散,并逐渐形成以原子间的金属结合键,从而使熔覆层基体的结合强度提高。激光熔覆技术是近年来新兴的表面强化技术,其目的是提高工件表面的耐磨性﹑耐蚀性﹑耐热及其他特性,因此熔覆层质量的好坏至关重要,这就要求熔覆层在宏观质量和微观组织上都有比较好的指标,而影响熔覆层质量的问题是一个多因素问题,涂层成分﹑光斑直径﹑激光功率﹑扫描速度等对它均有影响,因此需要考虑它们之间良好的搭配,才能获得符合要求的熔覆层。本文研究了激光功率以及扫描速度对宏观形貌和微观组织的影响。1材料和方法1.1试样尺寸及尺寸实验基材为16Mn,其化学成分(质量分数,%)为:0.20C,1.00~1.60Mn,0.55Si,0.045P,0.045S;试样尺寸为50mm×50mm×5mm。熔覆材料为镍基自熔性合金粉末(Ni60)+30%粒度135目WC合金粉末,粉未的成分(质量分数,%)为:0.8C,17Cr,<12Fe,5Si,3.5B,其余Ni。1.2激光熔覆工艺参数熔覆前用烘干机把粉末烘干,并通过机械混粉器充分混合。通过5000B型大功率横流激光器采用同轴送粉方式进行激光熔覆。激光熔覆工艺参数分别为:激光功率3.0kW时,其他工艺参数确定情况下,扫描速度分别为600﹑800﹑1000和1200mm/min;当扫描速度为1000mm/min时,激光功率分别为2.5﹑3.0﹑3.5和3.8kW。光斑直径为5mm,搭接率控制在40%。2结果与分析2.1熔覆织物组织特点图1为功率3.0kW、扫描速度1000mm/min时激光熔覆层不同区域的显微组织。熔覆层组织由垂直熔覆层表面生长的细小树枝晶组织以及多边形细小等轴晶组织组成。一般熔覆区分为2个晶区,在熔覆区的上部为胞状晶或平面晶,如图1(a)所示,这是因为熔覆区的上部由于熔池对流作用,枝晶生长相对比较紊乱;熔覆区的下部为定向生长的树枝晶区,其生长方向大致与基底表面垂直,如图1(b)所示。这是因为熔覆区下部与基体传热作用,所以在熔覆区底部容易形成针状马氏体组织或胞状树枝晶。激光熔覆急热急冷的特点,熔覆层表面在熔覆过程中发生了快速淬火,熔覆层顶部的组织较为细小。图1(c)结合区显示稀释率较低,基体与熔覆层之间有白亮层,基体与熔覆层之间形成了良好的冶金,其结合强度较高。2.2功率对熔覆表面的影响熔覆实验完成后用绞磨机把表面氧化皮打掉,然后观察其宏观形貌,探讨激光熔覆功率参数对熔覆层质量的影响。图2分别是在1000mm/min扫描速度下,2.5~3.8kW激光熔覆宏观形貌对比。当熔覆功率为2.5kW时,表面熔覆出现不连续的现象,熔覆性较差。由于功率太小而使功率密度太低,出现熔不透或者不能使合金粉末完全熔化现象,造成表面不连续。随功率增加,当功率为3.0kW和3.5kW时熔覆效果比较理想,熔覆表面比较平整,连续性也比较好,表面平整光滑,特别在3.0kW时表现出较理想的熔覆效果。当功率继续升高到3.8kW时,熔覆表面虽然比较光滑平整,但表面明显失去金属光泽呈现暗灰色。这是由于功率过高﹑功率密度过大使熔覆层表面氧化加剧。在其他工艺参数一定情况下,激光功率的大小决定了熔覆材料与基材金属的受热情况。由图2可知,当熔覆功率较小时,即单位时间单位面积上熔覆层表面吸收能量较少,不能使粉末充分熔化,出现熔覆不连续的现象。随熔覆功率增加熔覆效果出现了理想情况,当功率继续增加,会出现功率密度过大,合金粉末熔覆过热氧化,有烧损的灰黑色,甚至还会产生裂纹﹑空隙等缺陷,此时熔覆层出现过热现象。通过对比发现,熔覆效果在3.0kW时最佳。2.3wc与镍基合金熔覆层的wc熔覆组织及成分分析用线切割从熔覆试样上切下10mm×10mm×5mm的小试样,经过打磨的试件基本没有划痕后再进行抛光,经抛光后的试件达到镜面效果,然后在低倍显微镜下观察是否合格。抛光合格后将试样用3%硝酸酒精溶液腐蚀30min左右。腐蚀完成后迅速用水洗净,然后用酒精然拭擦足够清洁,吹干。将制备好的试件用XJP-300电子显微镜观察熔覆层形貌和金相组织,并进行EDS能谱分析,最后对比得出不同工艺参数的影响规律。不同功率下的金相显微组织如图3所示。可看出,在功率为2.5﹑3.0kW时结合比较理想,热影响区不大,稀释率不大,熔覆性比较好。当功率为3.5﹑3.8kW时,基体与熔覆层有相互渗透的迹象,说明稀释率过大,熔覆效果不太理想。功率为2.5kW时能明显看到WC颗粒,WC颗粒未熔化,以初始态存在于涂层中,并且WC周围没有连续的块状析出物;功率为3.0kW时,WC颗粒变小或者熔化,在WC颗粒周围有小的析出物,还存在亮点状的物质,这既有利于提高涂层的硬度,又能使WC颗粒与涂层金属实现牢固结合,细小析出物是以WC颗粒为核心的非自发形核或者为W﹑C﹑Ni﹑Si的化合物;功率为3.5kW时熔覆层顶部WC颗粒基本全部熔化,只有在熔覆层底部与结合区位置还有少量未熔WC颗粒,但是在熔覆层中存在很多缺陷,特别在功率为3.8kW时缺陷更多,缺陷密度大、分布较密集,WC颗粒分布不均匀,并且部分WC颗粒烧损,涂层中出现一些裂纹,裂纹源就在WC颗粒上,对涂层的耐磨性及其他性能不利,容易引发二次裂纹和疲劳裂纹。当功率较小时,高温对流作用较弱,WC颗粒不能均匀分布于熔覆层中,同时由于功率较低使熔覆层与WC颗粒结合强度较弱,进而导致耐磨性能降低;激光功率较大,可以形成以WC颗粒为核心的块状析出物,有利于WC与镍基合金的结合,但是并非激光功率越大越好,3.0kW为最佳熔覆效果。图4为激光熔覆3.0kW时熔覆层的组织形貌以及成分分析。与其他几个工艺参数比较,3.0kW激光熔覆时组织形貌更加多样化,有块状﹑颗粒状﹑胞状等。但其本质都是固溶体基体加碳化物﹑硼化物或者硅的化合物,以下EDS成分分析也证明了这点。由图4的EDS成分分析可见,图4(a)弥散小颗粒中W﹑Si元素含量明显提高。因为镍基合金熔覆层出现由W﹑Si﹑Ni等元素形成亚稳相,这些亚稳相存在于枝晶间,弥散在基体中,提高了硬度。图4(b)为大块状或者球状成弥散型分布的未熔解的WC,较小球状弥撒分布的为富W碳化物,形成W2C碳化物﹑或者富W的M6C。图4(c)为均匀分布组织的成分,富含Fe﹑Co﹑Ni的化合物,因为钴包碳化钨中钴元素,同时WC颗粒熔化或者析出物均固溶有较多的Ni﹑Co碳化物,枝晶固溶体应为固溶体与WC形成的共晶组织,Fe含量较高是因为熔覆层被稀释,基体与熔覆层形成良好的冶金熔合。2.4表面织构与熔覆性的关系图5为激光功率3.0kW、不同扫描速度熔覆层的宏观形貌对比。600mm/min时熔覆性较差,表面出现凹凸不平。800mm/min与1000mm/min时的熔覆效果差别不大,特别是1000mm/min时表面光滑熔覆效果理想。通过对比发现,当熔覆功率相同,1200mm/min时的表面熔覆效果最佳,表面比较平整,搭接处也比较理想。2.5扫描速度对wc分散的影响图6为Ni60+30%WC复合粉末在激光功率3.0kW情况下,扫描速度不同时试件的熔覆层显微组织。可见扫描速度对WC分布影响较大,当扫描速度为600mm/min时,WC颗粒呈块状分布。当扫描速度为800mm/min时,块状WC周围分布很多细小的球状WC,还有附着于大块状WC生长的网状结构WC。当扫描速度为800mm/min时,由于WC分散﹑分解﹑熔化﹑凝固﹑化合﹑扩散综合影响结果,WC颗粒分散更均匀,且有针状WC出现。随扫描速度增大,弥散分布的WC颗粒明显减少。当扫描速度增加到1200mm/min时出现块