扫描速度对镍基激光熔覆涂层性能的影响

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摘要： 以某注水泵组合阀为研究对象，针对柱塞在工作过程中出现的磨损、冲蚀失效问题展开研究。采用激光熔覆工艺在失效位置熔覆镍基涂层进行修复，采用场发射扫描电子显微镜（Field emission scanning electron microscopy， FESEM），能谱仪（Energy Dispersive Spectrometer， EDS），摩擦磨损分析等方法，研究了扫描速度对涂层性能的影响。研究结果表明：当扫描速度为450mm/min时熔覆层显微组织为细小的树枝晶组织，EDS结果表明在树枝晶组织中含有较高的Cr、Fe、Ni、B元素，摩擦磨损结果表明450mm/min时摩擦系数最小为0.797。

Abstract： Taking a water injection pump combined valve as the research object， this paper studies the wear and erosion failure of the plunger during the working process. The laser cladding process was used to repair the nickel-based coating in the failure position. Field emission scanning electron microscopy （FESEM）， Energy Dispersive Spectrometer （EDS）， and Friction and Wear Analysis were used to study the effect of scanning speed on coating properties. The results show that the microstructure of the cladding layer is a small dendritic structure when the scanning speed is 450mm/min. EDS results show that Cr， Fe， Ni and B elements are contained in the dendritic structure， and the friction and wear results 450mm/min when the friction coefficient of the smallest 0.797.

關键词： 激光熔覆；镍基粉末；硬度；耐磨性

Key words： laser cladding；nickel base powder；hardness；abrasion resistance

中图分类号：TN249 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）24-0227-03

0 引言

本文以某注水泵柱塞为研究对象，针对柱塞在工作过程中出现的磨损失效、冲蚀问题展开研究，如图1所示是失效零件表面。表面磨损损失失效会造成水泵效率严重降低，甚至不能工作。若直接更换，会造成水泵维护维修成本高，资源浪费等问题。再制造技术是近年来发展起来的一种以节约资源，保护环境，综合利用信息、纳米、生物等技术，使废旧资源中的价值发挥到最大限度[1]。本文针对柱塞失效问题，采用激光熔覆工艺进行了修复再制造，减缓资源紧张与资源浪费，减少失效或报废产品对环境的危害，达到失效零件再制造、再利用、降低成本的目的[2]。

激光熔覆技术是通过将高能密度的激光束照射在材料表面，使零件表面温度升高直至表面达到熔化状态，形成熔池，将工作粉末送至熔池区，使熔融的粉末材料与基体发生冶金结合，当激光束移开后，熔池再以极快的冷却速度冷却[3]，最后形成熔覆层。根据表面性能需要，可以熔覆不同的粉末材料来获得相应的耐磨性[4-5]、耐蚀性[6]、高温抗氧化性能[7]等。影响涂层质量的因素很多，包括激光功率，扫描速度，送粉量，光斑直径等[8-9]。本文主要研究扫描速度对熔覆层性能的影响情况。

1 熔覆材料与性能测试

零件基材为2Cr13不锈钢，由于该柱塞工作条件中有柱塞与泵体的摩擦磨损作用，另外也存在压力水对柱塞的冲刷腐蚀作用，选择熔覆材料时需要考虑耐磨性和耐蚀性两方面的要求，所以本次试验熔覆材料选择优良的耐磨性、耐蚀性的Ni60合金粉末，该粉末的成分如表1所示，粉末粒度40-80μm。

采用laserline LDM2.000-60光纤激光器，同轴式送粉，在课题组大量试验的前提下，选择激光功率为1500W，选择300mm/min，450mm/min，600mm/min三种不同扫描速度，探究了扫描速度对熔覆层性能的影响。采用普通光学显微镜和NOVA NANOSEM 450型场发射扫描电子显微镜（FESEM）对涂层的微观组织进行分析，采用HT-1000型摩擦磨损试验机在室温、无润滑试验时在试样表面加载200g，对磨材料选择GCr15条件下对熔覆层进行了60min的滑动摩擦试验，研究了涂层的耐磨性。试验方案如表2所示。

2 结果分析

2.1 显微组织分析

如图2所示当激光功率为1500W时不同扫描速度小熔覆层的宏观组织，从图中可以看出，当扫描速度为300mm/min时，由于扫描速度较低，熔覆层吸收的能量多，熔池吸收的热量更多，熔池吸收的气体更多，导致熔覆层组织不够致密，如图2（a）所示，同时，熔覆层出现了非常严重的裂纹，裂纹贯穿了整个熔覆层，这对零件修复质量是非常不利的。随着扫描速度逐渐增大，熔覆层质量都相对比较好。

如图3所示是1500W时不同扫描速度下熔覆层与基体界面处的显微组织，从图中可以看出，在300mm/min时熔覆层组织主要是粗大的树枝晶组织由于在熔覆过程中后道熔覆层对前道熔覆层的反复的热循环，使该区域液相保温时间相对增加，为晶粒的不断长大提供了有利的条件，使得熔覆层中晶粒非常粗大，甚至直接从液相中析出粗大的一次枝晶。随着扫描速度增大，在450mm/min时显示为比较细的树枝晶组织，而当扫描速度增大到600mm/min时可以看出，组织中主要是以胞状组织为主，这也主要是由于熔覆层吸收热量不同引起的。

如图4所示是1500W时不同扫描速度下熔覆层中部的显微组织，从图中可以更加明显地看出，300mm/min时其组织为粗大的树枝晶组织，450mm/min时树枝晶组织稍微细化，而当扫描速度达到600mm/min时组织主要是胞状组织。

图5是熔覆层能谱分析结果，图5（a）为扫描速度为300mm/min时能谱分析结果，从分析结果可以看出，当扫描速度比较低时，枝晶处含有较高含量的Cr、Fe、Ni、B元素，由于这些元素基本都是一些硬质相形成元素，可以判断这些元素对于提高熔覆层的硬度和耐磨性能是非常有利的。图5（b）为扫描速度为600mm/min时针对胞状组织的中心部位和边缘部位做的能谱分析，可以看出，在胞状组织中心部位，主要含有C、Cr、Fe三种元素，而边缘部位含有相对较多的B、C、Cr、Fe，可以看出两个部位主要区别是B元素，说明B元素主要出现在胞状组织边缘部位，其他几种元素的差别不很大，这样的元素组成对于改善表面硬度具有非常重要的意义。另外，在两個部位都含有少量的O元素，说明在熔覆层形成过程中，由于受到空气侵蚀，导致轻微氧化。

2.2 硬度及耐磨性分析

如图6所示为三种扫描速度下熔覆层的显微硬度测量结果，可以看出，在扫描速度为300mm/min时的硬度明显高于另外两种扫描速度，高于基体3倍多，这是由于在扫描速度较低时，熔覆层吸收的能量更多，使熔池有足够的时间形成一些硬质相，比如Cr、C、B等的化合物来提高表面硬度，随着扫描速度的提高，硬度逐渐减小，也是由于没有足够时间发生反应，导致表面硬度降低，但是与基体硬度相比，提高了2倍多。如图7所示为三种条件下熔覆层摩擦系数的对比情况，从图中可以看出三种情况下磨合期都比较短，大概5分钟左右，熔覆层的摩擦系数在300mm/min时比较稳定，平均值为1.388，在600mm/min时上下波动就比较大，但平均值在1.265左右，在450mm/min时可以看出，摩擦系数上下波动非常严重，这种情况考虑主要是由于样品表面粗糙度太大引起的，摩擦系数平均值为0.797，可以看出在450mm/min时摩擦系数最小，对于柱塞来说是有利的。

3 结论

采用激光熔覆针对柱塞表面磨损、冲蚀失效进行了修复，通过大量工艺试验，确定了扫描速度为450mm/min，1500W为相对最佳工艺，分析结论如下：

①扫描速度较小时由于熔覆层吸收的热量更多，形成了粗大的树枝晶组织，并且随着扫描速度增大树枝晶组织不断细化，到600mm/min时组织为胞状组织。

②EDS结果表明树枝晶中含有较好含量的Cr、Fe、Ni、B元素，这些元素对于提高表面硬度和耐磨性是非常有利的。

③通过硬度分析树枝晶组织硬度更高，随着扫描速度增大，硬度减小，胞状组织的硬度最低。

④摩擦系数结果表明450mm/min时，摩擦系数最小，平均值为0.797。

参考文献：

[1]徐滨士，董世运，朱胜史，等.再制造成形技术发展及展望[J].机械工程学报，2012，48（15）：96-105.

[2]郑子云，马冰，依颖辉，等.激光熔覆再制造镍基高温合金气门的组织和性能研究[J].兵器材料科学与工程，2013，36（3）：101-104.

[3]Maniya Aghasibeig， Hasse Fredriksson. Laser cladding of a featureless iron-based alloy [J]. Surface &Coatings Technology， 2012， 209： 32-37.

[4]韩玉勇，鲁俊杰，李剑峰，等.基于激光熔覆的车床主轴再制造[J].中国表面工程，2015，28（6）：147-153.

[5]LiJianing，Chen Chuanzhong， He Qingshan. Influence of Cu on microstructure and wear resistance of TiC/TiB/TiN reinforced composite fabricated by laser cladding [J]. Materials chemistry and physics， 2012， 133： 741-745.

[6]徐金涛，李安，刘栋，等.激光熔覆Cr3Si/γ 多相涂层耐蚀性和耐磨性研究[J].中国激光，2016（3）：66-72.

[7]郑必举，蒋业华，胡文.铝含量对Al_xCrFeCoCuNi高熵合金涂层抗氧化性能的研究[J].应用激光，2016（1）：18-22.