摘要：研究了利用橫流C02激光器在38CrMoAl表面激光熔覆NiCrBSi + WC(25%wt)復合合金層的組織、硬度與耐磨性。用掃描電鏡觀察組織形貌，用X 射線儀進行物相分析，用摩擦磨損試驗機進行耐磨性實驗，結果表明:合金層與基體成良好的無裂紋氣孔的冶金結合。表團耐磨性與工藝參數具有-定的對應關系，且2.2kW 時的耐磨性最高，為氟化工藝的7.8 倍。 關鍵詞：激光熔覆;物相分析;耐磨性;冶金結合 引言 本文主要針對塑料擠出機螺桿棱峰的修復而研究。通過組織觀察、物相鑒定、性能測試，對比不同工藝的性能，優化出激光熔覆最佳工藝，并將該工藝應用于成品加工，提高螺桿棱峰強度、耐磨性，提高其使用壽命。 1 實驗材料 根據擠出機螺桿的工況要求，實驗選用原材質38CrMoAl 調質態做為基體材料，加工成50mm x30mmx20mm 的長方體試樣，作激光熔覆實驗用。 激光熔覆粉末選用NiCrBSi + WC(25%wt) 自熔含金粉末，粉末粒度為一140- +320 目，其成份見表1.2 實驗方法 2.1 撒光熔雹工藝 全部試樣的激光熔覆加工是在上海雷歐激光設備廠生產的HJ-4 型橫流CO2激光器(兩臺串聯)上進行的，輸出總功率為5kW。利用天津紡織工學院生產的JKJ-6 型激光寬帶掃描器將光斑展寬成矩形光斑。送粉方式采用與寬帶掃描器相配套的JKF-6 型激光寬帶涂敷自動送粉器自動送粉，采用與熔覆矩形光斑相近的扁形粉嘴。工作臺為二維數控工作臺。 全部實驗光斑尺寸為1. 5mm x 15mm ，熔覆實驗前試樣預熱到400'C ，熔覆實驗后4oo'C保溫緩冷，以防止出現裂紋。為提高表面平整度、消除微觀缺陷，熔覆后用2kW 功率重熔表面。 2.2 組織分析、物相鑒定和性能測試 將激光溶覆試樣用線切割從中部橫向切開，用JSM-5600LV型掃描電鏡觀察結合面與熔覆層組織形貌。用XRD-600型X射線衍射儀進行物相分析。 用DMH-2LS 型顯微硬度計測量橫截面顯微硬度，并測量出熔覆層深。在激光熔覆試樣上沿縱向切下25mmx lOmm X lOmm 的方形試樣，其中一側面(25mm X lOmm) 為熔覆合金層。在M-00型摩擦磨損試驗機上進行耐磨性實驗。為便于比較，將原始調質態基體、原始基體調質+氮化試樣也做成同樣尺寸的試樣在相同的磨損條件下進行耐磨性實驗。 3 實驗結果與組織分析 3.1 物相鑒定與組織分析 圖1 為典型工藝下(P= 1. 9kW) 熔覆層表層的X 射線衍射譜。熔覆層中Cr1.8 W3.2B3、Cr23C6、Ni3B、AIFe2B2、WC1-x 等硬化相對提高熔覆層的硬度，提高其耐磨性起著積極的作用。當激光束能量被粉末和基材表面吸收后，粉未被熔化，同時基體表層也將達微熔狀態，從而在基體表面形成熔池。在表面張力、等離子流力、重力以及各元素間的擴散等綜合因素的作用下，熔池中各種元素在短時間內達到均勻混合(1)。粉末中的Cr、SiB、C等和來自基體的微量Fe 、AI 等元素在熔池中相互結合，從而形成如圖1 所示的各種物相。激光熔覆層組織如圖2所示。從圖中可以看出:這種高溫快速熔化凝固的合金組織為細密狀組織，表層內的WC 顆舵在高能激光束作用下幾乎全部熔解。WC 顆粒的全部熔解不僅增加了固溶度，而且使Ni-Cr-B-Si-W-C 多元合金系共晶點左移，共晶化合物增多。 閣2 熔覆層組織由圖2 可以看出熔覆層可分為四部分，分別為表層枝晶區(A 區)、中部細晶區(8 區)、熔覆結合枝晶區(C 區)及基體(D 區)。由于溫度梯度較大， A區和C 區將首先結晶并向相鄰區擴展，由于其冷卻較快，枝晶生長速度也較快，而熔覆層中部(B 區)的冷卻速度較慢，顯微組織由枝晶狀逐漸變成了胞狀。 由圖2 可見，基體表面、熔合帶、熔覆層三者之間的晶界是連續的，這一結果說明熔覆層合金的結晶過程是從未熔化的母材晶粒表面和熔覆層表面開始的，隨著晶體外延長大，從而導致聯生結晶。這種合金層及結合層具有較好的強韌性及較好的組織穩定性(2) 。 3.2 熔覆功率的影響 (1)對熔覆層的影響 如圖3 所示，隨著熔覆功率的增加，熔覆層厚度略有增加。說明在光斑尺寸、掃描速度、送粉率不變的前提下，功率的增加對熔覆層的增加貢獻不大。稍許變化是由于功率的增加，增大了對基體的熔化(增大稀釋率)。據此可以推斷，當滿足熔覆條件下，提高熔覆功率只能增加基體熔化，而不能明顯提高熔覆層的厚度。 圖3 功率對熔覆層厚度的影響(2) 對硬度的影響 在此引人硬化層概念，定義為從熔覆層表面到硬度達到基體硬度點之間的距離。硬度分布曲線如圖4 所示。在表面極薄一層(A 區)(對應圖2 中的A 區) ，由于受高能激光直接照射，吸收能量最多，導致部分元素燒損和表面揮發，因而硬度略有降低;而在熔覆層中下部(固4B 區)(對應圖2中的B，C區)， WC 熔解較充分， Cr 、Fe 、W 等元素的固熔強化，使基體的固溶度最高。W、B 等元素的彌散強化以及微細晶粒的細晶強化，使該層硬度最高;圖4 中的C 區(對應圖2 中的D 區) ，是由于基體的相變硬化而造成的硬度提高。 圖4 橫截面硬度分布表2 給出了功率對最高硬度HK、高硬度點距表面距離S 、硬化層S1的影響。在P= 1.9kW 時，出現硬度極大值。且在此功率下，高硬度點距表面距離最大，為O.6mm。且此時的硬化層S1可厚達7.5mm，這對提高服役工件的機械性能有一定實際意義。(3)對耐磨性的影響 如圖5 所示，功率為2.2kW 時相對耐磨性達到最大值(以原始試樣的相對耐磨性為1) ，為原始試樣的7.8 倍，為氮化試樣的2.9 倍。在P<2.2kW時，隨功率增大相對耐磨性增大;而在P>2.2kW時隨表面元素的燒損和揮發耐磨性又有所降低。由圖1 及圖2 可知，Cr1.8W3.2B3、Cr23C6、Ni3B等強化硬質相均勻分布在過飽和的γ-Ni 基體上，使試樣耐磨性有較大幅度的提高。 比較表2 與圖5 可知， P = 1. 9kW 時硬度雖然最高，但在圖5 中試樣并未顯現出最高的相對耐磨性，這是由于高硬度是熔覆層的固溶強化、彌散強化和細晶強化所致，而高耐磨性是在高強韌基體上均勻分布著耐磨硬質顆粒，且二者結合牢固的緣故。 4 結論 (1)在38CrMoAl表面激光熔覆NiCrBSi+WC(25%wt) 合金層，硬化區可分為表面枝晶區、中部細晶區、熔覆結合枝晶區及基體四部分。熔覆層中物相Cr1.8W3.2B3、Cr23C6、Ni3B等硬化相對提高硬度、耐磨性起著積極的作用。過飽和的γ-Ni 基體的固溶強化和細晶強化、WC1-x的彌散強化，使硬質相具有強韌的襯底，大大提高其耐磨性。 (2) 合金層與基體成冶金結合，具有較好的強韌性及組織穩定性。提高熔覆功率對熔覆層厚度的提高貢獻不大，只能增加對基體的熔化(提高基體的稀釋率)。 (3) 硬度在次表層達到最大值。在p= 1. 9kW時硬度最高，為1116 .4HK ，高硬度點距表面距離最大，為0.6mrn，硬化層最深，為7.5mm。 參考文獻: (1) 張思玉等. 60號鋼表團碳鴿合金激光熔覆的特性分析(J) .中國激光， 1991，18(6):467 - 469. (2) 劉永鎮. 激光表面熔覆層的耐磨性和耐蝕性實例.第四屆全國激光加工學術會議論文集(C). 北京:冶金工業出版社，1997.53-57