張志強，程宗輝，曹強，周可欣（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007）

30CrMnSiNi2A超強鋼激光熔覆修復(fù)試驗研究

張志強，程宗輝，曹強，周可欣
（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007）

目的 研究激光熔覆技術(shù)，解決30CrMnSiNi2A鋼制部件表面腐蝕、劃傷、裂紋等缺陷的修復(fù)問題。方法 利用光纖激光器在30CrMnSiNi2A鋼表面進行同基體相近成分的合金粉末熔覆試驗，優(yōu)化激光熔覆工藝參數(shù)，開展熔覆層的微觀組織、硬度、力學性能等方面試驗研究，并對拉伸試樣的斷口進行分析。結(jié)果 熔覆層與基體呈現(xiàn)牢固的冶金結(jié)合，基體熱影響區(qū)域小，熔覆區(qū)的抗拉強度大于基體強度的80%，熔覆區(qū)材質(zhì)的脆性較基材有所增加。結(jié)論 激光熔覆可用于修復(fù)30CrMnSiNi2A鋼制零件表面的腐蝕、劃傷、裂紋等局部缺陷。

30CrMnSiNi2A；激光熔覆；修復(fù)

在飛機大修中，30CrMnSiNi2A超高強度鋼制重要承力構(gòu)件的表面腐蝕、劃傷、裂紋等損傷問題時有發(fā)生，其修復(fù)工作只有在原先的淬火、回火，且不能進行任何焊前預(yù)熱、焊后退火等輔助處理前提條件下開展，并確保修復(fù)區(qū)性能應(yīng)滿足力學性能要求。由于此類飛機部附件修理的特殊技術(shù)要求以及幾何尺寸已定型等特點，傳統(tǒng)焊接修復(fù)方法極易導致零件變形而報廢，為克服上述難點和修復(fù)部位熱輸入量難以控制的劣勢，研究探索一種熱影響較小、修復(fù)可靠性較高的激光熔覆修復(fù)技術(shù)迫在眉睫[1—2]。

激光熔覆是一種采用激光束加熱熔覆材料和基體表面，使所需特殊材料熔焊于零件表面的新型表面改性技術(shù)[3—6]。該技術(shù)與基體呈牢固的冶金結(jié)合，結(jié)合強度高，超高的加熱和冷卻速度使熔覆層晶粒細化，具有熱影響小、變形小，適用性強等系列優(yōu)點[7—11]。文中研究激光熔覆技術(shù)是激光立體成形技術(shù)在修復(fù)領(lǐng)域的進一步發(fā)展和應(yīng)用。該技術(shù)以損傷零件為載體，設(shè)計和選用激光熔覆材料，控制和優(yōu)化激光修復(fù)工藝參數(shù)，在“機器人+光纖激光+同軸（側(cè)向）送粉”工藝路線下按指定空間軌跡運動[12—16]?？勺龅酵耆饬x上的數(shù)字化控制，解決成形修復(fù)性能匹配難題，生成與缺陷部位近形的三維實體，即可重建損傷結(jié)構(gòu)，恢復(fù)其使用性能，實現(xiàn)損傷零部件的高質(zhì)量修復(fù)。

1　材料與方法

1.1熔覆材料

激光熔覆材料主要指形成熔凝層所用的材料，要獲得性能理想的激光熔覆層，其熔覆材料的選擇至關(guān)重要，必須應(yīng)當滿足零件工況和激光熔覆通用工藝要求。一是熔覆材料應(yīng)具有良好的激光熔覆性能；二是要求熔覆材料應(yīng)與基材有好的冶金相容性，能夠形成均勻的結(jié)合界面；三是熔覆材料在經(jīng)過激光熔覆后，不經(jīng)任何熱處理即具有高的力學性能。根據(jù)熱膨脹系數(shù)相近原則、熔點相近原則、潤濕性原則[17—18]，選用和設(shè)計激光熔覆材料，必須具有較好的激光熔焊性能，無裂紋和組織均勻，其次是在經(jīng)過激光熔焊后，不經(jīng)過任何后熱處理條件下仍具有高強度、抗腐蝕等性能。熔覆材料為球形粉末，粒度為-80～+325目，熔覆粉末合金牌號為GQ001，其化學成分（以質(zhì)量分數(shù)計）為：C 0.1%～0.17%，Mn≤0.8%，Cr 4.0%～13.0%，Ni 1.2%～2.0%，S≤0.03%，P≤0.04%，規(guī)格為球型，-80～+325目，解決與基體成形修復(fù)性能匹配難題。

2.2設(shè)備工裝

采用型號為LFR-M-Ⅱ的激光熔覆成套設(shè)備，設(shè)備系統(tǒng)主要由2 kW光纖激光器、六軸KUKA機器人、激光熔覆頭、送粉裝置、光路傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)單元組成。激光熔覆柔性傳輸示意如圖1所示。

圖1　激光熔覆柔性傳輸示意Fig.1 Schematic diagram of laser cladding transmission

2.3試樣制備

選取試樣基體材料牌號為30CrMnSiNi2A，熱處理工藝為：900℃淬火，200℃回火。獲得基體強度為1570～1810 MPa，伸長率為4%～8%的試樣。按圖2 V型坡口試樣要求進行機械加工（試樣件數(shù)：3個）。

圖2　V型坡口試樣Fig.2 Specimen with V-shape groove

2.4工藝方法

在激光熔覆中，影響熔覆質(zhì)量的工藝參數(shù)主要有激光功率、光斑直徑、掃描速度（或稱熔覆速度）、材料的供給方式、搭接率等，但關(guān)鍵主要靠三個重要參數(shù)來實現(xiàn)，即激光功率、光斑直徑和掃描速度。如激光功率和合金熔化量成正比關(guān)系，光斑直徑主要影響熔覆層寬度，掃描速度與激光功率有相似的影響[19]。各參數(shù)之間相互影響，須采用合理的控制方法將這些參數(shù)控制在激光熔覆工藝允許的范圍內(nèi)。

熔覆前對熔覆粉末進行烘干處理，在120℃左右的真空條件下烘干4 h。對試樣待熔覆區(qū)進行清理，確保露出金屬光澤并用丙酮清洗，以減少表面缺陷對試驗的影響。對試樣安裝固定、光斑尺寸驗證、激光功率驗證、掃描速度驗證、示教編程等熔覆工藝前準備。試驗過程熔覆粉末由送粉器送出，經(jīng)同軸送粉噴嘴送進激光熔池。在熔覆過程中，良好的氣體保護可以降低熔覆層缺陷的形成，載粉氣和保護氣體通常采用氬氣，一般氬氣壓力選擇在0.4 MPa。

采用不同激光熔覆修復(fù)工藝對30CrMnSiNi2A鋼試片進行修復(fù)試驗，記錄下每一次對比激光熔覆修復(fù)成形質(zhì)量和對應(yīng)的激光熔覆修復(fù)工藝參數(shù)，具體情況見表1。對比成形質(zhì)量選擇優(yōu)化的激光成形修復(fù)工藝參數(shù)，以中等光斑、中等功率、小的粉末送給量、中等掃描速度為原則可有效減小開裂傾向，具體優(yōu)化參數(shù)：激光功率為1000～1200 W、掃描速度為0.01～0.012 m/s、送粉器讀數(shù)為Low、載粉氣為380～400 L/h、搭接率為40%～50%、光斑直徑為2 mm。

表1　激光熔覆修復(fù)工藝參數(shù)Table 1 Processing parameters of laser cladding repairing

采用優(yōu)化的激光熔覆工藝參數(shù)將試樣上預(yù)制槽填平，熔覆試樣如圖3所示，宏觀上熔覆層表面無裂紋、氣孔、凹陷等缺陷。熔覆層成形良好，表面色澤一致。制作的拉伸試樣如圖4所示，并進行無損檢測，用X射線探傷檢測熔覆層內(nèi)部質(zhì)量，滿足Ⅰ級焊縫檢測要求，磁粉探傷無缺陷。

圖3　熔覆試樣Fig.3 Laser cladding specimen

圖4　拉伸試樣Fig.4 Tensile specimen

3　結(jié)果與分析

為解決損傷零部件的高質(zhì)量修復(fù)，深入理解和掌握激光熔覆的工藝方法，對試樣熔覆層的微觀組織、硬度、接頭力學性能等進行分析，掃描電鏡（SEM）對拉伸斷口進行形貌觀察。

3.1組織觀察

激光熔覆試樣沿拉伸斷面方向取樣制備成金相組織分析試樣，對獲得的試樣進行研磨、拋光后，利用腐蝕液（VHF∶VHNO3∶VH2O=1∶3∶50）腐蝕觀察面。

在光學顯微鏡下觀察，其組織結(jié)構(gòu)分布如圖5所示，可以分為3個區(qū)域：激光熔覆區(qū)、熱影響區(qū)和基體區(qū)?；w為以回火馬氏體為主的少量下貝氏體組織，熔覆區(qū)為回火馬氏體+回火索氏體+少量殘余奧氏體組織，熱影響區(qū)為回火索氏體+少量馬氏體的過熱組織。從樣件的組織狀態(tài)看，存在基體組織較粗大、硬度偏高，熱影響區(qū)局部馬氏體組織過熱、脆性有所增加的現(xiàn)象，激光熔覆區(qū)內(nèi)宏觀組織分布較均勻，熔覆層的層與層之間冶金結(jié)合良好，且修復(fù)區(qū)與基體形成良好的冶金結(jié)合。

3.2熔覆層力學性能分析

3.2.1硬度

采用洛氏硬度計對熔覆試樣的熔覆層和基材每隔5 mm打點進行洛氏硬度（HRC）測定，基材與熔覆區(qū)表面對比見表2。熔覆區(qū)表面平均洛氏硬度（平均值為46.5 HRC）達到基材表面（平均值為50.5 HRC）的92%。經(jīng)檢測，熔覆層表面洛氏硬度波動值為1.0。

圖5　激光熔覆試樣微觀形貌（500X）Fig.5 Microstructure of laser cladding specimen

表2　基材與熔覆區(qū)表面洛氏硬度對比Table 2　Comparison of rockwell hardness between substrate and laser cladding

通過對熔覆區(qū)域的顯微硬度測試，形成3#試樣的顯微硬度曲線，如圖6所示?？梢钥闯?，在除去熔覆層表面0.31 mm厚度（機械加工）后，此次激光熔覆對3#試樣基材的熱影響區(qū)域深度約為0.4 mm。

3.2.2拉伸性能

在電液伺服萬能試驗機上進行拉伸試驗，加載速度為6～10 mm/min。室溫拉伸性能測試按照GB/T 15248—94《金屬材料拉伸試樣方法》進行。測試內(nèi)容為抗拉強度、伸長率。

表3給出了熔覆試樣和同批基材的室溫力學性能：其中熔覆試樣抗拉強度為1494～1549 MPa，達到基材（1810 MPa）的84.4%（平均值）；熔覆試樣的伸長率為3.6%～7.2%，與基材（4%～8%）相當。拉斷試樣如圖7所示。

圖6　3#試樣熔覆結(jié)合區(qū)域的顯微硬度曲線Fig.6　Microhardness distribution curves of 3#specimen in cladding zone

表3　激光熔覆試樣力學性能對比表Table 3　Comparison of mechanic performance of laser cladding specimens

圖7　拉斷后的激光熔覆試樣Fig.7 Laser cladding specimen with break

3.2.3斷口分析

采用掃描電鏡對2#和3#試樣的拉伸斷口進行觀察和分析，如圖8和圖9所示。由于激光修復(fù)試樣拉伸斷裂主要發(fā)生在熔覆層與基材的結(jié)合區(qū)域，考慮基材所占截面相對較少且本身硬度較高，同時，熱影響區(qū)局部脆性加大。因此，激光修復(fù)板狀拉伸試樣低倍斷口表面較平坦，沒有明顯的宏觀塑性變形，整體呈脆性斷裂特征，如圖8a和9a所示。由圖8b，c和圖9b，c，d可知，拉伸斷裂呈現(xiàn)出混合斷口特征，熔覆區(qū)呈準解理，熱影響區(qū)呈準解理+淺、小韌窩，終斷區(qū)（無熱影響的基材部分）呈韌窩斷裂特征。激光熔覆與基材交界區(qū)雖存在韌性斷裂特征的韌窩，但韌窩發(fā)育不完全，表現(xiàn)為淺、小的特征。由此可以說明，熔覆區(qū)材質(zhì)的脆性較熱影響區(qū)大，熱影響區(qū)的脆性較基材大。

圖8　2#試樣斷口微觀形貌Fig.8 Morphology of fracture of 2#specimen

圖9　3#試樣斷口微觀形貌Fig.9 Morphology of fracture of 3#specimen

4　結(jié)論

該激光熔覆修復(fù)試驗主要研究激光成形修復(fù)超強鋼30CrMnSiNi2A，得出了以下結(jié)論。

1）激光熔覆修復(fù)技術(shù)的試驗研究中，獲得了優(yōu)化的熔覆修復(fù)工藝參數(shù)和成形修復(fù)性能匹配的修復(fù)材料。

2）獲得了熔覆區(qū)組織特征，激光熔覆區(qū)內(nèi)宏觀組織分布較均勻，激光熔覆層與基體之間形成良好的冶金結(jié)合，基體熱影響小。

3）熔覆區(qū)硬度達到基材硬度的92%，熔覆區(qū)硬度波動小于4。熔覆試樣抗拉強度達到基體強度的80%，熔覆試樣的伸長率為3.6%～7.2%，與基材相當，但熔覆區(qū)材質(zhì)的脆性較基材有所增加。

4）激光熔覆可用于對30CrMnSiNi2A鋼制零件表面的腐蝕、劃傷、磨損、裂紋等局部缺陷進行修復(fù)和再制造以及零件的外形尺寸恢復(fù)，可作為一般承力部位以及性能恢復(fù)修復(fù)手段。

5）由于激光熔覆技術(shù)對材料及零件的針對性極強，工藝研究還不夠系統(tǒng)化，針對關(guān)鍵、系統(tǒng)性重要零件以及快速運轉(zhuǎn)、受沖擊載荷較大的損傷件修復(fù)需專項論證研究。在模擬試驗修復(fù)可靠的前提下，應(yīng)加強激光熔覆在零部件修復(fù)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。

[1]周笑微，王小珍.激光加工技術(shù)——激光熔覆[J].現(xiàn)代物理知識，2005，17（4）：45—48.

ZHOU Xiao-wei，WANG Xiao-zhen.Laser Process Technology—Laser Cladding[J].Modern Physics，2005，17（4）：45—48.

[2]張春華，張松，文效忠，等.6061A1合金表面激光熔覆Ni基合金的組織及性能[J].稀有金屬材料與工程，2005，34（5）：701—704.

ZHANG Chun-hua，ZHANG Song，WEN Xiao-zhong，et al. Microstructure and Performance of a Laser Cladding of Ni-Based Alloy On 6061 Aluminium Alloy[J].Rare Metal Materials and Engineering，2005，34（5）：701—704.

[3]吳炳乾，饒湖常，張沖，等.Si含量對FeCoCr0.5 NiBSix高熵合金涂層組織結(jié)構(gòu)和耐磨性的影響[J].表面技術(shù)，2015，44 （12）：85—91.

WU Bing-qian，RAO Hu-chang，ZHANG Chong，et al.Effect of Silicon Content on the Microstructure and Wear Resistanceof FeCoCr0.5NiBSix High-entropy Alloy Coatings[J].Surface Technology，2015，44（12）：85—91.

[4]張德強，張吉慶，李金華，郭忠娟.離焦量對45#鋼表面激光熔覆鎳基碳化鎢粉的影響[J].表面技術(shù)，2015，44（12）：92—97.

ZHANG De-qiang，ZHANG Ji-qing，LI Jin-hua，et al.Effect of Defocusing Amount on Laser Cladding ofSelf-fluxing Ni-based WC on 45#Steel Surface[J].Surface Technology，2015，44（12）：92—97.

[5] 高霽，宋德陽，馮俊文.工藝參數(shù)對鈦合金激光熔覆CBN涂層幾何形貌的影響[J].表面技術(shù)，2015，44（1）：77—80.

GAO Ji，SONG De-yang，F(xiàn)ENG Jun-wen.Influence of Processing Parameters on Geometrical Features of CBN Coatingsby Laser Cladding on Titanium Alloy Surface[J].Surface Technology，2015，44（1）：77—80.

[6]汪新衡，蔣冬青，張蓉，等.激光熔覆納米SiC增強Ni基合金涂層的組織與高溫抗氧化性能[J].表面技術(shù)，2014，43 （1）：30—34.

WANG Xin-heng，JIANG Dong-qing，ZHANG Rong，et al. Reinforced Microstructure and High Temperature Oxidation Resistance ofNi-based Alloy Coating by Laser Cladding of SiC Nanometer Powder[J].Surface Technology，2014，43（1）：30—34.

[7]WU Run，XI Chang-sheng，HU Mu-lin，et al.Laser-melted Surface Layer Steal X165CrMoVl2-l and Its Tempering Characteristics[J].Mater Sci Eng，2000，A278：1—4.

[8]MILLER J E，WINEMAN J A.Cladding-Cr-B-Si Coating with a High Power Diode Laser[J].Metal Progress，1997，111：38—42.

[9]ABBAS G，WCST D R F.Laser Surface Cladding of Stellite and Stellite-SiC Composite Deposits for Enhanced Dardness and Wear[J].Wear，1991，143：353—363.

[10]胡乾午，楊泰平.鎂基金屬復(fù)合材料表面激光熔覆銅合金研究[J].應(yīng)用激光，2001，21（4）：247—250. HU Qian-wu，YANG Tai-ping.Study on Laser Cladding of Copper Alloy Mg-based Metal Matrix Composite[J].Applied Laser，2001，21（4）：247—250.

[11]丁陽喜，吳冀林.激光熔覆參數(shù)對熔覆層組織的影響[J].材料熱處理技術(shù)，2010，39（2）：94—96.

DING Yang-xi，WU Ji-lin.Influence of Laser Cladding Parameters on Microstructure and Properties of Cladding Layer [J].Material&Heat Treatment，2010，39（2）：94—96.

[12]周余，楊永強，黃延祿.激光熔覆孔式同軸送粉系統(tǒng)設(shè)計及實驗研究[J].激光技術(shù)，2011，35（1）：102—105.

ZHOU Yu，YANG Yong-qiang，HUANG Yan-lu.Design and Experimental Study of Multi-hole Coaxial Powder Feeding System for Laser Cladding[J].Laser Technology，2011，35（1）：102—105.

[13]靳曉曙，楊洗陳，王云山，等.激光三維直接制造和再制造新型同軸送粉噴嘴的研究[J].應(yīng)用激光，2008，28（4）：266—270. JIN Xiao-shu，YANG Xi-chen，WANG Yun-shan，et al.Research on the Coaxial Powder Feeder Nozzle in 3D Direct ManufacturingandRe-manufacturing[J].AppliedLaser，2008，28（4）：266—270.

[14]程改青，穆亞輝，李寶增.激光熔覆修復(fù)技術(shù)研究進展[J].材料熱處理技術(shù)，2010，39（18）：129—133.

CHENG Gai-qing，MU Ya-hui，LI Bao-zeng.Research Progress of Laser Cladding Repairing Technology[J].Material& Heat Treatment，2010，39（18）：129—133.

[15]熊忠琪，鄧琦林，周春燕，等.磨損零件的激光熔覆修復(fù)實驗研究[J].電加工與模具，2009，（1）：60—63.

XIONG Zhong-qi，DENG Qi-lin，ZHOU Chun-yan，et al.Experimental Research on Repairing the Wearing Parts by Use of Laser Cladding[J].Electromachining&Mould，2009（1）：60—63.

[16]郭永利，梁工英，李路.鋁合金的激光熔覆修復(fù)[J].中國激光，2008，35（2）：303—306.

GUO Yong-li，LIANG Gong-ying，LI Lu.Laser Cladding Reparation of Aluminum Alloy[J].Chinese Journal of Lasers，2008，35（2）：303—306.

[17]董世運，馬云哲，徐濱士，等.激光熔覆材料研究現(xiàn)狀[J].材料導報，2006，20（6）：8.

DONG Shi-yun，MA Yun-zhe，XU Bin-shi，et al.Research Situation of Laser Cladding Material[J].Materials Reviews，2006，20（6）：8.

[18]李春彥，張松，康熠平，等.綜述激光熔覆材料的若干問題[J].激光雜志，2002，23（3）：5—9.

LI Chun-yan，ZHANG Song，KANG Yi-ping，et al.Comment on Material System for Laser Cladding[J].Laser Journal，2002，23（3）：5—9.

[19]李亞江，李嘉寧.激光焊接/切割/熔覆技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012.

LI Ya-jiang，LI Jia-ning.Laser Welding/Laser Cutting/Laser Cladding[M].Beijing：Chemical Industry Press[M].Beijing：Chemical Industry Press，2012.

Repairing of 30CrMnSiNi2A High Strength Steel by Laser Cladding

ZHANG Zhi-qiang，CHENG Zong-hui，CAO Qiang，ZHOU Ke-xin
（No.5720 Factory of PLA，Anhui 241007，China）

Objective To investigate laser cladding technology so as to repair the defects such as surface corrosion, scratch and crack on 30CrMnSiNi2A high strength steel.Methods In this paper,an experiment of laser cladding on 30CrMnSiNi2A substrate was carried out by using fiber laser with near substrate powder,the processing parameters were optimized.The microstructure,hardness and mechanic performance of cladding layer were tested,and morphology of the fracture in the tensile test was analyzed.Results It was found that the cladding layer was well combined with substrate in metallurgy,the heat affected zone was small,the average tensile strength of cladding layer was higher than 80%of the tensile strength of substrate,while the brittleness of cladding layer was increased a little than that of substrate.Conclusion Laser cladding can be used to repair the defects such as surface corrosion,scratch and crack on 30CrMnSiNi2A high strength steel.

30CrMnSiNi2A；laser cladding；repairing

2015-09-17；Revised：2015-10-08

10.7643/issn.1672-9242.2016.01.012

TJ07；TG174

A

1672－9242（2016）01－0062-05

2015-09-17；

2015-10-08

張志強（1975—），男，河北邯鄲人，高級工程師，主要研究方向為航空焊接修理技術(shù)。

Biography：ZHANG Zhi-qiang（1975—），Male，from Handan，Hebei，Senior engineer，Research focus：aviation welding repair technology.