劉明磊, 劉芳, 陸興

(大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連116028)

激光熔覆Ni30WC合金粉末修補(bǔ)42CrMo鋼的研究

劉明磊, 劉芳, 陸興

(大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連116028)

作為高速列車(chē)車(chē)軸常用的原材料，42CrMo車(chē)軸鋼在工作中，常因發(fā)生疲勞、拉傷斷裂、局部磨損等問(wèn)題而影響使用.為了延長(zhǎng)工件使用壽命，在實(shí)驗(yàn)中利用激光熔覆技術(shù)修復(fù)其磨損失效區(qū)域，在功率850 W，掃描速度8 mm/s的條件下，對(duì)車(chē)軸鋼42CrMo熔覆Ni30WC鎳基粉末，制備出與基體結(jié)合牢固的熔覆涂層.利用顯微鏡(OM)，掃描電鏡(SEM)觀察涂層組織形貌，利用X射線衍射儀(XRD)分析涂層物相組成，使用顯微硬度儀測(cè)量涂層硬度.結(jié)果表明：在熔覆層中，主要形成WC﹑W2C﹑(Cr,Ni)和NiC等物相，涂層與基體結(jié)合牢固，但存在明顯的裂紋，孔洞等缺陷.涂層硬度顯著提高，是基體硬度的3倍以上.

激光熔覆；鎳基粉末；42CrMo；硬度

0 引言

車(chē)軸鋼42CrMo因其強(qiáng)度、淬透性高，韌性好，淬火時(shí)變形小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于制造機(jī)車(chē)曲軸和連桿、機(jī)車(chē)牽引用的大齒輪、增壓器傳動(dòng)齒輪、后軸等重要零部件，也可用于石油開(kāi)采、武器制造、工礦機(jī)械等諸多領(lǐng)域[1-2].由于42CrMo鋼除了承受正常的設(shè)計(jì)載荷外，還需要承受不同程度的沖擊載荷作用，尤其是以磨粒磨損形式出現(xiàn)的損傷更多，這使得材料的破損率很高， 通過(guò)激光再制造技術(shù)對(duì)42CrMo車(chē)軸鋼進(jìn)行局部修補(bǔ)，以將延長(zhǎng)其使用壽命、提高經(jīng)濟(jì)效益[3-7].

激光再制造技術(shù)是指利用高能激光束對(duì)報(bào)廢的工件﹑零件作再制造處理的各類(lèi)先進(jìn)激光技術(shù)的總稱(chēng).它主要是對(duì)產(chǎn)生表層摩擦磨損，腐蝕侵蝕或發(fā)生總體變形的報(bào)廢零部件進(jìn)行修補(bǔ)，并可提高其表面性能.在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，作為重要分支的激光熔覆技術(shù)得到了日益的重視.激光熔覆是通過(guò)在基體表面添加涂覆材料，利用高能密度的激光束使之與基體表面一起熔化凝固的方法，在基材表面形成與其冶金結(jié)合的熔覆層[8-10].與其他傳統(tǒng)的制造方法比較，激光熔覆具有組織均勻致密，微觀缺陷少，對(duì)基體的熱影響小，生產(chǎn)周期短，效率高，設(shè)計(jì)靈活，粉末成分可控等優(yōu)點(diǎn)[11-17]而被普遍接受和應(yīng)用.

本文通過(guò)在基體42CrMo車(chē)軸鋼上激光熔覆Ni30WC鎳基合金粉末，觀察熔覆后涂層的微觀組織，裂紋狀況和性能變化，對(duì)車(chē)軸鋼42CrMo的局部修補(bǔ)和性能提供技術(shù)支持.

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

基體材料選用42CrMo鋼,樣塊尺寸為20 cm×5 cm×2 cm.選用80#砂紙去除材料表面的氧化皮并用無(wú)水乙醇清洗.熔覆粉末選用Ni30WC鎳基合金粉末(化學(xué)成分見(jiàn)表1).采用德國(guó)KUKA公司的KR30HA型機(jī)器人，送粉器為L(zhǎng)ZT-0980M-V型送粉器,實(shí)驗(yàn)中采用同步送粉法.為了能夠在實(shí)驗(yàn)中抑制裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，先要對(duì)基體做預(yù)熱處理，之后進(jìn)行熔覆.實(shí)驗(yàn)的工藝參數(shù)：激光功率為850 W,光斑直徑為3 mm,掃描速度為8 mm/s，在整個(gè)熔覆過(guò)程中以氬氣為實(shí)驗(yàn)保護(hù)氣.

表1 Ni30WC合金粉末的化學(xué)成分 %

實(shí)驗(yàn)后，使用線切割機(jī)沿垂直于激光掃描的方向進(jìn)行切割，對(duì)切割后的樣品橫截面研磨拋光，再用按3∶1比例調(diào)配的鹽酸和硝酸混合溶液(王水)對(duì)樣品做腐蝕處理.用Keyerce1000E三維視頻顯微鏡和日本電子JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡(SEM)及附帶能譜儀(EDS)，對(duì)微區(qū)成分、顯微組織進(jìn)行分析和表征，用荷蘭帕納科Empyream型X-射線衍射儀觀察判斷熔覆層中含有的物相，再使用顯微硬度儀測(cè)量樣品的硬度，載荷200g,加載時(shí)間15s,測(cè)量3次取平均值.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 熔覆涂層的微觀組織

圖1(a)為50倍下涂層掃描圖，可以看到在基體42CrMo上熔覆Ni30WC粉末后，形成了一層約1.1 mm厚的Ni30WC涂層，基體與涂層之間的直線為兩者元素互換形成的結(jié)合區(qū).涂層中廣泛分布的白色塊狀組織經(jīng)過(guò)XRD檢測(cè)和EDS分析結(jié)果可以判斷為WC或是W2C.在其周?chē)幕疑M織為鎳基固溶體或鎳基合金化合物.通過(guò)觀察熔覆涂層500倍下顯微組織圖(圖1(b))，可以發(fā)現(xiàn)涂層底部，靠近界面處區(qū)域，主要是平面晶和細(xì)小樹(shù)枝晶.這是因?yàn)槿鄹矊又械娘@微組織形貌主要是由溫度梯度G、凝固速率R以及冷卻速率dT/dt等因素共同決定的.其中溫度梯度和凝固速率的比值，即G/R影響了凝固過(guò)程中顯微組織的特征，而冷卻速率控制了顯微組織的基本尺度.而通常在熔池的底端，溫度梯度最大，而凝固速率最小，相應(yīng)的溫度梯度與凝固速率的比值也就最大.凝固的開(kāi)始階段，平面晶以外延生長(zhǎng)的方式在涂層的基底位置上形核生長(zhǎng)， 然后隨著液固兩相界面的推進(jìn)，溫度梯度G逐步減小，凝固速率R則逐步增大，而G/R則減小.之后的凝固組織形態(tài)則轉(zhuǎn)變成樹(shù)枝狀晶和胞狀枝晶，最后演變成為典型快熔快凝組織.

(a) 熔覆層低倍SEM全貌

(b) 涂層OM組織形貌

通過(guò)觀察涂層中微區(qū)顯微組織掃描圖2，再結(jié)合能譜(1)的 EDS分析結(jié)果，圖2中的富含元素是W、C，沒(méi)有其它元素，其中W的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為84.88% ，C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.12%.說(shuō)明白色塊狀組織為WC相或在激光熔覆過(guò)程中分解析出的W2C，運(yùn)用XRD檢測(cè)證實(shí)了涂層確實(shí)存在著WC和W2C相，WC溶解多，元素?zé)龘p嚴(yán)重，在圖中呈現(xiàn)塊狀形態(tài).

圖2 Ni30WC涂層的微區(qū)組織SEM圖

2.2 熔覆涂層的外觀形貌

圖3為熔覆后100倍下的Ni30WC涂層顯微組織圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，涂層與基體間有一條平直清晰的冶金結(jié)合帶，這表明熔覆層和基體間形成了牢固的冶金結(jié)合，在涂層的使用過(guò)程中，不容易產(chǎn)生涂層剝落現(xiàn)象.與傳統(tǒng)熱噴涂涂層的機(jī)械結(jié)合方式比較，結(jié)合力更強(qiáng)，也更加穩(wěn)固.不過(guò)可以看到熔覆層表面平整光滑程度不高，整體凸凹不平，起伏波動(dòng)較大.在圖中的縱向擴(kuò)展的裂紋清晰可見(jiàn)，涂層中還存在著一些氣孔.涂層中裂紋的主要是因?yàn)閃C或W2C和鎳基粉末的熱物性相差過(guò)大，導(dǎo)致產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生裂紋，并在WC或W2C晶粒邊緣萌生，進(jìn)而擴(kuò)展，貫穿整個(gè)涂層.

圖3 Ni30WC涂層100倍下顯微組織圖

由于裂紋本身巨大的破壞性，降低了零件的使用壽命和造成材料不必要的浪費(fèi).所以必須盡量抑制裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展.通過(guò)對(duì)基體的預(yù)熱處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的有效控制.在熔覆前對(duì)車(chē)軸鋼42CrMo的預(yù)熱，就大大降低了裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，但并沒(méi)有完全抑制裂紋的出現(xiàn).這是在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中需要解決的問(wèn)題.比如可以通過(guò)在基體上添加與之能良好潤(rùn)濕的過(guò)渡層或者在熔覆材料中添加塑韌性較強(qiáng)的第二相或稀土元素[18-20]等手段來(lái)抑制裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展.

2.3 熔覆涂層的物相分析

從Ni30WC涂層的X射線衍射圖譜，圖4中可以看出，在涂層中主要生成WC﹑W2C﹑(Cr,Ni)﹑NiC和FeNi等物相，雖然WC和W2C在組織中存在數(shù)量較多，分布廣泛，不過(guò)因?yàn)閃C與鎳基金屬密度差異較大，WC顆粒在激光熔池中存在沉降現(xiàn)象，所以在涂層中WC和W2C晶粒更多的集中在熔池的中部和底部區(qū)域，限制它們對(duì)XRD圖譜中衍射峰強(qiáng)度的影響，但可以清楚地看到對(duì)次強(qiáng)峰等其他衍射峰的影響依然很大.在強(qiáng)烈激光輻照的作用下，鎳基粉末中主要元素Ni、Fe等元素會(huì)在熔池高溫環(huán)境中形成鐵鎳化合物和固溶體，由于它們數(shù)量眾多，分布廣泛，構(gòu)成了X射線衍射圖譜中的最強(qiáng)峰.

圖4 激光熔覆Ni30WC合金粉末涂層 XRD 圖譜

2．4 熔覆層顯微硬度分析

圖5為Ni30WC熔覆涂層的硬度曲線，在曲線中可以看出，從熔覆層到熱影響區(qū)再到基體，硬度呈現(xiàn)由高到低的整體梯度變化.這是由于鎳基涂層中分布著大小不等的增強(qiáng)相WC或W2C顆粒，致使在涂層不同區(qū)域的硬度值有一定幅度波動(dòng).經(jīng)檢測(cè)，熔覆層的平均硬度為913 HV，是基體硬度的3倍以上.富集了大塊WC晶粒的區(qū)域硬度值更高，顯微硬度值甚至可達(dá)2 000 HV以上.熔覆層的高硬度主要是由WC及W2C的第二相強(qiáng)化作用而導(dǎo)致的，而在激光快熔快凝的作用下，鉻，硼等元素會(huì)固溶在鎳基固溶體中，形成固溶強(qiáng)化，也間接提高了涂層的硬度.

圖5 涂層顯微硬度曲線

3 結(jié)論

本文是在車(chē)軸鋼42CrMo上通過(guò)激光熔覆Ni30WC鎳基合金粉末，制備出高硬度涂層，對(duì)熔覆層中斷面的微觀組織﹑宏觀形貌﹑物相組成和顯微硬度進(jìn)行觀察分析，得到了下列結(jié)論：

(1)經(jīng)過(guò)熔覆，Ni30WC合金粉末與基體形成了牢固的冶金結(jié)合.但在熔覆層中，存在明顯裂紋、氣孔等缺陷；

(2)激光熔覆后，涂層中主要形成WC﹑W2C﹑(Cr,Ni)和NiC等物相；

(3)在高硬度第二相WC和W2C的影響下，涂層的硬度值顯著提高.熔覆層的平均硬度為913 HV，是基體硬度的3倍以上.

[1]韓發(fā)朝.煤礦機(jī)械設(shè)備的磨損與降損問(wèn)題探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013(9)：78.

[2]張明賀, 岳文忠, 張翼. 連桿疲勞破壞的分析綜述[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào), 2014, 35(3): 187-189.

[3]陳俊丹, 莫文林, 王培. 回火溫度對(duì) 42CrMo 鋼沖擊韌性的影響[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2012(10): 1186-1193.

[4]王健偉, 王芝軍, 王丹丹. 42CrMo 鋼連接桿鍛造后的超聲波探傷缺陷分析[J]. 金屬加工(熱加工),2011(11): 33-33.

[5]王明建，李雪峰，郭海霞．34 CrMo1A鋼轉(zhuǎn)子內(nèi)部缺陷分析[J]．理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)，2014，50(11)：832-834．

[6]祁學(xué)軍．42CrMo軸件斷裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)，2013,49(1)：55-58．

[7]安會(huì)芬．35CrMo 缸蓋螺栓斷裂失效分析 [J]． 熱加工工藝，2012，41(8)：223-225．

[8]HEMMATI I，OCELIK V．Effects of the Alloy Composition on Phase Constitution and Properties of Laser Deposited Ni-Cr-B-Si Coatings[J].Physics Procedia，2013，41: 302-311．

[9]邱宇． 激光熔覆中不同激光熱源對(duì)熔池表面形狀的影響[J].表面技術(shù)，2013，42(2) : 40-43．

[10]GU WEI．Analysis of Laser Cladding Ni Coated Al + 1%Y2O3Coating Organization[J]．Surface Technology，2012，41(2) : 69-74．

[11]YANG YONG，ZHAO JINGYU，LI JING，et al． Effect of Tungsten Carbide on the Microstructure and Wear Resistance of the Nickel-based Alloy Cladding Layer under the Protection of Argon[J]．Surface Technology，2015，44(2) : 55-59．

[12]ZHANG K M，ZOU J X，LI J，et al． Synthesis of Y2O3particle enhanced Ni / TiC composite on TC4 Ti alloy by laser cladding[J]． Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2012，22(8) : 1817 - 1823．

[13]XIANNI ZHAO， DUNWEN ZUO， HU CHEN，et al． Microstructure and properties of laser clad Ni-based tungsten carbide alloy layer on a plastic mouldsteel[J]．Transactions of Materials and Heat Treatment，2013，34(4) : 177 -181．

[14]HAN B，LI M，WANG Y． Microstructure and wear resistance of laser clad Fe-Cr3C2composite coating on 35CrMo steel[J]．Journal of Materials Engineering and Performance，2013，22(12) : 3749- 3754．

[15]QINYING WANG, YANGGEI ZHANG, SHULIN BAI, et al.. Microstructures, mechanical properties and corrosion resistance of Hastelloy C22 coating produced by laser cladding[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2013, 553 (3): 253-258.

[16]QINTANG LI, YONGPING LEIi, HANGUANG FU. Laser cladding in-situ NbC particle reinforced Fe-based composite coatings with rare earth oxide addition[J]. Surface and Coatings Technology, 2014, 239(1): 102-107.

[17]王傳琦, 劉洪喜, 周 榮, 等 . 機(jī)械振動(dòng)輔助激光熔覆 NiCrBSi-TiC 復(fù)合涂層中顆粒相行為特征[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2013, 49(2): 221-228.

[18] CAI HANGWREI，GAO YUAN，MA ZHIKANG，et al．Research on W-Mo-Y plasma surface alloying process and microstructure of alloyinglayer[J]．Surface Technology，2012，41(2) : 16 - 19．

[19]LUO DONGXUE，XUE PENG，XUE SONGBAI，et al． Effects of Nd on microstructure and properties of Sn-Zn-Ga lead-free solder [J]．Transactions of the China Welding Institution，2013，34(6) : 57 - 60．

[20]張光耀，王成磊，高 原，等． 稀土 La2O3對(duì) 6063Al 激光熔覆Ni 基熔覆層微觀結(jié)構(gòu)的影響[J]．中國(guó)激光，2014，41 (11) :53-58．

Abstrate: Aiming at local wear of 42CrMo high-speed train axle, laser cladding technology is used to repair the wear area. With the laser power of 850 W at scanning speed of 8 mm/s, Ni30WC nickel powder was laser cladded on 42CrMo substrate. The microstructure of the coating was observed by microscope (OM), scanning electron microscope (SEM), the phase composition of the coating was analyzed by XRD, and the hardness of coating was measured by the microhardness tester. The results show that WC, W2C, (Cr, Ni) and NiC are mainly formed in the cladding layer, and the coating and the substrate are firmly combined. Howerver, obvious defects such as cracks and holes are observed. The hardness of the coating is increased significantly, which is more than 3 times of that hardness of the substrate.

Repair of 42CrMo Steel by Laser Cladding Ni30WC Alloy Powder

LIU Minglei , LIU Fang，LU Xing

(Schoool of Materials Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

laser cladding; nickel based powder; 42CrMo; hardness

1673- 9590(2017)04- 0130- 04

2016- 10- 18

劉明磊(1983-)，男，碩士研究生；劉芳(1978-)，女，副教授，博士，主要從事材料的表面改性及納米材料的研究E- mail:13614264506@163.com.

A