張昌春，石　巖，王洪新

(1.皖西學(xué)院 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，六安 237012；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

引　言

20CrMnMo鋼是一種高強(qiáng)度的滲碳鋼，常用于制造曲軸、連桿、凸輪軸、齒輪軸、銷軸、齒輪等重要零件。激光熔覆主要利用高功率激光的快速熔凝效應(yīng)在零件上制備功能涂層；激光熔覆制備高厚度梯度耐磨涂層，可減少裂紋缺陷、提高涂層使用性能和壽命[1]。DONG等人[2]制備了顯微硬度高達(dá)655HV的Co-Ni-Cu梯度涂層，且涂層間結(jié)合良好，成分、組織和熱物理性能均呈現(xiàn)梯度分布。S?RN等人[3]在基體Cr5MoSiV上分層熔覆3種不同的合金粉末，通過(guò)改變激光工藝參量，最終獲得厚度大于3.5mm的理想梯度涂層。不同材料對(duì)激光波長(zhǎng)吸收率有所不同，因此激光器和激光模式的選用影響著加工效率和加工質(zhì)量[4-5]。研究發(fā)現(xiàn),激光工藝參量特別是激光功率直接影響制備涂層的質(zhì)量，特別是制備高厚度涂層時(shí)，激光功率的影響尤為突出。LIN等人[6]在316L不銹鋼表面激光熔覆了Co基合金涂層，研究發(fā)現(xiàn)，激光功率越大、涂層稀釋率越大，熔覆層的耐腐蝕性能隨激光功率的增加先提高后降低。HAN等人[7]采用CO2激光器在316L不銹鋼表面制備Ni基 WC熔覆層，研究發(fā)現(xiàn),激光功率范圍在2.5kW～3.5kW時(shí)，功率增加會(huì)使熔覆層的晶體更致密；晶內(nèi)出現(xiàn)Fe,N元素的富集，晶界處復(fù)式Cr,W 元素的偏聚。

本文中使用固體激光器在20CrMnMo基體上熔覆

不同類型的Co基粉末，制備高厚度耐磨涂層，并研究激光功率參量對(duì)涂層性能的影響。

1　試驗(yàn)材料與方法

1.1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)基體材料為20CrMnMo(成分見(jiàn)表1)，試樣尺寸為50mm×30mm×10mm，熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)，表面打磨后用丙酮清洗。

Table 1　Main ingredients of 20CrMnMo steel (mass fraction)

為獲得性能逐漸改變的梯度耐磨涂層，在基體上熔覆3層涂層，使其結(jié)構(gòu)分為3個(gè)部分：底層、過(guò)渡層、耐磨層。底層熔覆材料為St6合金粉末(粒度為61μm～150μm)，過(guò)渡層熔覆材料為由St12B合金粉末(粒度為44μm～150μm)、耐磨層熔覆材料由Co47(粒度為44μm～104μm)、WC/Co (粒度為44μm～104μm)兩種合金粉末組成，其中粉末的質(zhì)量配比為Co47+WC(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05)。

1.2　試驗(yàn)方法

激光熔覆試驗(yàn)在KUKA 機(jī)器人系統(tǒng)上進(jìn)行，激光器為HL4006D型Nd∶YAG 激光器、送粉器為PFL-2A型送粉器，送粉方式為同步側(cè)向送粉，載粉氣體和保護(hù)氣體均為氬氣。激光熔覆示意如圖1所示。激光熔覆試驗(yàn)參量如表2所示。其中L1～L3表示層1～層3；T1～T3表示次數(shù)1～次數(shù)3。

Fig.1　Schematic diagram of laser cladding

Table 2　Test parameters list of laser cladding

試驗(yàn)前，為減少或消除熔覆層的裂紋[8]，將20CrMnMo試件放在200℃的加熱爐內(nèi)保溫2h；使用QM-3B型球磨機(jī)對(duì)合金粉末進(jìn)行球磨20min，球磨后在DZF-6020型真空干燥箱中100℃ 干燥12h。每次激光熔覆獲得的試件均放置加熱爐內(nèi)加熱，保溫一段時(shí)間后隨爐冷卻[9]，以備下一次熔覆時(shí)使用。試驗(yàn)最終獲得厚度約2.4mm熔覆層。

用線切割將試件沿垂直于激光掃描方向切取尺寸為10mm×10mm的試塊，經(jīng)研磨、拋光后用比例為：濃氫氟酸(2份)∶HNO3(1份)的混合溶液對(duì)截面進(jìn)行腐蝕；使用Mshot MD20 體式顯微鏡觀察熔覆層截面形貌，JSM-6701F 型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察微觀組織結(jié)構(gòu)，XRD-6000型X射線衍射儀分析物相；HMT-3型顯微硬度計(jì)檢測(cè)熔覆層截面的顯微硬度(載荷F1=0.1kg,加載時(shí)間t1=10s,測(cè)試間隔L=0.1mm)；在M-200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)熔覆層進(jìn)行干滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)(載荷F2=200N,轉(zhuǎn)速N=200r/min,磨損時(shí)間t2=30min,對(duì)磨件：GCr15)。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　制備梯度耐磨涂層

圖2為不同激光功率下(600W,700W,800W)，梯度耐磨涂層表面形貌。從圖中可以看出，各功率下涂層表面均沒(méi)有出現(xiàn)裂紋。激光功率600W時(shí)熔覆層表層形貌較差，700W和800W時(shí)表層形貌較好。

Fig.2　Surface topographies of coatings

圖3為不同激光功率下(600W,700W,800W)，梯度耐磨涂層宏觀形貌。圖中，從基體往上依次出現(xiàn)界線分明的熱影響區(qū)、底層、過(guò)渡層、耐磨層。由于試驗(yàn)進(jìn)行3次激光熔覆加熱，前兩次激光功率均為800W，熔覆時(shí)使熔覆層和下層部分區(qū)域再次熔化，而且第3次激光熔覆距離基體較遠(yuǎn)，造成不同功率下各涂層的熱影響區(qū)差別不大，在基體與熔覆層的稀釋率較大。

Fig.3　Macromorphology of gradient wear-resistant coatingsa—600W　b—700W　c—800W

隨著第3次激光熔覆功率的增加，熔覆層的整體厚度和耐磨層厚度逐漸增加，過(guò)渡層厚度相對(duì)減少，到800W時(shí)，耐磨層厚度出現(xiàn)大幅度增加。激光熔覆是激光使粉末和基體快速熔化形成熔池，在熔池中傳熱、傳質(zhì)并快速凝固的過(guò)程[10]。激光功率增加使耐磨層中合金粉末熔化量變大且過(guò)渡層的熔化區(qū)域變大，快速形成更大的熔池，熔池中傳熱、傳質(zhì)作用促使不同涂層間元素充分?jǐn)U散互溶，快速凝固后形成新的涂層形貌。在激光功率為800W時(shí)，出現(xiàn)耐磨層厚度大幅度增加的現(xiàn)象，是由于固體激光器發(fā)射的激光波長(zhǎng)較短，有利于材料的吸收，在800W時(shí)突破了閾值[11]。

由于試驗(yàn)制備高厚度的耐磨涂層，基體與熔覆層的稀釋率較大并不會(huì)影響涂層的使用性能，采用800W的激光功率熔覆耐磨層時(shí)，過(guò)渡層的大部分區(qū)域均會(huì)熔化，過(guò)渡層原有的應(yīng)力分布會(huì)被打亂，同時(shí)傳質(zhì)作用加劇了層間元素?cái)U(kuò)散互溶，從而降低了產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，涂層間實(shí)現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合。

2.2　梯度耐磨涂層典型區(qū)域微觀組織

圖4～圖6為不同激光功率下(600W,700W,800W),梯度耐磨涂層各層典型區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)。參考MAO[12]對(duì)Co47+WC熔覆區(qū)的物相分析可知，梯度耐磨層主要是由γ-Co、奧氏體、CoCx等化合物組成。

Fig.4Microstructure of the surface layers for gradient wear-resistant coatings

Fig.5Microstructure of the transition layers for gradient wear-resistant coatings

Fig.6Microstructure of the bottom layers for gradient wear-resistant coatings

圖4為梯度耐磨涂層表層微觀結(jié)構(gòu)。如圖可見(jiàn)，耐磨層表層出現(xiàn)有尺寸較小的等軸晶、晶體生長(zhǎng)方向性差，激光熔覆是一個(gè)近似定向凝固過(guò)程，而熔覆層中凝固組織形態(tài)的一個(gè)重要控制參量為溫度梯度G和界面推移速度vs的比值[13]。在涂層表層G/vs值較小，枝晶生長(zhǎng)方向受熱流方向控制較小，枝晶在熔池內(nèi)各向異性快速成長(zhǎng)，結(jié)晶遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離平衡凝固，出現(xiàn)帶有偏析的細(xì)小共晶組織。

當(dāng)激光功率為600W時(shí)，耐磨層中出現(xiàn)黑色斑點(diǎn)；當(dāng)激光功率為700W時(shí)，耐磨層中黑色斑點(diǎn)相對(duì)減少；當(dāng)激光功率為800W時(shí)，耐磨層中黑色斑點(diǎn)大量增加。根據(jù)分析，出現(xiàn)黑色斑點(diǎn)，說(shuō)明有強(qiáng)化相或未熔顆粒存在，700W和600W的耐磨層相比黑色斑點(diǎn)數(shù)量相對(duì)減少，考慮600W時(shí)黑色斑點(diǎn)為未熔顆粒；而800W時(shí)黑色斑點(diǎn)為強(qiáng)化相。激光功率從600W～800W時(shí)，隨著激光功率增大,WC逐漸熔化充分，且較高的溫度使熔池中傳熱、傳質(zhì)更加充分，WC與Co元素相互擴(kuò)散互溶得越均勻，更容易形成相對(duì)均勻的新硬質(zhì)相。

圖5為梯度耐磨涂層過(guò)渡層微觀結(jié)構(gòu)。如圖可見(jiàn)，激光功率在600W和700W時(shí)，過(guò)渡層心部均出現(xiàn)大量具有一定方向性的柱狀枝晶；同時(shí)有一部分粗大的柱狀枝晶出現(xiàn)，700W時(shí)粗大柱狀晶的數(shù)量和體積均比600W時(shí)突出。分析原因?yàn)椋喝鄹材湍訒r(shí)，熱傳遞影響著遞影響過(guò)渡層晶體長(zhǎng)大，且G/vs值很大，使過(guò)渡層晶體凝固時(shí)晶體以沿著熱流方向生長(zhǎng)，出現(xiàn)了方向較一致的晶體形態(tài)；出現(xiàn)粗大柱狀晶是由于耐磨層的熔覆時(shí)，使過(guò)渡層內(nèi)原有的柱狀枝晶二次受熱長(zhǎng)大。

激光功率為800W時(shí)，出現(xiàn)較為致密的晶體形態(tài)，觀察該處的宏觀形貌可知，過(guò)渡層被耐磨層嚴(yán)重壓縮，分析原因?yàn)椋涸?00W時(shí)，快速突破合金粉末和過(guò)渡層材料的閾值，元素在新熔池內(nèi)相互擴(kuò)散作用增強(qiáng)、并充分固溶形成硬質(zhì)相，快速凝固時(shí)硬質(zhì)相來(lái)不及長(zhǎng)大且比重較大，故沉積于此。

圖6為梯度耐磨涂層底層微觀結(jié)構(gòu)。如圖可見(jiàn)，不同激光功率下，底層出現(xiàn)尺寸較大的平面晶和部分樹(shù)枝晶。在單層激光熔覆過(guò)程中，熔池內(nèi)部的溫度呈正溫度梯度分布，剛開(kāi)始凝固時(shí)，熱過(guò)冷的作用大于成分過(guò)冷的作用，故凝固界面的晶體生長(zhǎng)時(shí)常為平直形態(tài)，涂層底部區(qū)域的晶體多為平面晶，很難見(jiàn)到樹(shù)枝晶。而在梯度耐磨涂層的底層出現(xiàn)了尺寸較大的平面晶和樹(shù)枝晶，分析認(rèn)為，第1次激光熔覆時(shí)該部位仍會(huì)出現(xiàn)平面晶；隨著第2次、第3次熔覆的進(jìn)行，能量持續(xù)傳到該部位促使晶體持續(xù)生長(zhǎng)，在晶體生長(zhǎng)的過(guò)程中，晶體內(nèi)能增加、溫度升高，降低了溫度梯度，當(dāng)熱過(guò)冷的作用小于成分過(guò)冷的作用時(shí)，凝固界面有小突起的時(shí)候會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大，故出現(xiàn)樹(shù)枝晶形態(tài)。激光功率從600W～800W時(shí)，晶體尺寸也相對(duì)變大。

2.3　梯度耐磨涂層耐磨層與過(guò)渡層結(jié)合處微觀組織

圖7為梯度耐磨涂層耐磨層與過(guò)渡層結(jié)合處微觀組織。如圖可見(jiàn)，該處的微觀結(jié)構(gòu)與圖2中的微觀結(jié)構(gòu)相似，但晶體尺寸相對(duì)變大，由于合金粉末Co47+WC(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05)與St12B的成分相近，凝固結(jié)晶時(shí)熱作用大于成分作用。600W時(shí)與800W時(shí)一樣仍然存在黑色斑點(diǎn)，在后續(xù)物相分析中可進(jìn)一步證實(shí)600W時(shí)的黑色斑點(diǎn)為WC顆粒，800W時(shí)的黑色斑點(diǎn)為硬質(zhì)相。

Fig.7Microstructure of the junctions of wear-resistant layers and transition layers

圖8為耐磨層與過(guò)渡層結(jié)合處的X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)圖譜。由于激光的高功率密度和熔池的快速凝固以及在涂層粉末中含有大量微量元素的緣故，造成XRD譜線中出現(xiàn)了一個(gè)較強(qiáng)的晶化相衍射峰，同時(shí)也有很多弱峰。在根據(jù)粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合委員會(huì)(Joint Committee on Powder Diffraction Standards，JCPDS)卡片及三強(qiáng)線原則進(jìn)行物相標(biāo)定時(shí)，峰位均有一定偏移，除了一些強(qiáng)衍射峰比較吻合，其它的弱峰的偏差比較大。有合金粉末以Co基粉末為主，故在各圖均發(fā)現(xiàn)γ-Co相的大量存在；在圖8a中發(fā)現(xiàn)了WC和B2Co3相的存在，隨著溫度的增加，WC和B2Co3相逐漸消失，至800W時(shí)生成CoW2B2相，促進(jìn)了涂層合金的致密化。同時(shí)對(duì)比各相對(duì)應(yīng)的峰值結(jié)果可知，由于熔覆層中WC/ Co的富集，在激光熔凝過(guò)程中，元素發(fā)生重組，Co,C,W形成穩(wěn)定相。

Fig.8X-ray diffraction patterns of the junctions of wear-resistant layers and transition layers

a—600Wb—700Wc—800W

2.4　梯度耐磨涂層耐磨層顯微硬度測(cè)試

如圖9所示，梯度耐磨涂層的顯微硬度相對(duì)基體顯著提高，自耐磨層至基體實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)過(guò)渡；隨著激光功率的增加，耐磨層表層平均顯微硬度增加明顯。

Fig.9　Microhardness of gradient wear-resistant coatings

激光功率為600W時(shí)，因功率較小,WC顆粒未能充分熔化并與周圍γ-Co生成的硬質(zhì)相較少；距表面0.5mm處顯微硬度明顯下降，因激光功率較低，傳遞的熱能不足以充分實(shí)現(xiàn)耐磨層和過(guò)渡層的元素?cái)U(kuò)散互溶，卻實(shí)現(xiàn)該處晶體長(zhǎng)大，故耐磨層的顯微硬度最小(不足600HV0.1)。

激光功率為700W時(shí),相對(duì)于600W時(shí)的顯微硬度較有所增加，且圖中顯示梯度涂層顯微硬度逐步平緩下降。

激光功率為800W時(shí)，梯度涂層表層平衡顯微硬度可達(dá)730HV0.1，充分顯現(xiàn)出WC能夠提高熔覆層顯微硬度的特點(diǎn)；而向下移0.3mm～0.4mm時(shí)硬度未出現(xiàn)明顯增加，觀察宏觀形貌知該處仍屬于耐磨層，這與添加WC硬質(zhì)顆粒會(huì)使涂層顯微硬度提高的現(xiàn)象不符。分析原因是：800W時(shí)，較大的激光功率致使耐磨層、過(guò)渡層、底層的元素?cái)U(kuò)散加劇，耐磨層元素稀釋率增加使該處的硬度降低。

2.5　梯度耐磨涂層耐磨性能測(cè)試

如圖10所示，20CrMnMo滲碳狀態(tài)的磨損量為8mg耐磨性能最差；隨著激光功率的增大，磨損量逐漸減小、耐磨性能變好；當(dāng)激光功率為800W時(shí)，梯度耐磨涂層的耐磨性能相對(duì)于基體提高300%。

如圖11a所示，表面出現(xiàn)紅褐色氧化層和犁溝，其磨損狀態(tài)主要為氧化磨損[14]。在摩擦過(guò)程中，高溫和空氣中水分的作用促使20CrMnMo表面發(fā)生氧化反應(yīng)生成Fe2O3，部分處于高位的Fe2O3氧化物脫落回磨基體，使其表面出現(xiàn)犁溝。

Fig.10　Variation rule of wear loss for gradient wear-resistant coatings

Fig.11　Wear morphologies of gradient wear-resistant coatings

如圖11b所示，表面出現(xiàn)鱗片狀磨損帶和較深的犁溝，其磨損狀態(tài)主要為粘著磨損和磨粒磨損[15]。600W時(shí)WC未熔粉末較多，部分呈顆粒狀粘包覆于耐磨層，且新結(jié)晶的晶體內(nèi)能較低，摩擦?xí)r由于切向力的作用使處于高點(diǎn)的晶體和WC顆粒脫落并造成回磨，使耐磨層處于高位磨損狀態(tài)。

如圖11c所示，表面出現(xiàn)鱗片狀磨損帶和較淺的犁溝，其磨損狀態(tài)主要為粘著磨損。700W時(shí)WC顆粒逐漸融化充分并固溶于γ-Co的硬質(zhì)相、晶體間結(jié)合能增大使耐磨層硬度增大使脫落磨?；啬?、刮削耐磨層的能力減小，高溫使其更易于粘附耐磨層之上形成粘著磨損。

如圖11d所示，表面出現(xiàn)較淺的犁溝、大片鱗片狀磨損帶和線狀凸起，其磨損狀態(tài)主要為粘著磨損。800W時(shí)WC顆粒和Co元素充分互溶，晶體內(nèi)能趨向飽和，耐磨層硬度較高。在摩擦過(guò)程中WC固溶于γ-Co的硬質(zhì)相不易脫落，摩擦過(guò)程中耐磨層的硬質(zhì)相會(huì)造成對(duì)磨件GCr15出現(xiàn)較深犁溝，犁溝擠壓其兩側(cè)造成的凸起又會(huì)刮削耐磨層，造成耐磨層輕微線狀犁溝和凸起。

3　結(jié)　論

(1)研究激光功率對(duì)熔覆層質(zhì)量影響時(shí)應(yīng)充分考慮激光器與激光模式的因素，與CO2等類型激光器相比較，Nd∶YAG 激光器進(jìn)行激光熔覆時(shí)不需要太大功率即可獲得理想熔覆層。

(2)合理設(shè)計(jì)合金粉末類型與配比，進(jìn)行多層多道激光熔覆可獲得性能自耐磨層表面至基體緩慢變化的梯度耐磨涂層。激光熔覆過(guò)程中，傳熱、傳質(zhì)作用會(huì)對(duì)涂層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，傳熱作用會(huì)使下層涂層熔化和晶體尺寸長(zhǎng)大；傳質(zhì)作用會(huì)使上層熔覆涂層的元素與下層熔覆涂層的元素加速擴(kuò)散互溶，增加涂層稀釋率。

(3)激光功率對(duì)梯度耐磨層的性能影響顯著。在本實(shí)驗(yàn)條件下，激光功率為600W時(shí)，涂層中未熔WC顆粒較多；激光功率為800W時(shí)，耐磨層硬質(zhì)相增多且晶粒致密，顯微硬度最達(dá)730HV0.1以上，涂層的耐磨性能相對(duì)于基體提高了300%。