邢艷麗,江文奇,井文華

(衡水學(xué)院,河北 衡水 053000)

1 引 言

市場(chǎng)上大多數(shù)體育器材都是金屬材料,其中包括鋼、鋁合金、鎂合金和鈦合金。由于體育器材經(jīng)常被許多人反復(fù)使用,其耐磨性一直是一個(gè)重要的指標(biāo),要提高運(yùn)動(dòng)裝備的質(zhì)量,就必須提高運(yùn)動(dòng)裝備的硬度,并利用激光熔覆技術(shù)對(duì)其進(jìn)行添加涂層,增強(qiáng)器材硬度[1]。

激光熔覆是一個(gè)極其復(fù)雜的過程,熔池中含有少量的高溫化學(xué)冶金。激光涂層質(zhì)量受工藝條件的影響。對(duì)激光熔覆的研究主要集中在單個(gè)涂層的性能上,然而,對(duì)于激光多層膜的研究卻很少。隨著激光制版技術(shù)在生產(chǎn)中的逐步應(yīng)用,迫切需要多層和大面積的表面鍍膜。對(duì)激光涂層的質(zhì)量有決定性的影響[2-4]。

本文從以下三個(gè)方面考察了激光涂層對(duì)運(yùn)動(dòng)裝備硬度的改善:

(1)通過激光熔覆316L涂層和316L+Al2O3多層熔覆的方法,在體育器材表面制備了與基體結(jié)合良好的涂料,然后根據(jù)其結(jié)果對(duì)器材硬度影響進(jìn)行了研究；

(2)對(duì)層間停光時(shí)間與熔覆層數(shù)對(duì)熔覆層硬度與組織的影響進(jìn)行了研究；

(3)研究激光掃描速度對(duì)涂層宏觀形貌、相組成、顯微組織、成分和硬度分布的影響。

2 激光熔覆316L涂層和316L+Al2O3復(fù)合涂層下硬度分析

2.1 材料及其方法

在實(shí)際模擬實(shí)驗(yàn)中,運(yùn)動(dòng)器材的基本材料為碳鋼,其中器材化學(xué)成分為wt(%)為:0.21C、0.48Mn、0.24Si、0.007P、0.004S,余量Fe。

正式試驗(yàn)之前,將基材劃分為15 mm×15 mm×16 mm的小正方形,然后用砂紙打磨,然后用酒精和丙酮清洗,并保證基材干燥性[5]。

將熔覆基材的粒度設(shè)置為300,其中復(fù)合涂層不銹鋼粉末的化學(xué)成分wt(%)為:0.02C、0.18Mn、0.74Si、0.005P、0.006S、2.2Mo、13.2Ni、17.2Cr以及少量的Fe。

復(fù)合粉末的組成包括316L+4 %Al2O3、316L+6 %Al2O3、316L+8 %Al2O3以及316L+10 %Al2O3,應(yīng)用多功能固體激光機(jī)對(duì)體育器材的基材進(jìn)行涂層。混合后的復(fù)合粉末在基材表面進(jìn)行表面處理,并干燥。激光脈沖寬度最小為0.15 mm,激光脈沖寬度為15 mm[6]。

用掃描電鏡觀察鍍層的橫截面形貌和表面形貌。采用X射線衍射對(duì)層相進(jìn)行分析,掃描平面為20°～80°。在0.05 mm的距離處用數(shù)字硬度計(jì)測(cè)量顯微強(qiáng)度,取三個(gè)點(diǎn)的平均值；摩擦磨損試驗(yàn)在環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,并用磨損量和磨損形貌來(lái)評(píng)價(jià)熔覆層的耐磨性。

2.2 結(jié)果分析

圖1為316L+4 %Al2O3,激光熔覆層的X射線衍射分析結(jié)果?？梢钥吹?該層主要由(111)晶相和(200)真晶相和(200)晶相和(211)晶面的γ奧氏體相鐵素體相組成。其主要原因是基體與體育器材基體激光涂層覆蓋的復(fù)合層之間的相互溶解,基體材料中的部分鐵素體封閉[7-9]。XRD衍射圖譜如圖1所示。

圖1 XRD衍射圖譜

圖1顯示了一個(gè)不同的比率316L+Al2O3,激光熔覆層的顯微硬度分布?？梢钥闯?隨著距熔覆層表面距離的增加,316L熔覆層和316L+Al2O3激光涂層的硬度會(huì)隨著表面距離提升而降低,令316L+Al2O3復(fù)合鍍層的顯微硬度高于316L鍍層。另外,用復(fù)合鍍層Al2O3隨著含量的增加,熔覆層的硬度先增加后降低。

根據(jù)上述分析可以得知,熔覆過程中反復(fù)添加Al2O3,即可從根本上提升器材表面涂層的硬度。盡管會(huì)提升硬度,但也需要保證添加的Al2O3為適當(dāng)?shù)牧?因?yàn)锳l2O3含量太高,硬度會(huì)降低。重要的是添加Al2O3,可以在熔融過程中加入粗顆粒,阻礙粗顆粒在熔融過程中的生長(zhǎng),防止涂層中細(xì)顆粒的形成。這里的微波硬度也很高。但是,當(dāng)三氧化二鋁含量超過8 %時(shí),三氧化二鋁與316L粉末的相容性較差,熔覆層的成形性降低,氧化鋁粉末顆粒的團(tuán)聚程度增加,分散強(qiáng)化效果降低,熔覆層顯微硬度降低。不同分組的硬度變化曲線如圖2所示。

圖2 不同分組的硬度變化曲線

利用能譜儀對(duì)激光熔覆涂層結(jié)構(gòu)觀察,可以詳細(xì)得出微觀結(jié)構(gòu),其中涂層結(jié)構(gòu)成分分析結(jié)果如表1所示。由于能譜儀對(duì)C、B成分不敏感,所以本文給出Fe、Ni、Cr、Si的詳細(xì)分析,并給出相對(duì)應(yīng)的分布特征:非搭接區(qū)的枝晶主干和小塊物中Ni的含量低于其在交界區(qū)的平均分布,在搭接區(qū)顆粒中Ni的含量減少,Fe的含量則對(duì)應(yīng)增大；非搭接區(qū)的枝晶主干和小塊物中的含Si量接近Si在交界區(qū)的平均分布,而搭接區(qū)的顆粒中Si的含量明顯降低；較大的顆粒物中富含Cr；Si的分布不均勻,存在顯著的偏析。

表1 激光熔覆層不同區(qū)域EDS分析

這一結(jié)果表明,當(dāng)重疊區(qū)加熱,低熔點(diǎn)含鎳硅化物進(jìn)一步溶解在奧氏體中時(shí),縱向枝晶共晶的顯微組織發(fā)生變化。而Cr和Si的化合物由于熔點(diǎn)高,且在奧氏體中的溶解度很小,故以顆粒狀均勻彌散分布于基體上。

對(duì)于基體而言,磨損量為0.0122 g,316L不銹鋼熔覆層的磨損量為0.0086 g,316L+4 %Al2O3、316L+6 %Al2O3、316L+8 %Al2O3和316L+10 %Al2O3熔覆層的磨損量分別為0.0012、0.0009、0.0014和0.0023 g。磨損量從大至小的順序?yàn)?基體>不銹鋼熔覆層>316L+10 %Al2O3熔覆層>316L+8 %Al2O3熔覆層>316L+4 %Al2O3熔覆層>316L+6 %Al2O3熔覆層。

隨著熔覆層中Al2O3含量的增加,復(fù)合鍍層的磨損量先減小后增大,當(dāng)氧化鋁含量為6 %時(shí),磨損量最小,即可看出可以令體育器材表面熔覆層的硬度更加穩(wěn)定。由此可見,316L+Al2O3復(fù)合熔覆層的磨損失重量小于體育器械基材和316L熔覆層[10-12]。

3 基于熔覆層數(shù)和層間停光時(shí)間的硬度分析

3.1 試驗(yàn)材料及方法

熔覆過程中,所引用的激光器功率為3.5 kW,并將光斑直徑設(shè)置為4 mm,其中激光掃描速度為180 mm/min。由于熔覆涂層過程中,金屬粉末與空氣接觸,會(huì)導(dǎo)致氧化等化學(xué)變化。所以整個(gè)過程中采用Ar作為保護(hù)氣體。

實(shí)驗(yàn)中分別準(zhǔn)備兩組不同的試樣,一組5個(gè),1～5層試樣。共有兩組樣品,每組5個(gè)樣品,1～5層樣品就緒,采用21000數(shù)字顯微硬度計(jì),沿涂層厚度方向(相鄰硬度測(cè)點(diǎn)之間的距離為0.12 mm測(cè)量每層涂層的硬度,載荷質(zhì)量為200 g,這樣計(jì)算所有相同涂層硬度測(cè)試點(diǎn)的顯微硬度之和,便可獲取出對(duì)應(yīng)涂層硬度的平均數(shù),即標(biāo)準(zhǔn)涂層硬度[13-15]。層間停光時(shí)間分別為4 min和2 s通過金相檢驗(yàn),觀察了涂層的顯微組織。

圖3 不同分組熔覆層和基材的硬度磨損量

3.2 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)在5個(gè)基片上進(jìn)行了1～5層激光涂層。在垂直激光掃描方向獲得了金屬化樣品,圖4顯示了用金相顯微鏡觀察到的四層涂層的微觀結(jié)構(gòu),從圖中可以看出多層熔覆結(jié)構(gòu)的變化和單層變化基本相似,從基本材料到體育器材表面涂層,都有扁平晶體、柱狀晶體和均勻的晶粒。然而,激光涂層層間的扁平晶體較薄,尤其是層數(shù)較多時(shí)。

圖4 多層熔覆層組織

這是因?yàn)榍耙粚釉诘诙渭す饧庸み^程中沒有完全冷卻,雖然兩層涂層交叉處的溫度梯度凝固速率之比較大,但不足以形成完整的平面晶體。溫度梯度越小,平板晶體越薄,甚至完全脫離。圖4顯示在熔覆層的交叉處有一個(gè)不連續(xù)的白色晶體結(jié)構(gòu),這是因?yàn)樵诘诙渭す馔繉舆^程中,第一次涂層的頂部被激光熔化,而第一次涂層沒有完全冷卻。雖然第一層和第二層之間的連接非常大,但不足以形成一個(gè)扁平晶體。

3.3 熔覆層交界處的硬度變化及其原因

圖5顯示第一層和第二層涂層的顯微硬度分布曲線和區(qū)域變化模式。從5(a)可以觀察到,以界面為基準(zhǔn)線,硬度隨涂層向第二涂層的距離增加而增加；沿第一涂層方向,硬度隨涂層距離的增加而降低。

從圖5(b)的角度可以看出,由于激光涂層的第二涂層,第一涂層具有三個(gè)區(qū)域,所以第二激光涂層工藝整合了,第一層涂層和第二層涂層中的處理區(qū)域,并且快速熔化和凝固的過程中同時(shí)植根處理,除了基體材料的稀釋因子外,涂層相當(dāng)于單層激光涂層。

關(guān)于第一層涂層中的第二阻尼區(qū),因?yàn)樗畛跏且环N激光阻尼設(shè)計(jì),并且在進(jìn)行第二層激光涂層之后,第二層涂層實(shí)行激光滅火,即二次抑制。由于它也是一種激光抑制結(jié)構(gòu),因此它的硬度更高。對(duì)于一層回火區(qū)域進(jìn)行第二層激光熔覆時(shí),傳導(dǎo)過來(lái)的熱量不足以使其淬火,而只能使其回火,所以硬度將有所下降。改變第二層和第三層的硬度,第三層和第四層,第四層和第五層的原理類似。

3.3 各層的平均硬度和總體平均硬度變化

在制備下一涂層時(shí),涂層基本上是冷卻的,并且制備的涂層已經(jīng)硬化(除了與下一涂層相鄰的區(qū)域,此處存在熔化和抑制)。因此,在多層激光涂層中,緊鄰下一涂層的前涂層獲得更高的硬化溫度和更快的硬化還原。激光涂層的總層數(shù)越多,涂層在基體附近硬化的時(shí)間越長(zhǎng),涂層的硬度下降得越快,但下降速度則相反。隨著涂層層數(shù)的增加,整個(gè)試樣的平均硬度降低得越多。

停止激光涂層至2層后,隨著涂層的增大,試樣的平均硬度迅速降低。這是因?yàn)樽詈笠粚油繉拥睦鋮s速度和凝固速度降低,因?yàn)榧す馔繉幼鳛楦邷鼗w,導(dǎo)致平均硬度下降。此外在層間光照時(shí)間較長(zhǎng)的情況下,靠近基體的涂層硬度低于遠(yuǎn)離基體的涂層硬度,但當(dāng)層間光短暫停止時(shí),情況完全相反。結(jié)果光在涂層間停留的時(shí)間很短,涂層中殘留的熱量不可能隨時(shí)間而分散。后涂層的硬化溫度越高,平衡凝固組織的后一涂層組織越接近,因此硬度較低,導(dǎo)致靠近基材的涂層硬度高于遠(yuǎn)離基體的涂層。

4 掃描速度對(duì)激光熔覆層組織和硬度的影響

4.1 掃描速度對(duì)熔覆層顯微組織的影響

圖6顯示了激光在不同掃描速度下,涂層橫截面結(jié)構(gòu)的金相圖像。隨著掃描速度的增加,涂層逐漸減少。在激光工作電流設(shè)定和掃描點(diǎn)直徑確定后,掃描速度在很大程度上反映了光束的能量效應(yīng)。掃描速度越高,相互作用時(shí)間越短,注入材料的能量越少,圓層厚度越低。激光熔覆層由儲(chǔ)存區(qū)、鍵合區(qū)和熱影響區(qū)三個(gè)區(qū)域組成,在低速掃描過程中,該層的結(jié)晶層自下而上為胞狀枝晶區(qū)和靠近表層的平衡胞區(qū),如圖6(a)、(b)所示；在高速掃描過程中,晶體形態(tài)為結(jié)晶區(qū)、枝晶區(qū)和與表層附近的枝晶區(qū)相等的枝晶區(qū)如圖6(c)、(d)所示。在光學(xué)顯微鏡下,可以看出,在層與基板之間的結(jié)合區(qū)域存在沒有可見結(jié)構(gòu)特征的白色光帶,表明了該結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征。另外,隨著掃描速度的提高,涂層微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性也隨之增加。

圖6 不同掃描速度下激光熔覆截面組織

4.2 掃描速度對(duì)熔覆層硬度的影響

4個(gè)樣品熔覆層平均成分如表2所示?？梢婋S掃描速度的增大,熔覆層的厚度減小,導(dǎo)致熔覆層的稀釋率減小,故隨掃描速度的增大,熔覆層中平均Si含量有上升的趨勢(shì)。熔覆樣品中枝晶和枝晶間Si含量略有差別,枝晶中的Si含量高于枝晶間組織的Si含量。結(jié)合區(qū)的Si含量低于熔覆區(qū),高于基體,是基體材料和熔覆材料的混凝區(qū)。

表2 激光熔覆層區(qū)域成分

圖7顯示了不同掃描速度下熔覆層的顯微硬度分布曲線。掃描速度的增加,提高了鍍層的硬度和界面的硬度。這一現(xiàn)象符合激光封裝后晶體的傳熱和冷卻的一般規(guī)律。界面結(jié)合區(qū)和加熱區(qū)的最大硬度略高于基體。顯微硬度的增加主要是由于溶液的存在,它強(qiáng)化了層中元素的作用,并且隨著掃描速度的增加,細(xì)晶粒放大效應(yīng)越來(lái)越明顯。

圖7 不同掃描速度對(duì)熔覆層硬度影響分布

5 結(jié) 論

在實(shí)驗(yàn)條件下,兩個(gè)熔覆層界面處的硬度變化規(guī)律為:以界面為基準(zhǔn)線,隨著距第二熔覆層距離的增加,硬度逐漸增加；隨著距第一熔覆層距離的增加,硬度逐漸降低后,再通過增大掃描速度,提高鍍層的硬度和界面的硬度。將上述規(guī)律應(yīng)用在體育器材硬度改善過程中,能夠提升體育器材的硬度。