喻佳臣，李 勝，邱長(zhǎng)軍

（南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

0 引言

激光熔覆技術(shù)是利用高能量密度激光輻照金屬粉末使其與基材一起熔凝，在基材表面快速成型出高質(zhì)量的涂層。激光熔覆是一種高經(jīng)濟(jì)效益、綠色環(huán)保的再制造技術(shù)，它可以在廉價(jià)的基材上制備出高耐磨、耐腐蝕、耐高溫或抗氧化的涂層[1，2]。且制備的涂層具有與基材成冶金結(jié)合、熱影響區(qū)小、稀釋率低、效率高等優(yōu)點(diǎn)[3，4]。馬氏體鋼是一種高強(qiáng)度鋼種，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、耐腐蝕性和良好的熱處理工藝性，可以通過(guò)回火處理調(diào)整其力學(xué)性能，改善其塑性。Sun 等[5]通過(guò)激光熔覆技術(shù)在300M 鋼表面制備了420 馬氏體鋼涂層，通過(guò)連續(xù)熔覆、單道間歇熔覆（間歇時(shí)間80s）來(lái)控制原位淬火和回火順序。結(jié)果表明，間歇熔覆主要產(chǎn)生的組織為回火馬氏體，相比于連續(xù)熔覆，延伸性提高了38%，屈服強(qiáng)度和抗拉極限僅降低了5%～10%。王強(qiáng)等[6]通過(guò)激光熔覆技術(shù)在27SiMn鋼活塞桿表面，采用17-4PH 馬氏體鋼進(jìn)行了不同激光功率熔覆試驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著激光功率的增加，熔覆層的高度先減小后增加，基材的穿透深度和熱影響區(qū)寬度增大，熔覆層的平均顯微硬度逐漸增加，熔覆層的組織由較短且沒(méi)有方向性的板條狀馬氏體向具有方向取向的板條狀馬氏體轉(zhuǎn)變。綜合上述因素得出2600 W 為最佳激光功率。使用1000 W 光纖激光器在Q235 基材表面熔覆了約4 mm 的馬氏體鋼涂層，對(duì)其涂層性能進(jìn)行了表征和分析，能為工程實(shí)際應(yīng)用提供一定的參考。

1 材料及方法

本實(shí)驗(yàn)采用的粉末為高純氮?dú)庀職忪F化的鐵基粉末，粉末的粒度為-150 目～+300 目，粉末成分見(jiàn)表1，熔覆基材為Q235 鋼板，尺寸為110 mm × 60 mm ×15 mm。實(shí)驗(yàn)之前先將基材用磨床打磨，再用酒精清洗，去除基材表面氧化層和油漬。將粉末和基材置于恒溫干燥箱進(jìn)行干燥處理，干燥溫度為50 ℃，干燥時(shí)間為3 h。

表1 粉末成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（wt.%）

采用1000 W 光纖激光器在基材表面熔覆制備馬氏體鋼涂層，送粉方式采用送粉器同步送粉，保護(hù)氣體、送粉氣均為高純氮?dú)猓瑢⒒姆胖迷谕ㄓ欣鋮s水的低溫工作平臺(tái)上面，水溫設(shè)置為23 ℃。激光工藝參數(shù)：激光功率為500 W，離焦量25 mm，掃描速度為8 mm/s，搭接率為50%，送粉速度為4.35 g/min。

圖1為激光熔覆后涂層表面形貌，從圖中可看出，制備出的馬氏體鋼涂層表面光潔無(wú)裂紋、氣孔等缺陷。采用DK7763 型線(xiàn)切割機(jī)制備出多個(gè)非標(biāo)拉伸試樣，如圖2 所示。將拉伸試樣放入預(yù)熱好的210 ℃電阻爐中保溫2 h，進(jìn)行低溫回火處理。采用WDW-20E 材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試馬氏體鋼涂層的室溫拉伸性能，拉伸速率為0.2 mm/min。采用HVS-1000AV 維氏顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)量，載荷為2 N，保壓時(shí)間為10 s。通過(guò)XD-3 型X 射線(xiàn)衍射儀分析其物相結(jié)構(gòu)。

圖1 涂層表面宏觀(guān)形貌

圖2 拉伸試樣尺寸（mm）

2 結(jié)果及討論

2.1 涂層組織

采用掃描電子顯微鏡（SEM）和XD-3 型X 射線(xiàn)衍射儀（XRD）對(duì)熱處理后涂層試樣進(jìn)行了物相分析，其分析結(jié)果如圖3、圖4 所示。由圖3 涂層顯微組織形貌可以看出涂層質(zhì)量良好，無(wú)裂紋、氣孔等缺陷，涂層熱處理后組織為典型的板條狀馬氏體，且馬氏體呈不同方向分布。由圖4 XRD 圖可見(jiàn)，熱處理后涂層組織主要為馬氏體和M23C6，結(jié)果與其他文獻(xiàn)中的馬氏體鋼成分相近[7]。

圖3 涂層顯微組織形貌

圖4 XRD 圖

2.2 拉伸性能

激光熔覆馬氏體鋼試樣拉伸曲線(xiàn)圖如圖5 所示，由圖可知室溫下原始態(tài)試樣抗拉強(qiáng)度為（1475±20）MPa，其塑性較差，呈現(xiàn)脆性斷裂。經(jīng)過(guò)210 ℃低溫回火2 h 后的試樣抗拉強(qiáng)度可達(dá)（1755±15）MPa，屈服強(qiáng)度為（1125±15）MPa，斷后延伸率為（10.5±1.5）%。經(jīng)210 ℃低溫回火后，改善了涂層的強(qiáng)度和塑性，熱處理態(tài)試樣力學(xué)性能優(yōu)于其他文獻(xiàn)報(bào)道[8]。熱處理態(tài)試樣強(qiáng)韌性提高的原因主要有：（1）回火后組織更加細(xì)化；（2）在低溫回火過(guò)程中部分碳元素偏聚對(duì)基體進(jìn)行強(qiáng)化。經(jīng)過(guò)210 ℃回火2 h 馬氏體鋼涂層力學(xué)性能優(yōu)異，在保持高強(qiáng)度的同時(shí)，仍然具有優(yōu)異的塑性。

圖5 拉伸曲線(xiàn)

2.3 顯微硬度

采用HVS-1000AV 維氏顯微硬度計(jì)對(duì)涂層進(jìn)行硬度測(cè)量，涂層的顯微硬度曲線(xiàn)如圖6 所示，從圖中可以看出涂層原始態(tài)與熱處理態(tài)試樣顯微硬度值波動(dòng)較小，說(shuō)明硬度比較均勻。對(duì)涂層原始態(tài)和熱處理態(tài)試樣顯微硬度結(jié)果進(jìn)行分析可得：（1）涂層未進(jìn)行熱處理時(shí)，其組織為高硬度的粗大馬氏體，硬度值較高；（2）熱處理后涂層試樣顯微硬度比原始態(tài)顯微硬度有所降低，這是因?yàn)榻?jīng)低溫回火后，部分碳化物析出導(dǎo)致馬氏體的過(guò)飽和度下降[9，10]。

圖6 顯微硬度曲線(xiàn)

3 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)激光熔覆技術(shù)制備了低成本力學(xué)性能優(yōu)秀的馬氏體鋼涂層，所制備的涂層表面光潔，無(wú)裂紋氣孔等缺陷；（2）涂層的顯微硬度為475～490HV0.2；（3）經(jīng)過(guò)210 ℃低溫回火2 h 的試樣，室溫下抗拉強(qiáng)度可達(dá)（1755±15）MPa，屈服強(qiáng)度為（1125±15）MPa，斷后延伸率為（10.5±1.5）%，能夠在保持高強(qiáng)度的同時(shí)也有較好的塑性，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。