何廣忠，鄭成功，劉偉亮

中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062

0 前言

高速軌道車輛車軸為動車組走行機構的關鍵部件，直接影響軌道車輛的行車安全。在軌道車輛各級維修過程中，都需要進行車軸的熒光磁粉探傷等安全性檢測工作，以避免存在微小疲勞裂紋而導致的服役失效。在車軸服役或檢修過程中，車軸表面容易產生劃傷、磕碰傷等，當劃傷深度超過相關標準規(guī)定時，需要進行報廢處理。因此，針對因較深局部劃傷導致車軸報廢的修復技術及相應的服役可靠性驗證，對于整個行業(yè)具有重要意義。傳統(tǒng)的電弧熔覆修復方式由于熱輸入量大，對基材的服役性能會造成一定程度的影響，在軌道車輛車軸的技術要求中禁止對車軸進行焊接修復。激光增材修復是近年來新興的以激光為能量源的增材制造技術，可嚴格控制熱輸入，熱影響區(qū)小，已得到了普遍的關注和研究應用［1-6］，為軌道車輛行業(yè)相關修復技術提供了優(yōu)選方案［7-10］。

本文主要研究激光功率和掃描速度兩個因子對IN625熔覆EA4T車軸鋼性能的影響，分析工藝參數對材料內部殘余應力及變形的影響、工藝參數與顯微組織及性能的關系、增材修復樣品的應力腐蝕性能測試等，以確定最優(yōu)的車軸激光熔覆工藝。

1 試驗材料和方法

EA4T鋼是一種低碳低合金鋼，主要用于高速列車車軸，其組織由回火索氏體和少量鐵素體組成。樣件選用實際厚度約為20 mm的EA4T車軸切片。熔覆粉末選擇625鎳基粉末，粉末粒度為53～150 μm?；w和625鎳基粉末的化學成分見表1。

選擇10 kW的LDF-10000-100的Laserline半導體激光器進行車軸熔覆試驗，通過前期修復粉料選擇所進行的工藝試驗，本文激光熔覆工藝參數設置為：功率2000W、2500W、3000W三個水平，掃描速度7 mm/s、11 mm/s、15 mm/s三個水平，共9組參數。其他參數固定為：光斑直徑φ5 mm，焦距330 mm，送粉量20 g/min，步進為單道寬的50%，送粉氣（Ar）流量12 L/min，保護氣（Ar）流量15 L/min。

不同工藝參數熔覆后單道及多道單層宏觀形貌及探傷結果如圖1所示。在多道搭接式熔覆過程中，由于首道熔覆時工件的溫度和表面狀態(tài)與后續(xù)熔覆道顯著不同，因此容易導致熔覆寬度、高度、熔深等與其他熔覆道不同。采取首尾道熔覆兩遍、中間道熔覆一遍的方式，使其熔覆厚度始終大于中間的熔覆道，保持宏觀形貌的完整性，單層熔覆厚度約為0.5 mm。由圖1可知，9組熔覆試樣均成形良好，著色探傷表明熔覆試樣無裂紋等缺陷。

圖1 不同工藝熔覆后單道及多道宏觀形貌及探傷結果Fig.1 Macro morphology and flaw detection results of single and multi-channel after cladding by different processes

2 結果分析

2.1 宏觀金相分析

不同工藝參數下多道熔覆后熔深、熔高、HAZ厚度、稀釋率見表2。由表2可知，在相同的掃描速度下，隨著激光功率的增加，熔合區(qū)深度呈現出越來越深的趨勢，熔高也隨功率增加而增大。2 000 W功率制備的熔覆試樣稀釋率均小于20%，較2 500 W、3 000 W制備的熔覆試樣稀釋率小。這是由于功率越大，比能量越大，熱輸入越大，而粉量一定，粉末所需能量是一定的，故作用于基體多余能量越多，導致基材熔化比例增大。

表2 不同工藝下多道熔覆熔高、熔深、HAZ厚度及稀釋率Table 2 Multi-pass melting height，penetration depth，HAZ thickness and dilution ratio under different processes

2.2 顯微硬度

對不同參數制備的熔覆試樣各區(qū)域進行顯微硬度分析，發(fā)現變化趨勢相似，故隨機選擇工藝4單道熔覆進行分析。工藝4從熔覆層表面到基體的顯微硬度分布如圖2、圖3所示，1、2點位于熔覆層及熔深區(qū)域，3、4點位于HAZ區(qū)，5、6點位于基體區(qū)域?？梢钥闯?，熔覆層及熔深區(qū)域顯微硬度與基體硬度相當，在200～250 HV范圍內，HAZ區(qū)域硬度明顯高于基體硬度，為450～650 HV，這是HAZ區(qū)域發(fā)生相變硬化及細晶強化所致，而熔覆層和熔深區(qū)域發(fā)生的是液化凝固，形成的是柱狀晶和等軸晶鑄態(tài)組織，以及由于625鎳基粉末（20 HRC，相當于230 HV）和基體本身硬度低，導致熔覆層及熔深層硬度不高。

圖2 工藝4制備單道熔覆試樣熔覆層到基材顯微硬度變化及測量位置Fig.2 Microhardness change and measurement position from cladding layer to substrate prepared by process 4

圖3 不同工藝下熔覆各區(qū)域顯微硬度Fig.3 Macrohardness of the defferent deposition processes

2.3 微觀金相組織

由于激光熔覆屬于快熔快冷快凝過程，熔覆組織具有一定耐蝕性，故用FeCl3溶液對試樣進行腐蝕。工藝4的多道熔覆試樣顯微組織如圖4所示。

圖4 工藝4制備多道熔覆樣顯微組織Fig.4 Microstructure of multi-channel cladding sample prepared by process 4

由圖4a、4b可知，熔覆層及熔深區(qū)域組織為具有一定取向的柱狀晶和胞狀晶，其取向垂直于液固界面向上生長；由圖4c、4d可知，搭接底部有明顯的輪廓痕跡（見圖中虛線），一定長度之后的輪廓基本看不見，兩道之間熔為一體，同時柱狀晶及胞狀晶的取向并未改變，保持其外延生長的特性。

為了觀察HAZ區(qū)顯微組織，用4%硝酸酒精腐蝕觀察面，HAZ區(qū)及基體顯微組織如圖5所示。

圖5 HAZ及基體顯微組織Fig.5 Microstructure of HAZ and matrix

由圖5a可知，HAZ區(qū)組織具有明顯的分層現象；由圖5b、5c可知，HAZ區(qū)上部是尺寸大小不等的板條馬氏體，這是由于該區(qū)域冷速快，超過馬氏體相變臨界冷卻速度，從而形成了馬氏體；由圖5d、5e可知，HAZ區(qū)中部及下部是晶粒細小的鐵素體、貝氏體以及回火馬氏體；由圖5f～5h可知，基體區(qū)組織由晶粒大的鐵素體、珠光體、貝氏體組成，同時發(fā)現基體組織中存在尺寸不等的氣孔，個別大的氣孔尺寸在40 μm左右，多數在20 μm以內，如圖中白色箭頭所示。

3 力學性能檢測

針對上述9組工藝參數，通過對稀釋率、氣孔直徑、是否熔合良好、硬度、HAZ厚度、微觀組織、外觀進行評判，選擇工藝1、工藝2、工藝4、工藝5、工藝7這5組較優(yōu)參數進行力學性能試驗，分別進行熔覆制樣，如圖6所示?？紤]到修復車軸的力學性能需要綜合考慮基材和熔覆層的共同影響，本文采用半增材試樣進行試驗，半增材試樣指試樣厚度一半是IN625粉末，另一半是基材EA4T材料。

圖6 拉伸試樣和沖擊試樣堆積宏觀形貌Fig.6 Stacked maroscopic morphology of the tensile speciment and the impact speciment

3.1 拉伸性能

利用CMT-5205電子萬能試驗機檢測半增材試樣和基材的拉伸性能，其中拉伸試樣尺寸按照ASTM E8標準執(zhí)行，拉伸速率為5 mm/min。5組工藝半增材及基材的上屈服強度和抗拉強度如圖7所示?？梢钥闯觯噍^基材的上屈服強度和抗拉強度，工藝2的上屈服強度和抗拉強度均為最大。

圖7 5組工藝半增材及基材的上屈服強度和抗拉強度Fig.7 Upper yield strength and tensile strength of semi additive and base material in 5 groups of processes

圖8為5組工藝半增材及基材的延伸率，可以看出，工藝2的延伸率也是最大。

圖8 5組工藝半增材及基材的延伸率Fig.8 Elongation of semi additive and base material in 5 groups of processes

對比發(fā)現5種不同工藝制備的半增材試樣的上屈服強度、抗拉強度和延伸率均高于基材，且工藝2制備的半增半基試樣拉伸性能最好。

3.2 沖擊性能

利用Zwick rkp450擺錘沖擊試驗機檢測半增材試樣和基材的低溫沖擊性能，試驗環(huán)境-40℃，擺錘能量450 J。

不同工藝及基材的沖擊吸收功如圖9所示?？梢钥闯觯朐霾脑嚇拥臎_擊吸收功均小于基材沖擊吸收功，但其最小沖擊功為60 J，仍高于標準下限要求的40 J，滿足要求。其中工藝1制備的半增材試樣沖擊功最大為90 J，工藝2制備的半增材試樣沖擊功次之為80 J，兩者之間差值在10 J，結合拉伸試驗結果，最終選定工藝2（功率2 000 W，掃描速度11 mm/s）作為最優(yōu)工藝。

圖9 不同工藝及基材的沖擊吸收功Fig.9 Impact absorption energy of different processes and substrates

3.3 應力腐蝕

采用最優(yōu)工藝制備半增材試樣，將基材試樣和半增材試樣放置沸騰MgCl2腐蝕液中3 h后觀察其宏觀形貌，如圖10所示。由圖10可知，基材試樣和半增材試樣在沸騰MgCl2腐蝕液中均未發(fā)生應力腐蝕開裂。

圖10 基材試樣和半增材試樣應力腐蝕形貌Fig.10 Stress corrosion shape of base material sample and semi additive sample

3.4 疲勞試驗

采用最優(yōu)工藝參數2制備半增半基熔覆試樣，檢測其高周疲勞性能。在室溫下進行疲勞試驗，采用縱向拉-拉加載方式，應力循環(huán)曲線為正弦曲線，拉-拉載荷應力比為0.1，循環(huán)基數為107，振動頻率100 Hz。

通過升降法測定基材的疲勞循環(huán)次數，然后用基材的疲勞循環(huán)次數近百萬次左右的應力值作為半增半基的恒定應力，測定半增半基試樣在恒定應力水平下的振動循環(huán)次數，并與基材進行對比。不同應力水平下基材的振動循環(huán)次數如表3所示。

表3 不同應力水平下基材的振動循環(huán)次數Table 3 Vibration cycle times of substrate under different stress levels

由表3可知，當應力水平低于560 MPa時，基材的振動循環(huán)次數達到設定的107次而未斷裂；當應力水平高于600 MPa時，隨著應力水平增高，基材的振動循環(huán)次數逐漸降低。由于應力水平600 MPa時振動循環(huán)次數為8.87×105次，應力水平560 MPa時振動循環(huán)次數大于107次，兩者只差40 MPa，故選擇600 MPa作為半增材試樣的應力水平。

表4是半增材熔覆試樣在恒定應力水平600 MPa下的循環(huán)次數。由表4可知，經過多次重復試驗，在恒定應力水平600 MPa下，半增半基熔覆試樣的循環(huán)次數在60萬～120萬次波動，其平均循環(huán)次數為90萬次，與基材的88.7萬次相似，可見在同一應力水平下，在EA4T車軸上熔覆IN625鎳基粉末材料，其疲勞壽命與基材相當。

表4 恒定應力水平600 MPa下半增半基熔覆試樣的振動循環(huán)次數Table 4 Vibration cycle times of half increased and half base cladding specimen under constant stress level 600 MPa

4 結論與展望

（1）不同工藝的EA4T車軸熔覆試樣均成形良好，無裂紋等缺陷。熔覆層及熔深區(qū)域組織為具有一定取向的柱狀晶和胞狀晶，生長方向垂直熔池液固界面朝著熔池內部生長且具有外延生長特性，HAZ從熔池邊緣到基體區(qū)組織依次為板條馬氏體、回火馬氏體+晶粒細小的鐵素體+貝氏體、晶粒較大的鐵素體+貝氏體。

（2）工藝2（功率2 500 W，掃描速度11 mm/s，光斑直徑5 mm，送粉量20 g/min，步進量為單道熔寬的50%）為最優(yōu)工藝，其半增材試樣的拉伸性能和沖擊性能均為幾組工藝中最優(yōu)，且上屈服強度、抗拉強度和延伸率高于基材，沖擊功為80 J，低于基材沖擊功94 J，但高于標準要求的40 J。

（3）對于最優(yōu)工藝制備的熔覆層，在沸騰MgCl2溶液中，最優(yōu)工藝制備的半增半基熔覆試樣與基材均未出現應力腐蝕開裂；在同應力水平下，IN625鎳基粉末熔覆與基材的疲勞壽命相當。

（4）后續(xù)將針對整根車軸進行熔覆試驗，進一步開展加工后的車軸熔覆層的殘余應力測試，以及整根車軸的疲勞性能測試和服役性能測試。