45钢SiC粉激光表面熔覆层的组织与性能研究.doc

45钢SiC粉激光表面熔覆层的组织与性能研究摘要：本课题的主要目的是研究45钢表面激光熔覆SiC-Ti涂层，熔覆后组织与性能的变化。其中以功率的改变对熔覆组织的影响为研究重点。本课题研究结果对于改善材料的性能提供了良好的理论基础，同时为利用廉价金属来满足更高性能的要求，从而降低原材料成本具有重要的实际意义。本课题实验材料是45钢、SiC粉和Ti粉。先将SiC粉和Ti粉混合制备好熔覆层涂在基体表面，然后在不同的激光功率下进行激光熔覆实验，最后进行金相观察熔覆后组织。熔覆后的组织分为熔覆层、过渡层和基体组织，随着激光功率的增加，熔覆层和过渡层的宽度逐渐增加。相对于激光功率为1.4Kw和1.8Kw，激光功率为1.6Kw时，熔覆组织中未熔的SiC颗粒和柱状晶较少，得到较好的熔覆组织。关键词：激光熔覆；激光功率；45钢；SiC+Ti粉；显微组织Study of the properties and microstructure on 45 SiC powder laser cladding of steel Zhang Xiao Supervisor：Xiao Yahang(Baoji University of Arts and Sciences, Department of Electrical and Mechanical Engineering, Materials forming and control engineering, Shaanxi Baoji, 721016)Abstract: The main purpose of this project is to study 45 steel surface of laser cladding SiC - Ti after coating, cladding microstructure and properties of change. Among them with the power to change the influence of the cladding organization for the research focus. This topic research results to improve the properties of materials provided a theoretical foundation, at the same time to take advantage of cheap metal to meet higher performance requirements, thus reduce raw material cost has important practical significance. This topic experiment material is 45 steel, SiC powder and Ti powder. First will SiC powder and Ti powder mixture preparation good cladding layer coated in the surface of the matrix, and then in the laser power under different laser cladding experiment, finally after metalloscope observation cladding organization. The organization is divided into cladding layer cladding layer, the transition matrix organization, as with the increase of the laser power, cladding layer and the width of the transition layers increase gradually. Relative to the laser power of 1.4 Kw and 1.8 Kw, laser power is 1.6 Kw, the cladding organization of SiC particles and not melt less columnar crystal, get better cladding organization. Keywords: laser cladding; Laser power; 45 steel; SiC + Ti powder; microstructure 目 录1前言11.1金属材料表面熔融强化技术的研究现状11.1.1金属材料表面堆焊强化技术的研究现状11.1.2金属材料表面热喷涂强化技术的研究现状21.1.3钢基材料热熔凝强化技术的研究现状41.2本课题研究的内容61.2.1研究背景及意义61.2.2研究内容82实验方案的确定82.1实验材料的选择82.2实验工艺参数的确定92.3研究技术路线113实验方法133.1实验材料及仪器设备133.1.1本课题所用到的实验材料133.1.2本课题所用到的实验设备133.2激光处理前试样的制备143.2.1基体材料的处理143.2.2涂覆层的预置143.3金相组织观察144实验结果及分析164.1不同功率下熔覆层的表像及分析164.2不同功率下熔覆层和过渡层的微观组织分析164.3不同功率下熔覆层以及过渡层的宽度分析194.3.1不同功率下熔覆层的宽度及分析194.3.2不同功率下过渡层的宽度及分析195结论20参考文献21谢辞221前言1.1金属材料表面熔融强化技术的研究现状表面熔融强化技术就是利用热源将熔融或软化的强化材料熔覆到基体表面，使基体表面强化和表面防护的一项表面强化技术，是表面工程中的一项重要技术。可将其分为堆焊技术和热喷涂技术1。随着现代工业的发展，对机械产品零件表面的性能要求越来越高，要求能在高速、高温、高压、重载荷以及腐蚀介质工况下可靠持续地工作，这就对制造技术提出了挑战。一般金属材料在经过表面强化后，在许多场合可以替代贵重的金属材料，甚至由于表面性能的改善，延长了机械产品的使用寿命，提高了生产力，减少了环境污染。表面熔融强化技术能直接针对许多贵重金属零部件的失效原因，实行局部表面强化、修复、预保护，以达到延长寿命或重新恢复使用价值的目的2。如果再考虑在能源、原材料和因腐蚀、磨损所造成的停产费用，其经济效益和社会效益是巨大的3。1.1.1金属材料表面堆焊强化技术的研究现状堆焊是指将具有一定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔覆在母体材料的表面，以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸，是用焊接的方法，即利用火焰、电弧、等离子弧等热源将堆焊材料熔化，靠自身重力在工件表面堆覆成耐磨、耐蚀、耐热涂层的工艺方法2。堆焊可分为以下四种：包层堆焊，当焊件表面与腐蚀介质接触时,为使其表面具有耐腐蚀性,而在碳钢或合金钢母材上堆焊一定厚度的填充金属层；耐磨堆焊，为减轻焊件表面磨粒磨损、冲击、腐蚀、气蚀而采用的堆焊层；增厚堆焊，在焊件表面、接头边缘或者先前熔敷的金属上为恢复构件所要求的尺寸而添加焊缝金属；隔离层堆焊，焊接异种材料或有特殊要求的材料时,为保证接头质量和性能,预先在母材表面(或坡口面)上熔覆的一定成分的金属层称隔离层（熔覆隔离层的工艺过程称隔离层堆焊）2-3。堆焊既可用于修复材料因服役而导致的失效部位，亦可用于强化材料或零件的表面，其目的都在于延长零件的使用寿命、节约贵重材料、降低制造成本。因此，国内外制造业对堆焊技术的发展十分重视，各工业发达国家的相关学术机构设置了专门委员会，以协调和促进堆焊技术的发展。堆焊技术的显著特点是堆焊层与母材具有典型的冶金结合，堆焊层在服役过程中的剥落倾向小，而且可以根据服役性能选择或设计堆焊合金，使材料或零件表面具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、耐辐射等性能，在工艺上有很大的灵活性。我国堆焊专家围绕提高堆焊质量和效率开展大量工作。堆焊方面，相继开发了电弧堆焊（单丝、多丝、单带极、多带极）、电渣堆焊（窄带极、宽带极、躺极）、MIG堆焊、等离子弧粉末堆焊、高能光束（激光、聚焦光束）粉末堆焊等。就熔覆效率而言，已从单丝电弧堆焊的11发展到多极电弧堆焊的70【4】，而稀释率从电弧堆焊的30%60%低到等离子弧、激光、聚焦光束堆焊的5%左右【5】。堆焊材料方面，针对被修复零件的服役要求，相继开发了耐磨的硬质合金复合堆焊材料，耐冷热疲劳的及镍马氏体时效钢等模具堆焊材料，以及用于轧辊修复的低合金钢堆焊材料（30Cr，MnSi，40CrMn）、热作模具钢堆焊材(3Cr2W8,Cr5Mo)、弥散硬化钢堆焊材料（15Cr3Mo2MnV，25Cr5WmoV,27Cr3Mo2W2MnVSi）、马氏体不锈钢堆焊材料(1Cr13NiMo配SJ11烧结焊剂，0Cr14Ni2Si配SJ11烧结焊剂)等。在堆焊材料的使用形式方面，已从堆焊发展初期的以焊条为主转向焊条、实心焊丝配焊剂、焊带配焊剂、药芯焊丝及粉末等多种使用形式，而且药芯焊丝的使用比例呈逐年增长趋势。堆焊技术在我国历经50年的发展历程，其应用遍及基础工业诸领域。我国在堆焊基础理论的研究方面与国外工业发达国家相比并不逊色，但堆焊材料的开发、堆焊设备的自动化和智能化水平、精密高效堆焊技术的应用水平等方面与国外存在一定差距，堆焊材料方面的突出特点是“焊条多焊丝少、熔炼焊剂多烧结焊剂少、实心焊丝多药芯焊丝少”，而堆焊设备方面的现状则是“改装设备多专用设备少、机械化设备多智能化设备少”，研究开发优质、高效、低耗、灵活、清洁的先进堆焊技术，并将其广泛应用于先进制造业亟待发展和提高。1.1.2金属材料表面热喷涂强化技术的研究现状热喷涂技术是利用各种热源，将欲喷涂的固体涂层材料加热至熔化或熔融状态，借助于高速气流的雾化效果使其形成微细熔滴，喷射沉积到经过预处理的工件基体表面形成覆盖层，以提高工件耐蚀、耐磨、耐热等性能的新兴表面工程技术热喷涂的一般原理2。在热喷涂过程中，一般经历四个阶段：喷涂材料(粉末、线材等)在喷涂枪中被加热、熔化或软化；熔化的喷涂材料被雾化；熔化或软化的微细颗粒的喷射飞行；粒子在基材表面发生碰撞、变形、凝固和堆积。涂层与基材表面之间的结合以及涂层颗粒之间的结合相同，均为物理化学结合，包括以下几种类型：机械结合；冶金化学结合；物理结合5。热喷涂技术根据热源不同和喷涂材料不同来分类的，根据热源不同可分为以下几种：电弧喷涂，火焰喷涂，激光喷涂。根据材料不同可分为以下几类：丝材喷涂（所喷涂的材料是丝材），粉末喷涂（所喷涂材料是金属或合金粉末、陶瓷粉末、塑料粉末等），棒材喷涂(一般所用尺寸为6600mm) 。热喷涂材料一般具有这几种工艺性能：稳定性好；粉末材料应具有良好的流动性，良好的润湿性；形成涂层的线膨胀系数应尽可能与基材相近，便于涂层形成不产生龟裂有利于形成致密的，平整光滑，结合强度高的涂层2-4。 随着热喷涂技术的飞速发展，在传统喷涂技术基础上出现了等离子喷涂，利用等离子弧的热能将引入的喷涂粉末加热到熔融或半熔融状态，并在高速等离子焰的作用下，高速撞击工件表面，并沉积在经过粗糙处理的工件表面形成很薄的涂层。涂层与母材的结合主要是机械结合（高温下不分解的任何材料皆可作为喷涂材料以获得各种特殊性能的图层）。超音速电弧, 是利用两根连续送进的金属丝作为自耗电极，在其端部产生电弧作为热源，用压缩空气将熔化了的丝材雾化，并以超音速喷向工作件形成一种结合强度高、孔隙率低、表面粗糙度低的涂层的热喷涂方法。这两种方法所得表面涂层的工艺性能更佳，具有更加广泛的应用范围。我国热喷涂技术近期发展的概况及特点是：设备方面（喷枪）向高能、高速度方向发展；材料方面向系列化、标准化、商品化方向发展，以保证多功能高质量涂层的需要；工艺方面向机械化、自动化方向发展，如计算机控制、机械手操作等。目前，国内外的热喷涂设备正朝着高能、高速、高效发展的同时，轴向送粉技术多功能集成技术和实时控制技术也将成为热喷涂设备的发展方向。设备的不断发展将使可喷涂材料的范围更广，制备纳米、非晶、导热、催化、导电、绝缘、超导、身等功能涂层将成为热喷涂研究的热点。利用各种在线监测技术确定粉末在喷涂过程中的流体动力学特征，建立喷涂粒子的温度场和速度场，深入理解涂层的形成过程，从而得出各个喷涂参数对涂层结构和性能的影响规律。采用各种先进的声、光、电无损检测技术，对涂层性能进行在线诊断，评估涂层质量和预测涂层寿命，是未来热喷涂涂层质量监控的重要研究方向。1.1.3钢基材料热熔凝强化技术的研究现状随着金属材料表面热熔凝强化技术的发展，在堆焊、热喷涂等传统表面处理技术上, 又出现了激光熔覆技术。该技术可显著改善金属表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能，具有诸多优点, 如适用的材料体系广泛、熔覆层稀释率可控、熔覆层与基体为冶金结合、基体热变形小、工艺易于实现自动化等。因此, 20 世纪80年代以来, 激光熔覆技术得到了国内外的广泛重视, 并已在诸多工业领域获得应用。激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、 抗氧化及电器特性等的工艺方法6。钢表面进行激光合金化及熔覆处理是目前研究和应用最广的领域。在钢表面进行熔覆处理的熔覆材料最常用的是 Fe基、Co基与 Ni基等。刘志勤等7研究人员研究了在45钢表面制备Co-TiC-WC金属陶瓷复合层， 硬度和耐磨性高。周二华等8研究人员在 Q235 钢表面制备了Fe-Co金属陶瓷复合层， 并研制了一种适用于激光熔覆的 Cu基合金和SiC的复合粉。一方面兼顾Cu基合金的优良性能， 另一方面通过加入SiC改善组织， 提高覆层的硬度和耐磨性。近十年来， 激光熔覆强化钢基表面的研究发展很快， 有些已在国内生产实际中推广应用。但这些研究者较多集中在钢基表面上熔覆金属粉末合金，也有一些熔覆陶瓷材料。陶瓷材料具有高的耐酸碱性， 高抗氧化性、 高硬度、 耐磨性,固溶于晶内、 晶界或其附近，甚至能形成金属间化合物RE2Fe17； 经过稀土和激光熔覆处理的表面具有较高的耐蚀性能。石世宏等9在耐酸不锈钢基体上激光熔覆 Co基合金，得到的熔层与等离子焊层对比， 激光熔层缺陷率低，成品率高，其组织细密均匀，晶粒细小，成分稀释率更小，对基体热影响小，熔层硬度与强韧性提高。性能试验表明：激光熔覆层具有更高的耐蚀性能。激光处理已逐渐成为提高材料耐腐蚀性的有效表面处理的方法。钢基材料进行激光熔覆发展很快，国内有许多学者在进行研究。陈惠芬等10激光熔覆生物陶瓷材料的研究起步虽然较晚, 但发展非常速, 是一个前景广阔的研究方向。陈惠芬等10在 16Mn 钢表面熔Fe2Cr2N自熔性合金粉末,结果表明熔覆层组织是树枝晶和胞状晶, 熔覆层以非平衡( Fe、Cr)相和( Fe、 Ni)相存在。张锦英等11在 12Cr2Ni4A 钢表面激光熔覆 FeCSiB+ V( + Ti)合金粉末, 研究了加 V 及复合加V 和 Ti 时激光熔覆涂层的组织和性能。结果表明: 熔覆层显微属基复合涂层,它将金属的强韧性、 良好的工艺性和陶瓷材料优异的耐磨、 耐蚀、 耐高温和抗氧化特性有机结合起来, 是目前激光熔覆技术领域研究发展的热点。目前应用和研究较多的复合粉末体系主要包括: 碳化物合金粉末(如 WC、 SiC、 TiC、 B4C、Cr 3C2 等)、 氧化物合金粉末(如 Al2O3、 Zr2O3、 T iO2 等)、 氮化物合金粉末( TiN、 Si3N4 等)、 硼化物合金粉末、 硅化物合金粉末等。其中,碳化物合金粉末和氧化物合金粉末研究和应用最多,主要应用于制备耐磨涂层。复合粉末中的碳化物颗粒可以直接加入激光熔池或者直接与金属粉末混合成混合粉末, 但更有效的是以包覆型粉末(如镍包碳化物、 钴包碳化物)的形式加入。在激光熔覆过程中,包覆型粉末的包覆金属对芯核碳化物能起到有效保护、 减弱高能激光与碳化物的直接作用, 可有效减弱或避免碳化物发生烧损、 失碳、 挥发等现象。吴莹等12在 Q235 钢基体上激光熔覆添加有 WC 的 Ni 基合金。研究表明,当添加 WC 低于 30%时, 激光熔覆不出现裂纹,而当 WC 质量分数增加到 30%时, 熔覆层平均硬度增加, 出现裂纹。熔覆层中 WC 完全熔化并溶解, 凝固组织主要由枝晶和枝晶间共晶组成,熔覆层呈胞状或条带状快凝亚稳的两相组织。张维平等13用激光熔覆在中碳钢表面原位合成硬质陶瓷颗粒增强金属基复合材料涂层,该涂层由粘结金属基体和弥散分布于其中的稳定和亚稳定硬质颗粒增强相组成, 相对于中碳钢基体强化效果显著。研究表明:涂层中存在细晶强化、 硬质颗粒弥散强化、 固溶强化和位错堆积强化等强化机制。吴萍等14在 A3钢上熔覆 Ni2 -WC 复合涂层, 研究了不同激光功率下复合涂层中WC 颗粒的形貌与分布及其对涂层耐磨性能的影响。结果表明,在 Ni2-WC 复合涂层中,合理的激光功率使 WC 颗粒部分熔化,并在颗粒周围重新凝固且析出针状碳化物,这既有利于提高涂层的硬度又能使未熔化的 WC 颗粒与涂层基体合金牢固结合。斯松华等15在 16Mn 钢上熔覆 Ni 基 B4C 复合粉末,发现添加的 B4C 颗粒对激光熔覆涂层也起到了细晶强化、固溶强化及第二相强化的增强作用, 激光熔覆 NiB4C 复合合金粉末涂层的硬度和耐磨性都明显高于 Ni60 涂层。张大伟等16在低碳马氏体不锈钢上激光熔覆添加 Cr3C2 和 WC 颗粒的镍基粉末,发现前者中 Cr3C2 颗粒完全溶解, 熔覆层组织由包覆 C2M7C3 共晶的奥氏体枝晶组成, 后者熔覆层组织由弥散分布的不完全溶解 WC 颗粒增强体组成。何宜柱等17在低碳钢表面激光熔覆添加了 25% Cr3C2 的 Co60 合金涂层, 通过与未添加Cr 3C2 的 Co60 合金熔覆层对比, 发现添加的Cr3C2 改变了Co60 涂层的凝固特征, Co60 涂层的亚共晶结晶方式转变为Cr 3C2 / Co 涂层的过共晶结晶方式, 未熔 Cr3C2 粒子起到了非自发形核作用,在其周围形成了许多富 Cr碳化物, 并细化了涂层枝晶组织,同时发现 Cr 3C2 / Co 涂层的显微硬度以及在不同腐蚀介质中的耐磨性比Co60涂层都有明显提高。唐人剑等18用激光重熔等离子喷涂锌铝铜基 Al2O3陶瓷复合层, 结果表明,等离子喷涂Al2O3 陶瓷涂层主要由等轴晶状的A2Al2O3陶瓷相组成,长条状的 C2Al2O3 陶瓷相量较少,主要分布在 A2Al2O3 陶瓷相的相界面和几A2Al2O3陶瓷相晶粒的交汇处, 激光重熔后基体相树枝晶得到明显细化, 熔池区只存在单一的 D 2Al2O3陶瓷相,原A 2Al2O3 陶瓷相、C2Al2O3陶瓷相均转变为 D2Al2O3陶瓷相,陶瓷颗粒独立地分布于基体相中,表层陶瓷颗粒数目众多,并有局部富集现象,次表层次之, 而在过渡区只能偶尔发现。1.2本课题研究的内容1.2.1研究背景及意义本课题研究的是激光熔覆技术。目前，激光熔覆技术在激光熔覆理论、物理数学模型、合金材料、工艺参数、涂层组织性能研究，设备自动化、柔性化、熔覆过程监控，专用功能部件的研制以及生产应用方面取得重要进展。因此，激光熔覆技术不仅引起西方各国的关注，也同时引起了国内的广泛关注被广泛的应用于航天、汽车、化工、石油、冶金、电力、机械、工模具和轻工业领域等。随着控制技术以及计算机技术的发展,激光熔覆技术越来越向智能化、自动化方向前进。国外在这方面做的比较好。从直线和旋转的一维激光熔覆,经过X和Y两个方向同时运动的二维熔覆,到上世纪90年代初开始向三维同时运动熔覆构造金属零件发展。如今,已经把激光器、五轴联动数控激光加工机、外光路系统、自动化可调合金粉末输送系统(也可送丝)、专用CAD/CAM软件和全过程参数检测系统,集成构筑了闭环控制系统,直接制造出金属零件。标志着激光熔覆技术的发展登上了新的台阶。各国在激光控制方面的研究的新成果往往都以专利的形式进行保护, 如高质量的同轴送粉熔覆系统以及闭环反馈控制系统等。国内西北工业大学、清华大学、北京工业大学、上海交通大学和中国科学院等单位在激光熔覆过程控制方面做了许多研究工作,国内还有许多单位正在积极开展这方面的研究工作5。清华大学机械系激光加工研究中心己研制出适合于直接制造金属零件的各种规格的同轴送粉喷嘴和自动送粉器,已申请相关发明专利两项。中科院已经开发出集成化激光智能加工系统。但相对国外的研究和开发水平,国内在控制方面的研究还处在起步阶段,控制措施和手段还不完善。对激光熔覆融池温度的闭环控制鲜有报道,对熔覆质量的闭环控制系统研究的并不充分。可见，激光熔覆技术在国内有很大的发展空间。在实际生产中，人们正越来越多的考虑使用这一技术。例如，机械零件的失效多数发生在零件的表面或者是从表面开始的，因此表面涂层技术开始被人们关注。与传统的表面强化技术，如热喷焊、堆焊、PVD等相比，激光熔覆技术以其具有快速凝固，使组织细化；涂层与基体呈冶金结合；在耐磨、抗蚀、热障等涂层制备方面显示出良好的应用前景。陶瓷颗粒增强金属基复合材料(CPRMMC)兼有金属性能(塑性和韧性)和增强相优点(高硬度、高模量)，具有高强度、高模量和低膨胀系数和更高的使用温度、热稳定性以及抗磨损性能，以及高的导热系数与导电率等优点，具有广阔的应用前景19。于是，激光熔覆金属陶瓷技术得到了世界各国的广泛注意和研究。虽然激光熔覆技术取得很大发展，但仍然存在许多问题。目前激光熔覆仍然停留在工艺参数和微观组织的研究上，无论是国内还是国外，目前对激光熔覆的研究相当部分只限于在各种各样的基体材料上熔覆各种各样材料或几种混合熔覆材料，然后对激光熔覆层的显微组织、耐磨性以及耐腐性等性能进行定性研究。而对不同工艺参数(激光功率、功率分布、激光扫描速度、光束直径、搭接率、外部环境影响、有无辅助气体及其种类和成份、熔覆材料特性)的条件下，对激光熔覆加工系统稳定性和加工过程参数的作用规律和决策机制、从定性认识到定量的控制的研究以及激光熔覆高精度高质量加工系统信息的获取、处理、融合研究较少 。还有裂纹是大面积激光熔覆技术中最棘手的问题，这是由于激光熔覆时快速加热和冷却，凝固过程中不可能有足够的液体金属补充，以及在随后的固态冷却收缩过程中受到周围较冷基材束缚，造成的这些应力往往难以得到释放，而一旦释放就会造成裂纹。激光熔覆中，材料间热膨胀系数、弹性模量的明显差别及激光熔池区域的温度梯度所决定的热应力是裂纹形成的根源，而熔覆层成分与组织梯度导致的微观应力则促使裂纹扩展。要彻底解决熔覆层开裂问题，应从更微观的角度人手，分析裂纹的形成过程。目前我国有些专家在熔覆层中加人不锈钢网，降低了熔覆层中的应力值，控制了熔覆层中的裂纹。还有人提出了激光感应复合快速熔覆的新方法，研究发现，该方法不仅使熔覆效率大大提高，而且获得了无裂纹的金属陶瓷复合涂层。激光熔覆层的材料一直是制约激光熔覆技术应用的重要因素。目前，激光熔覆材料存在的主要问题是激光熔覆专用材料体系较少，缺乏系列化的专用粉末材料，缺少熔覆材料评价和应用标准。现在国内许多高校和研究单位已经开展了激光熔覆专用粉末材料的研究。但激光熔覆的应用是不容忽视的。激光熔覆技术应用到表面处理上,可以极大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳等机械性能,可以极大提高材料的使用寿命。激光熔覆的作用不仅仅是提高材料表面层的性能，而且还赋予它新的性能，并且降低制造成本和能量消耗，还可以用于废品件的处理和节约有限的战略金属元素5。近些年，激光熔覆原位CPRMMC涂层等技术的产生又加快了激光熔覆技术的发展，可以预见，未来若干年内，激光熔覆技术将是人们对材料改性的最重要技术之一。1.2.2研究内容本课题研究的是激光熔覆金属陶瓷技术 。采用的基体材料是常用的钢材45钢，用SiC粉作为涂覆材料，以不同激光功率对涂覆层组织性能的影响为研究重点。主要内容有：(1)研究在45钢表面激光熔覆SiC-Ti涂层，熔覆后的组织相对于基体组织的变化情况； (2)研究在45钢表面激光熔覆SiC-Ti涂层获得较好的熔覆组织的激光工艺参数；(3)研究在不同的激光功率下，在45钢表面激光熔覆SiC-Ti涂层所获得熔覆层的宽度变化；（4）研究在不同的激光功率下，在45钢表面激光熔覆SiC-Ti涂层所获得过渡层的宽度变化。2实验方案的确定2.1实验材料的选择激光熔覆常用的熔覆材料有许多种，如自熔剂合金（一般含有B、Si元素的镍基、铁基、钴基合金）和陶瓷材料（Al2O3、TiO2、Cr2O3、ZrO2等）。而在钢基表面进行熔覆处理的熔覆材料最常用的是Ni基、Co基、Si基合金等20。国内研究人员研究了在45钢表面制备Co-TiC-WC金属陶瓷复合层，硬度和耐磨性高，在Q235钢表面制备了Fe-WC金属陶瓷复合层，并且研制了一种适合激光熔覆的Cu基合金和SiC的复合粉22。一些碳化物WC、SiC、BC与金属组成陶瓷粉末，成为现在最常用的研究材料。 金属陶瓷材料具有高的耐酸碱性，高的抗氧化性、高硬度、耐磨性好、高的抗压强度和低导热系数等特性，但金属陶瓷在激光熔覆中，由于涂层陶瓷和金属基体的热膨胀系数差别大熔覆层凝固收缩受到基体的阻碍，因此，在熔覆层内存在拉应力，这种应力的存在会导致基体变形，并在熔覆层内产生与激光熔覆方向正交的裂纹8。如果将金属的强韧性和好的工艺性与金属陶瓷的优异特性有机地结合起来，就是用陶瓷粉末与低熔点金属按一定的比例均匀混合作为陶瓷粉末之间以及陶瓷粉末与基体之间的粘结金属，然后在低质的碳钢表面进行激光熔覆，可得到致密无缺的金属陶瓷复合材料熔覆层，从而大大提高了工件性能，显示了激光熔覆的巨大潜力21。本课题采用的是金属陶瓷粉末。采用的是SiC粉与金属Ti粉的粘合，即SiC-Ti系，可以有效的防止由于涂层陶瓷和金属基体的热膨胀系数差别大熔覆层凝固收缩受到基体的阻碍。本课题基体材料已选好，为45钢。2.2实验工艺参数的确定激光功率P（Kw）、光斑直径（mm）、扫描速度（mm/min）是保证合金熔池发生熔化的工艺参数，同时考虑熔体凝固时将SiC包裹20，SiC粉颗粒越细，熔覆效果越好21。激光熔覆在一定的工艺参数下进行。一般来说，激光功率P=12.5Kw、光斑直径d=35mm、扫描速度v=200500mm/min10。若采用预置法，则SiC粉的厚度为1mm。所谓预置法就是用粘结剂将金属粉末调和成膏状涂在金属基体表面。在这一工艺参数范围内可以获得较高质量的表面和界面结合较理想的熔覆层。激光熔覆工艺参数对熔覆层质量有着极为重要的影响。熔覆层质量分为宏观熔覆层质量和微观熔覆层质量两个方面。宏观熔覆层质量包括熔覆层的几何尺寸(高度H、宽度W )、表面粗糙程度以及熔覆层表面是否有裂纹和气孔等缺陷。熔覆层微观质量包括熔覆层的化学成分、稀释率、界面结合状况、组织结构、应力分布状况等。尽管影响激光熔覆层质量的因素很多, 但实际上可调节的激光熔覆工艺参数并不多。主要原因是激光器一旦被选定, 激光系统的特性也就确定下来了, 所以在具体操作时激光器本身可以调节的工艺参数是很有限的22。因此, 从以下几个方面介绍激光熔覆工艺参数对熔覆层质量的影响。以便来确定工艺参数。激光功率和合金熔化量成正比关系, 随着激光功率的增大, 合金熔化量增大,因此气孔产生的机率随之增大, 涂层深度也随之增大, 周围的金属液体不断从气孔流入, 气孔减少或消除, 裂纹减小。如果涂层深度达到极限深度后, 随着功率的增大, 等离子体也正比增大, 基材表面温度迅速升高, 熔覆层变形和裂纹现象就不可避免了。激光功率对熔覆层质量的影响很大, 要想尽量避免气孔和开裂现象, 要选择合适的激光功率值。熔覆层单位面积所需能量叫做能量密度E, 又称激光比能, 其计算公式为：E = P /DVb式中P为激光束功率, D为激光束光斑直径，Vb为激光扫描速度23 。 国内外研究表明, 激光比能E 过低, 导致稀释率太小, 熔覆层和基体结合不牢, 容易剥落, 熔覆层表面出现局部起球、空洞等外观缺陷。激光比能E过高, 导致稀释率太大, 严重降低熔覆层的耐磨、耐蚀性能, 熔覆材料过烧、蒸发,表面呈散裂状, 涂层不平度增加。激光比能E 适中, 稀释率控制在比较合适的范围, 此时因工艺参数之间匹配良好, 熔覆层质量优良, 与基体结合牢固。随着激光功率增加, 由于激光束中心的功率密度最高, 热量集中, 所以使热影响区扩散形成深孔, 涂层深度增加。当涂层深度达到极限深度后, 随着功率提高, 起等离子体增多, 基体表面温度升高, 加剧变形和开裂。为了避免这种现象, 需合理控制激光熔覆功率23。扫描速度对熔覆层质量也有影响。极限速度是激光束只能熔化合金粉, 几乎不能熔化基体时的扫描速度。要使熔覆层成型完好, 要求激光扫描速度必须小于极限速度 。涂层材料和基材不同, 其极限速度也不同。研究表明, 在保持其它参数不变的条件下, 在激光扫描过程中, 如果扫描速度较低, 预涂层材料表面易烧损, 导致材料表面的粗糙程度变大。如果扫面速度较快, 激光能量供应不足, 短时间内涂层材料熔不透, 很难形成熔覆层24。所以, 控制扫描速度是一个很关键的因素。采用预涂粉末法, 涂粉厚度对熔覆层质量有较大影响, 当涂粉较厚时, 功率密度应当大, 但是熔池各部分存在温差, 随着涂粉厚度的增加, 熔池内温度梯度增加, 在和基体结合处容易形成裂纹, 导致熔覆层和基体结合较差25; 而且, 涂粉厚度大则要求激光束在熔池上方停留的时间延长, 激光束对熔覆材料的光压作用导致熔池内产生飞溅现象, 从而降低熔覆层质量26。综上，基体为45钢，涂覆材料为SiC粉和Ti粉，为了保证熔覆层的质量，根据以往的经验与实验数据，本课题采用扫描速度为300mm/min，可以保证激光束在掠过涂覆材料时不会对基体造成大的损伤。选用涂层厚度为1mm，保证熔池较好的温度梯度。光斑直径选用4mm。采用不同的激光功率值进行实验。本课题选用激光功率为1.4kw、1.6kw和1.8kw三种功率值，可防止裂纹产生以及获得较高的熔覆层。2.3研究技术路线本课题的研究内容包括原材料的准备、原材料的预处理、激光熔覆实验、线切割、金相的制备和观察等过程组成，研究技术路线如图1。图1 研究技术路线激光熔覆实验中采用的是青岛中发激光技术有限公司生产的GLS-300型多功能激光加工系统，如图2所示。该系统由五部分组成：（1）L-3000型3KWCO2横流激光器；（2）M-300型多功能加工机床及导光系统；（3）P-300型电控台；（4）IM-型激光参数仪；（5）LSQ-型送粉器及配套装置；在实验之前需要对设备进行调试。调试过程分抽真空，充气和测腔压。实验时， 需根据试样的大小，算出激光掠过的距离，编写激光熔覆程序，本课题程序如下面所示：Go1 Y20 F300Go1 X2 F300Go1 Y-20 F300Go1 X2 F300Go1 Y20 F300Go1 X2 F300Go1 Y-20 F300Go1 X2 F300Go1 Y20 F300Go1 X2 F300Go1 Y-20 F300 图2 GLS-300型多功能激光加工系统激光熔覆后的试样要进行线切割。线切割需要沿着试样的直径进行，并且垂直于激光熔覆方向，将所切断面磨削、抛光，用4%的硝酸酒精溶液腐蚀后进行金相显微组织观察分析。3实验方法3.1实验材料及仪器设备3.1.1本课题所用到的实验材料本课题的基体材料选用退火态的45钢，成分见表3-1。试样尺寸为2015 mm，硬度197HB,组织为铁素体+珠光体，见图3。表3-1 45钢的化学成分合金元素 C Mn Mg Zn Fe质量分数/Wt% 0.45 0.20.5 1.01.4 0.5 其余 图3 基体材料组织本课题选用的熔覆层材料SiC粉与金属Ti粉混合粉。熔覆材料信息见表3-2。表3-2 熔覆层材料材料 成分或颗粒度 生产厂家SiC粉 10mTi粉 100150m 北京浩然工贸有限公司3.1.2本课题所用到的实验设备本课题所用到的实验设备及用途见表3-3。表3-3 实验仪器设备仪器型号名称 生产厂家 用途PG-2型抛光机 上海金相机械设备有限公司 处理抛光MDS金相显微镜 重庆奥特光学仪器有限公司 观察熔覆组织SX2-R-13型箱式电阻炉 上海实验电炉厂 烘粉及预置层GLS-300型多功能 青岛中发激光技术有限公司 激光熔覆实验激光加工系统 3.2激光处理前试样的预处理3.2.1基体材料的处理将基体需熔覆合金粉的表面用砂纸磨平，所用砂纸晶粒度为400um。然后，用丙酮溶液对其进行清洗，去除钢表面的锈迹和油垢，以减少对试样的污染保持表面清洁，清洗到表面光亮为止。3.2.2涂覆层的预置本课题实验采用预置送粉法，在激光熔覆之前需要在钢表面预置粉末涂层。粉末涂层由SiC粉、Ti粉和粘结剂组成。其配比见表3-4。表3-4 熔覆层成分配比 材料 SiC粉 Ti粉 粘结剂 质量/g 10 0.9 0.1 用托盘天平称量10g SiC粉、0.9gTi粉与0.1g粘结剂混合，把它们搅拌均匀。将制成的涂覆层涂在45钢需要熔覆表面，然后去烘干。烘干处理采用的是SX2-R-13型箱式电阻炉。将涂覆好的45钢在SX2-R-13型箱式电阻炉中保温2小时，保温温度为90，目的是使涂覆层中的粘结剂挥发出来。这样就制成了涂覆层，激光熔覆前的预处理就完成了。3.3金相组织观察 将制备好的试样用吹风机吹干后，在400倍光学金相显微镜下观察，可以清楚地看到熔覆层、过渡层和原始基体组织。图4为腐蚀后试样剖切面的宏观形貌，可见随着激光功率增大，图中试样熔覆边缘被腐蚀黑的区域越大，这说明随着功率的增加，熔覆层的宽度依次增加。（从上到下依次是激光功率为1.4kw、1.6 kw 和1.8 kw熔覆剖切面腐蚀宏观形貌）图4 不同激光功率熔覆后试样剖切面腐蚀宏观形貌图5为腐蚀后试样剖切面的微观形貌，可见明显的熔覆层、过渡层和原始基体组织。（从左到右依次是熔覆层、过渡层和原始基体组织） 图5 腐蚀后试样组织4实验结果及分析4.1不同功率下熔覆层的表像及分析图6所示三个试样熔覆后熔覆层的表像。可见，随着激光功率的增加，表面越来越粗糙，说明随着激光功率的增加，材料的基体被破坏的程度增加。（从左到右依次是激光功率1.4kw、1.6kw和1.8kw） 图 6 不同激光功率熔覆后试样表像4.2不同功率下熔覆层和过渡层的微观组织分析图7为激光功率为1.4Kw熔覆后各层组织形貌，试样最外面一层是熔覆层，呈平面晶状态。由图7中（a）和（b）可见熔覆层凝固时以柱状晶形式向里生长。温度梯度/凝固速度（G/R）是凝固组织生长形态选择的控制参数。根据GreenWalled对激光熔化后的热传导所做的数学解析分析：在冷却期间，G的变化特征是刚开始凝固时最大，随着凝固的进行逐渐减小；而R得变化规律正好相反，刚开始凝固时R小，随着凝固的进行R值逐渐变大27。由此可以得出凝固界面处G/R的变化规律：刚开始凝固时G/R具有最大值，随着凝固的进行G/R随之减小，凝固表面处G/R具有最小值。由图（b）（c）和（d）所示，随着凝固的进行，G/R减小，形成沿着热流方向的胞状晶。而在过渡区，由于已经冷却到熔点以下，于是会瞬时形成大量方向杂乱而又细小的晶粒。而在往里是基体组织，因不受到激光熔覆的影响，和原试样的基体组织一样。 a 熔覆层 b 熔覆层与过渡层边界区 c 过渡层 d 过渡层与基体的过渡区 e基体组织图7 激光功率为1.4kw熔覆后各层组织形貌图8为和9所示为激光功率为1.6kw和1.8kw时试样的熔覆层、过渡层和基体组织。a 熔覆层 b 过渡层 c 基体组织 图8 激光功率为1.6kw各层组织形貌 a 熔覆层 b 过渡层 c 基体组织图9 激光功率为1.8kw各层组织形貌由图8和图9与图7作比较可得出进行激光熔覆后组织均分为熔覆层、过渡层和基体组织三部分且熔覆区凝固过程基本相同。均是一个由熔覆层向基体组织过渡的一个过程。且熔覆层与过渡层边界很明显，过渡层与基体组织边界不明显，熔覆组织与基体之间有较好的冶金结合。比较三种功率下的熔覆组织,功率为1.4kw时SiC-Ni涂层中含有大量未熔的SiC颗粒，而且分布不均匀。而功率为1.6kw和1.8kw时的熔覆组织中，含有的SiC颗粒就很少了。由于大量未熔的SiC颗粒且分布不均匀会造成其性能的下降（耐磨性与硬度降低15），因此，可以得出功率过小得到的熔覆组织性能差。但如果从一般的凝固过程来讲，功率并非越大越好。功率过大，造成熔体高温对流能力强，柱状晶生长较快，生成大量的柱状晶组织，虽然组织致密，但有很强的方向性，因此综合力学性能变差。因此，功率为1.8kw时得到的组织也不是最好的。实际上在其他工艺参数一定时，应有一个最佳功率。功率为1.6kw时，未熔的SiC颗粒较少且柱状晶少，可以得到较好的激光熔覆组织。4.3不同功率下熔覆层以及过渡层的宽度分析4.3.1 不同功率下熔覆层的宽度及分析不同功率下进行激光熔覆所获得熔覆层的宽度不同。如图10所示为不同功率下所获得的熔覆层的宽度。（从左到右的激光功率依次为1.8kw、1.6kw和1.4kw） 图10 三种功率下的熔覆层表4-1为不同功率下熔覆层的平均宽度，激光功率越大，熔覆层的宽度越大。这是由于功率越大，受激光辐射的能量越大，受辐射面积大，因此宽度大。表4-1 不同功率下的熔覆层平均宽度 激光功率/kw 1.8 1.6 1.4 熔覆层平均宽/mm 37.03 34.16 31.164.3.2不同功率下过渡层的宽度及分析不同功率下进行激光熔覆所获得过渡层的宽度不同。如图14所示为不同功率下所获得的过渡层的宽度。（从左到右的激光功率依次为1.8kw、1.6kw和1.4kw） 图11 三种功率下的过渡层表4-2为不同功率下过渡层的平均宽度，激光功率越大，过渡层的宽度也越大。这是由于功率越大，受激光辐射的能量越大，对基体的影响范围大，因此宽度越大。表4-2 不同功率下的过渡层平均宽度激光功率/kw 1.8 1.6 1.4 过渡层平均宽 /mm 67.23 52.73 47.065结论1）在45钢基体上激光熔覆SiC-Ni涂层，熔覆后组织由熔覆层、过渡层和基体组织三部分组成，且熔覆层与过渡层边界很明显，过渡层与基体组织边界不明显，熔覆组织与基体之间有较好的冶金结合。 2）在45钢基体上激光熔覆SiC-Ni涂层，激光功率为1.4kw时得到的熔覆组织中含有大量未熔的SiC颗粒，而且分布不均匀，力学性能差；激光功率为1.8kw时，生成大量的柱状晶，综合力学性能较差；激光功率为1.6kw时，未熔的SiC颗粒少且柱状晶少，可得到较好的熔覆层组织。3）在45钢基体上激光熔覆SiC-Ni涂层，不同激光功率下进行激光熔覆所获得熔覆层的宽度不同，激光功率越大，熔覆层的宽度越大。 4）在45钢基体上激光熔覆SiC-Ni涂层，不同激光功率下进行激光熔覆所获得过渡层的宽度不同，激光功率越大，过渡层的宽度越大。袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃