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1、热加工工艺2011年第40卷第20期材料热处理技术Material the hardness and wear-resisting performance obviously increase. The superiortechnological parameter is that the power of laser cladding is 2 kW and the scanning speed is 200300 mm/minKey words：laser cladding; craft parameter; microstructure; micro hardness; abrasive
2、 resistance收稿日期:2011-01-05作者简介:王希靖(1956- ),男,甘肃榆中人,教授,博士研究生导师,主要从事焊接设备及自动化、焊接新技术以及焊接质量控制的研究工作;电话:13919484204;E-mail:表1 H13钢的化学成分(质量分数，%) Tab.1 Chemical composition of H13 steel (wt,%)CSiMnCrMoVPS0.320.450.801.200.200.504.755.501.101.750.801.200.030.03CCrSiFeBNi0.50.814.016.03.04.552.53.5余量表3试验参数表 Ta
3、b.3 Experiment parameters扫描速度/(mmmin-1) 300 300 300 200 200 200试样号激光功率/kW1222.533.54252.563.5100 100 10078922.53.5表2 Ni55A粉末的化学组成(质量分数，%) Tab.2 Chemical composition of Ni55A powders (wt,%)131Hot Working Technology2011, Vol.40,No.20材料热处理技术Material & Heat Treatment2011年10月度300500，焊后进行石棉保温缓冷。 光斑直径为2.5
4、mm，熔覆过程中无气体保护。取垂直于激光束扫描方向的横截面磨制成金相试样，试样尺寸15mm15mm20mm，用王水(30mLHCl+10 mLHNO3)腐蚀剂腐蚀样品表面，采用金相显微镜观测熔覆层的显微组织。2实验结果与分析2.1预热的影响图1为焊缝成型照片。可看出，当对母材没有进行预热和后续处理时，熔覆层会产生裂纹，且裂纹方向与激光扫描方向垂直。 当对H13钢基体进行预热后，有效地抑制了熔覆层裂纹的产生。由图1(c)可看出， 裂纹起源于熔覆层与基体的交界面并向上发展而穿过整个熔覆层， 裂纹产生的主要原因是激光熔覆过程中材料内部产生较大的内应力。 由于基体与熔覆层之间存在物理特性的差异， 特别
5、是热膨胀系数上的差异， 形成的温度梯度造成其体积胀缩的不一致，它们互相牵制，形成了熔覆层的内应力。从图2可看出，激光熔覆层从组织上分熔覆层、熔化区、热影响区三部分。 熔覆层和熔化区总称为熔覆区， 在熔池底部与基体的结合区出现以低速平面晶的方式生长的无微观偏析的组织，即所谓的“白亮带”，它的存在说明熔覆层形成时，界面处发生原子之间的相互扩散，标志着镍基熔覆层与H13钢基体已经形成良好的冶金结合。2.2工艺参数对熔覆层显微组织的影响由图3可见，在一定的功率范围内，当光斑直径、涂层厚度和扫描速度一定时， 激光功率为2kW时，熔覆层中枝晶更趋于致密均匀的分布， 晶粒相对细小；随功率的增大，枝晶变得粗大
6、，分布趋于稀疏不均匀。 这是因为当激光功率增大时，单位时间、单位预置粉末和基体获得的能量相应增大， 使熔池中熔体的温度升高，从而造成熔池的合金冷却速度相应地减慢，熔池维持时间长，形核率相应减小，晶体在凝固过程中充分生长，随之，枝晶组织变得粗大，分布不均匀。由图4可见，在一定的扫描速度范围内，当光斑熔覆层 基体图2激光熔覆试样显微组织 Fig.2 The microstructure of laser cladding sample132热加工工艺2011年第40卷第20期材料热处理技术Material & Heat Treatment下半月出版直径、预置涂层厚度和功率一定时，随扫描速度的增大，
7、熔覆层的组织趋于致密，晶粒更加细小，熔覆层组织得到细化。这是因为当扫描速度很低时，激光束与合金粉末作用时间较长， 熔池中熔体吸收较多的能量，冷却速度减小，熔池维持时间长，晶体在凝固过程中充分生长， 所以熔覆层的树枝晶组织相对粗大，晶间排列不够紧密，组织分布不均匀。 但是当扫描速度过大(300mm/min)，基体对熔覆层的稀释作用降低，导致形核率降低，故树枝晶相对变大，枝晶间距也变大。但此时熔体吸收的能量较少，冷却速度加快，晶粒在凝固过程中不能充分生长，故此时晶粒比扫描速度100 mm/min时晶粒小。 因此当扫描速度为200mm/min时， 熔覆层的树枝晶最细小，熔覆层的性能最好。2.3工艺参
8、数对熔覆层显微硬度的影响本试验采用自动转塔显 微维氏硬度 计HX-1000TM对熔覆层和基体的硬度进行测量， 加载砝码200 g，加载时间5 s。由图5显微硬度变化曲线可见， 熔覆层的显微硬度分布呈阶梯状，在熔合线附近硬度值发生突变，熔覆层显微硬度在500HV左右， 熔覆层硬度是基体硬度的23倍。 由图5(a)可以看出，当功率和其他因素不变的情况下，降低扫描速度，熔覆层的显微硬度有一定的降低。这是因为当扫描速度较低时，激光输入的能量较高，造成熔覆层的显微组织粗大，枝晶间距也相对较大，晶界强化与韧化、微畴强化与韧化作用较小，细晶强化作用较低，故显微硬度较低。由图5(b)可以看出，当扫描速度和其他
9、因素不变时，功率对熔覆层显微硬度并没有多大影响。 当功率增大时，熔覆层晶粒变粗大，细晶强化作用逐渐减小，但基体对熔覆层的稀释作用逐渐增大， 第二相的弥散强化作用逐渐加强，两者相互制约，故功率对熔覆层显微硬度影响不大。综上所述，当扫描速度为200 mm/min、功率为2 kW时，熔覆层硬度最高。2.4工艺参数对熔覆层耐磨性的影响本次熔覆层摩擦磨损实验在UMT-2MT摩磨擦实验机进行分析测试，加载力为10N，时间为15min，采用的是GCr15钢球，钢球直径6mm。图6为熔覆层磨损体积。 可看出， 当扫描速度300mm/min、功率2 kW时，磨损体积最小，耐磨性最好。 因为在一定范围内，扫描速度
10、增大或功率减小时，有助于晶粒细化，表面变得光滑致密，熔覆层中的枝晶间距也相对变小，其枝晶组织细小均匀，晶界变多，摩擦过程中的近表面位错运动受晶界阻碍，在晶界产生堆积，使表层产生应变硬化。应变硬化使位错滑移更加困难， 因此增大了材料在滑动时的摩擦力，使耐磨性能相应提高。1000 900 800 700 600 500 400 300 200 1001000 900 800 700 600 500 400 300 200 1000.00.51.01.52.02.53.00.00.51.01.52.02.53.0 距表面距离/mm距表面距离/mm显微硬度(HV)显微硬度(HV)300 mm/min
11、200 mm/min 100 mm/min功率3.5kW 功率2.5 kW 功率2 kW熔覆层熔覆层(a)2 kW(b)300mm/min图5熔覆层显微硬度曲线 Fig.5 The microhardness curves of cladding layer133Hot Working Technology2011, Vol.40,No.20材料热处理技术Material & Heat Treatment2011年10月激光熔覆态 9808h空冷熔覆层界面熔合线K403基体的组织是由沿基体结合界面外垂直生长的柱状树枝晶和熔覆层顶部无明显方向性细小的等轴晶组成，在熔覆层和基体之间存在白亮结合带。
12、(2)在本实验条件下，连续CO2激光熔覆层的质量与激光熔覆线能量有关。 当线能量小于200J/mm，出现界面未熔合；当线能量大于320J/mm，熔覆层出现热裂纹； 只有当线能量为200320J/mm时可以获得熔合界面良好无裂纹的熔覆层。(3)激光熔覆层中热裂纹形成与铸造K403合金组织中(+)低熔点共晶产物和晶界化合物有关。参考文献:1黄庆南，万明学，申秀丽，等涡轮叶片锯齿冠激光熔覆的应用研究J燃气涡轮试验与研究，2002，(2)：50-532王茂才，吴维强先进燃气轮机叶片激光修复技术J燃气轮机技术，2001，14(4)：53-563Xua Guojian，Muneharu Kutsuna，L
13、iu Zhongjie，et alCharacteristics of Ni-based coating layer formed by laser andplasmacladdingprocessesJMaterialsScienceandEngineering，2006，A417：63-724Page C J，Devermann T，Biffin J，et alPlasma augmentedlaser welding and its applications JScience and Technologyof Welding and Joining，2002，7(1)：1-105中国航空
14、材料手册编委会中国航空材料手册(第2卷：变形高温合金铸造高温合金) (第2版) M北京：中国标准出版社，2002 2936周振丰金属熔焊原理及工艺(下册)M北京：机械工业出版社，19813345040035030000.51.01.52.0显微硬度(HV0.2)距离/mm图5激光熔覆层热处理前后的显微硬度分布 Fig.5 Microhardness-depth curves of laser cladding layer before and after heat treatment3结论(1)通过预热，在H13钢基体熔覆了一层Ni基涂层，该涂层的显微组织由细密的枝晶组织组成，和基体形成了良好
15、的冶金结合，无孔洞裂纹等缺陷。(2)在一定的参数范围内， 随着扫描速度和激光功率的增加，熔覆层的显微硬度显著提高，并呈阶梯状分布。(3)在一定的参数范围内， 随扫描速度增加和激光功率的减小，熔覆层的耐磨性能增强。(4)综合熔覆层显微组织、 显微硬度和耐磨性分析，当光斑直径和预置层厚度一定时，当激光熔覆功率为2kW，扫描速度为200300mm/min时，熔覆层性能最好。参考文献:1孙宽，姚继蔚，徐忠锦，等影响激光熔覆质量的主要因素J农业装备与车辆工程，2007，188(3)：36-422孙荣禄，杨德庄，郭立新，等激光工艺参数对钛合金表面NiCrBSi合金熔覆层组织及硬度的影响J光学技术，2001
16、，27(1)：34-363纪红，许越，吕祖舜，等铝合金激光表面强化的研究进展J材料科学与工艺，2003，11(2)：220-2244关振激光加工工艺手册M北京：中国计量出版社，19985吴萍，周昌炽，唐西南激光熔覆镍基合金和Ni/WC涂层的磨损性能J金属学，2002，38(12)：1257-12606李殿凯，袁晓敏，李明喜，等45钢表面激光熔覆Ni/WC性能研究J热加工工艺，2010，39(14)：80-827李养良，罗红梅，王利，等45钢多道搭接激光熔覆层的组织与性能J热加工工艺，2009，38(4)：69-708.07.06.05.04.03.02.01.00.010864200123456701234567300 mm/min 200 mm/min 100 mm/min(a)2 kW3.5kW 2.5 k
