激光熔覆在高碳鋼上的應(yīng)用

激光熔覆在高碳鋼上的應(yīng)用

1976年，美國avco學(xué)會d.s.gnamauth獲得了激光焊接專利。1979年日本公布了激光熔覆在汽輪機葉片上應(yīng)用專利。20世紀(jì)70年代中期到80年代中期國外激光熔覆的發(fā)展較慢。80年代以前激光表面處理發(fā)表的論文篇數(shù)遠(yuǎn)少于切割和焊接,論文的篇數(shù)比大體為切割:焊接:表面處理=3∶2∶1,到80年代末,每年發(fā)表的有關(guān)表面處理的文章篇數(shù)超過了切割和焊接的文章篇數(shù)。激光熔覆的意義不僅僅是提高材料表面層的性能,而是賦予它新的性能,縮短生產(chǎn)周期,降低制造成本,尤其是地球蘊藏的有限戰(zhàn)略金屬元素的大量消耗,引起西方各國嚴(yán)密注意。Co、Cr、Ni和Mn是鋼鐵和超合金的重要元素,Al、Sn、Zn和Ti廣泛用于汽車和航空工業(yè),Pt和W是電器和催化用貴重元素,硬質(zhì)合金世界年需要量1992年為11×109DM(德國馬克)。僅德國每年就需要1.5×109DM,相當(dāng)于2.3萬噸。生產(chǎn)硬質(zhì)合金能耗巨大,再有它們的回收要消耗大量的氟化氫、硝酸和鹽酸等化合物。由于對環(huán)境污染招致的指控壓力很大,因而使用涂層,提高其使用壽命,是擺在我們面前的一項重要任務(wù)。在節(jié)約戰(zhàn)略金屬、保護(hù)環(huán)境、提高材料表面性能和降低能耗等多因素的推動下,80年代后期以來,國外激光熔覆的發(fā)展明顯加快了。在激光熔覆理論,物理數(shù)學(xué)模型,合金材料、工藝參數(shù)、涂層組織性能研究,設(shè)備自動化、柔性化、熔覆過程監(jiān)控,專用功能部件研制以及生產(chǎn)應(yīng)用等方面取得了重要進(jìn)展。并且利用激光熔覆向直接制造金屬零件邁進(jìn)。1低碳不銹鋼涂層鐵基合金作為激光熔覆材料始于20世紀(jì)70年代,使用的主要鐵基合金列于表1。316不銹鋼激光熔覆在En3鋼上在180°彎曲和剪切試驗條件下效果較好。316L不銹鋼激光熔覆在低碳鋼上,表面光滑,稀釋度低,約為5%,與其它熔覆相比顯微組織細(xì)小。Fe、Cr、C、W元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為10∶5∶1∶1的合金激光熔覆于AISI1018鋼上,冷凝速度在103～106K/s,涂層顯微組織為細(xì)小枝晶和顆粒。Anjos等在低碳鋼上激光熔覆不銹鋼涂層,其耐腐蝕性能與原材料不銹鋼相當(dāng)。Mazumder等配制的44.3Fe50Cr5.1Mn0.6C合金,采用預(yù)熱減少涂層裂紋,但在冷卻時有較大碳化物顆粒形成,耐磨性有些下降。UNSS31254超級奧氏體不銹鋼在低碳鋼上的激光熔覆層無裂紋、無氣孔,為細(xì)小網(wǎng)狀奧氏體結(jié)晶,陽極化試驗沒有點蝕,在1MFeCl3(PH0.4)溶液中浸泡2個月有點蝕發(fā)生,比UNSS31254不銹鋼的腐蝕坑尺寸小,但數(shù)量較多。UNSS44700超級鐵素體不銹鋼在低碳鋼上的激光熔覆層在0.5MHCl,1MFeCl3和0.6MHCl溶液中顯示優(yōu)良的鈍化性能和抗點蝕能力。在1MFeCl3(pH=0.4)中浸泡2個月,表面有輕度點蝕。G.J.Bruck報道將廢棄的昂貴大型不銹鋼閘閥,使用激光熔覆410不銹鋼,很好地控制其變形進(jìn)而修復(fù)。JohnHaake等使用二極管激光器將420不銹鋼涂于4340鋼基體上。熔覆帶寬14mm,厚1mm,稀釋度<0.02%,遠(yuǎn)小于使用CO2和Nd:YAG激光器熔覆。2試驗結(jié)果及分析在C-Mn鋼上激光熔覆HastelloyC鎳基合金,成分見表2。顆粒尺寸為35～65μm。使用平均輸出功率為500W的脈沖Nd:YAG激光器。用長5m,直徑600μm的光纖傳輸,激光束以與垂直方向成12.5°角入射,粉末噴嘴與工件相距9mm。氬氣保護(hù)送粉,送粉管直徑?1.2mm,送氣管(外管)直徑?8mm。送粉管軸線與豎直方向夾角在15°～45°之間。激光束每脈沖能量6～15J,脈寬τ=3～10ms,頻率f=20～50Hz,工件運動速度v=5～25mm/s。入射到工件表面的功率用OphirDGX功率計連接1500-RP測頭測量,試驗工藝參數(shù)見表3。激光束焦點相對工件表面在-5mm～-9mm之間變動,工件表面光斑直徑為?1.2～?2.1mm。各工藝因素對涂層厚度的影響見圖1～4。從圖1可見,隨防護(hù)氣流速提高,熔覆層變薄,當(dāng)焦點位置在工件表面以下6mm時,得到的涂層最厚。從圖2可見,掃描速度對涂層厚度有很大影響,圖3是兩個送粉軸線方向和防護(hù)氣流速度下,熔覆層厚度和激光束掃描速度的關(guān)系。圖4表明送粉噴嘴與光斑的相對位置對涂層厚度的影響,當(dāng)噴嘴在光斑稍后位置可獲較厚的涂層。各工藝因素對涂層元素稀釋度的影響見表4和圖5。從中可見,在各焦點位置稀釋度均隨防護(hù)氣流速增加而增大。當(dāng)氣體流速為1.33m/s表5所示為可允許HastelloyC缺陷及其熔覆工藝參數(shù),從中可知防護(hù)氣流速是顯微組織的主要影響因素,當(dāng)流速較低時有過剩未熔粉末,孔洞較多,當(dāng)流速較高時涂層無孔洞,但表面凹坑較多。在頻率20Hz,脈寬8ms,脈沖能量8J,平均輸出功率300W,峰值功率1.8kW,掃描速度12.5mm/s的條件下,在低碳鋼板上熔覆HastelloyC合金。熔覆面積1500mm2,層厚1mm,送粉率0.096g/s,經(jīng)185s,熔覆完畢。粉末利用率為62%,覆蓋速率為8.1mm2/s,若用連續(xù)波CO2和Nd:YAG激光器則需1kW以上的功率才能獲得上述結(jié)果。3在高溫和高溫時期下的高溫力一類是Co-Cr-W-C合金,其中亞共晶(<0.25wt%C)司太立合金有一定的韌性。過共晶(0.25wt%<C≤2.5wt%)含一次碳化物顆粒多量,硬度較高更耐磨。另一類是Co-Cr-W/Mo-Ni/Fe-C(Si,B)復(fù)雜合金,主要用于航空航天的高溫抗磨零件。80年代初意大利L.Giordano等用預(yù)置粉末法,用15kWCO2激光器,在N2保護(hù)下將StelliteF和StelliteSF6熔覆于AISI304奧氏體不銹鋼基體上。1988年美國J.Mazumder等用送粉法將Stellite6激光熔覆于AISI1016鋼基體上,其磨損行為和摩擦系數(shù)如圖6所示。法國C.Chabrol等用4～5kWCO2激光將StelliteF粉末熔覆在馬氏體鋼基體上,其殘余應(yīng)力分布見圖7。涂層表面縱向和橫向都是拉應(yīng)力,在基體一側(cè)與涂層相鄰區(qū)為壓應(yīng)力,向下出現(xiàn)高拉應(yīng)力峰。Co-29%Cr-4.5%W-1%Fe-1.2%Si-1.2%C合金熔覆在12%Cr馬氏體不銹鋼基體上。合金層的橫向殘余拉應(yīng)力達(dá)600MPa,縱向達(dá)450MPa?；w內(nèi)壓應(yīng)力峰橫向和縱向分別為54MPa和110MPa。4tib2涂層這類材料由于其熔點高,脆性大,膨脹系數(shù)與基體差別大等,不易獲得無缺陷涂層,大都是與其它金屬混合物作激光熔覆。但近年來制備出了純陶瓷激光熔覆涂層。碳化物(TiC,VC,Cr3C2)+X38CrMoV51熱作模具鋼在St37鋼上的熔覆。使用硅酸鈉水合物將不同比例的粉末原料混合均勻涂敷在St37鋼上,膏劑層厚100～500μm。用Nd:YAG激光器,輸出功率100～400W,功率密度19～38kW/cm2,掃描速度200～600mm/min,作用時間在0.21～0.32s,涂層顯微硬度曲線見圖8。熔覆層厚度100～300μm,顯微硬度依碳化物種類和比例而異,有效地降低裂紋的敏感性。X38+50wt%TiC的顯微硬度接近1400HV。WC+NiBSi合金在16MnCr5鋼上的熔覆。WC選用WC/Co燒結(jié)塊(質(zhì)量分?jǐn)?shù)13%Co熔涂),粒度45～90μm和WC/W2C熔融碳化物粒度45～90μm兩種粉末。在6kWCO2激光器,兩個獨立的供粉器送料,在特制的水冷噴頭中兩束粉末匯聚,粉末成分可連續(xù)調(diào)節(jié)。含體積分?jǐn)?shù)40%WC/Co-NiBSi激光熔覆層在磨料磨損中的磨損率(圖9中的表層材料5)與相關(guān)材料的對比見圖9。從中可見它的耐磨性與燒結(jié)WC/Co接近,遠(yuǎn)比純NiBSi和Stellite21激光熔履層高。從圖10可知,隨NiBSi和Stellite中的碳化物含量提高,磨損率下降,在含量接近50%時,耐磨性與燒結(jié)W/Co92/8接近,更高的碳化物含量導(dǎo)致熔覆層發(fā)生裂紋和孔洞。Al2O3+Ni-Cr合金在AISI304不銹鋼上熔覆后,熔覆層顯微組織為細(xì)小的胞晶和枝晶。大部分Al2O3顆粒均勻分布在胞晶和枝晶內(nèi),有少量的Al2O3顆粒聚集在邊界。隨掃描速度提高,涂層中的Al2O3百分含量增加,顯微組織細(xì)化,同時涂層厚度下降。TiB2在AISI1010鋼上的熔覆。TiB2具有優(yōu)異的耐磨、抗蝕、耐高溫以及導(dǎo)電等性能。但是由于傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)制造成本很高,應(yīng)用甚少。激光熔覆技術(shù)使得在廉價的基體材料表面制備性能與燒結(jié)TiB2相似的薄膜成為可能。ArvindAgarwal等用噴槍將TiB2粉末涂覆于1010鋼基體上。用Nd:YAG或CO21.5kW的激光器,以2m/min速度掃描,產(chǎn)生厚200μm的涂層,表面顯微硬度700～1300HV,粗糙度Ra為6.39μm,(熱噴涂表面Ra為12μm),涂層與基體結(jié)合強度高,界面斷裂能Gc高達(dá)265J/m2,彈性模量高達(dá)477GPa,耐磨性是AISI1010鋼的25倍(干滑動摩擦)。在空氣介質(zhì)中700℃沒有氧化發(fā)生,在780～800℃因為B2O3和Fe2O3化合物揮發(fā),而開始氧化。在780℃熔融A356中浸4h,涂層表面沒有熔鋁痕跡,有優(yōu)良的抗蝕能力。但在浸漬24h后發(fā)生嚴(yán)重侵蝕,液體鋁侵入深度約50μm。TiB2涂層適合用于制造霍爾-愛魯式(Hall-Heroult)電池和高耐磨性機件、工具以及有色金屬鑄造模等的涂層。激光熔覆和等離子噴涂WC-Co的耐磨性。涂層合金Metco73F-NS-1粉末,含83%WC,17%Co,顆粒尺寸39μm,基體材料為AISI1043鋼,等離子噴涂使用Metco756,在180kVA,工作氣體為Ar和H2,噴射速度600m/s。激光熔覆使用RSDC快速軸流CO2激光器,1700W,TEM01*模,功率密度6000～8000W/cm2,掃描速度200～800mm/min,Metco送粉器,3bar氬氣吹送,送粉率5～20g/min。涂層與基體的結(jié)合力,激光熔覆為60MPa,等離子噴涂為50MPa。前者顯微組織細(xì)小,稀釋度小,孔洞很少,后者顯微組織較粗大,稀釋度大,存在大量孔洞。取較大稀釋度的激光熔覆試樣與等離子噴涂試樣的沿橫斷面顯微硬度對比見圖11。兩者的摩擦學(xué)特性見圖12和表6。從圖12可見激光熔覆層磨損率穩(wěn)定耐磨性較高。從表6可知,前者磨損系數(shù)(單位面積、單位載荷下體積磨損率)及其標(biāo)準(zhǔn)波動值分別比后者約低34%和86%。同時與之對磨的鋼環(huán)失重也是前者較少。等離子涂層存在兩個主要問題,一是涂層與基體結(jié)合強度低,在重負(fù)荷和高彎曲應(yīng)力作用下,涂層剝落;二是涂層孔隙度高,使其耐磨性和耐蝕性下降。將其進(jìn)行激光重熔使顯微組織和性能明顯提高,例如將等離子噴涂ZrO2-7wt%Y2O3(AI-1075)的鋁合金AA6061涂層,使用脈沖Nd:YAG激光重熔,處理工藝為激光功率100～300W,脈沖能量0～55J,脈寬4ms,頻率10Hz,光斑直徑?2.5～?6mm,掃描速度1～6mm/s,搭接量0.5mm,氬氣保護(hù),壓力0.3MPa,涂層與基體結(jié)合強度由8.03MPa提高到14.97MPa,孔隙度由14.3%降至2.5%,表面粗糙度由12.0813μm降至5.3462μm(沿激光掃描方向)和6.2979μm(垂直激光掃描方向),耐磨性明顯提高,且隨負(fù)荷增加提高幅度增大,見圖13。5激光熔覆的其它化學(xué)成分透平葉片需要優(yōu)異的力學(xué)性能和抗高溫(1200℃)浸蝕氧化性能。S.Sircar等對鎳基超級合金激光熔覆層的顯微組織和抗氧化能力作了深入的研究。為了增強鎳基或鈷基超合金抗高溫氧化性能,廣泛采用M-Cr-Al-RE(M為Ni,Co,Fe)系合金,形成富含Al2O3的涂層,它具有極高的惰性,不易揮發(fā),能有效阻止氧向內(nèi)部擴散。由于Al2O3的粘著性很差,加入少量Hf和Yt等活潑稀土元素能有效改善Al2O3的粘著性。但它們在Ni或Co超合金中的極限固溶度很低,例如,Hf僅有1wt%,傳統(tǒng)涂層技術(shù)冷卻速度太慢,得不到需要的濃度,析出有害相。激光熔覆可獲得滿意的效果,使用的混合粉末成分如表7所示,基體材料為Rene80。激光熔覆使用10kWCO2連續(xù)波激光器,F7Cassegrain(卡塞格倫)光學(xué)系統(tǒng)。螺桿送粉器,送粉率1.7～2.7g/s,氬氣防護(hù),掃描速度10.6～25.4mm/s。進(jìn)行了SEM,TEM,EDX,EDS,AES分析,使用Perkin-ElnerTGA-7分析儀測量抗氧化能力,用DTA(微差熱分析)測涂層和基體的γ′相溶解溫度等系統(tǒng)的試驗研究。激光熔覆Ni70Al20Cr7Hf3合金層的顯微組織主要由γp′枝晶和晶間富Hf和貧Hf的共晶相組成,γp′相是Ni3(Cr、Al、Hf)涂層在1200℃空氣中的抗氧化能力,見圖14。顯然涂層在1200℃空氣中的抗氧化能力高于基體。DTA分析結(jié)果見圖15,從中可知涂層中γ′相的分解溫度和Rene80基材相當(dāng)。6工藝參數(shù)對涂層搭接的影響鉛青銅Cu-Pb25Sn1.5在En3鋼上的熔覆。鉛青銅激光熔履層容易氧化產(chǎn)生嚴(yán)重缺陷。在鉛青銅粉末中加入Si和B等脫氧劑,可防止氧化,獲得無孔隙高質(zhì)量涂層。使用計算機控制的三斗送粉器,在CO2激光器輸出功率600～3400W,吹氬氣2L/min,送粉率0.1～1.4g/s,送粉管軸線與工件表面成50°～60°角,掃描速度3～24mm/s,單道掃描。無缺陷熔覆層的工藝條件如圖16所示。搭接掃描時,搭接量對顯微組織、孔洞、裂紋、鉛偏析度等有重要影響。搭接掃描各工藝參數(shù)對涂層質(zhì)量的影響分析請看圖17。無缺陷工藝參數(shù)范圍為P/D(功率/光斑直徑)=250～350W/mm,送粉率m=0.20～0.25g/s,掃描速度v=4～6mm/s,搭接量=45%～65%。7材料規(guī)格試驗J.Kelly等把Mn-Al青銅激光熔覆在鑄造AA333(Al-Si)合金基體上?？鼓サ腁l-Si合金在汽車工業(yè)中近幾十年來有較大發(fā)展。通常在邊界潤滑條件下使用,若遇到瞬時高負(fù)荷的干摩擦則會發(fā)生咬合。試驗所用的基體材料和涂層粉末材料規(guī)格見表9。激光熔覆在功率1.84kW,送粉率5.6g/30s條件下改變掃描速度13～25mm/s,熔覆層顯微組織是含Mn、Al、Fe、Ni的面心立方柱狀晶。采用一對針在環(huán)上摩擦,正壓力取45kN,主軸轉(zhuǎn)速為600r/min,滑動半徑30.3mm,做干摩擦試驗,結(jié)果見表10,涂層硬度比基材高2～4倍,質(zhì)量較好的涂層耐磨性提高近2倍。8al基合金熔覆層法國J.M.Pelletier等在鋁基和銅基合金基體上熔覆金屬復(fù)合物(MMC),使用的熔覆材料和基體材料分別見表11和12。使用3kW連續(xù)波CO2激光器,同軸噴嘴送粉,氬氣保護(hù)。優(yōu)化熔覆工藝參數(shù)為:輸出功率P=2.4～3.3kW,掃描速度v=10～20mm/s,光斑直徑d=4mm,送粉率m=8～16g/min,氬氣壓力P1=3bar,P2=1.5bar。涂層厚度達(dá)1mm,沒有裂紋。Al基合金熔覆層XRD分析主要相組成為金屬Al和Si,金屬間化合物Al3Ni和Al3Ni2以及初始碳化物TiC。4點彎曲試驗表明熔覆層與基體結(jié)合良好,未發(fā)生剝離現(xiàn)象?；w顯微硬度由原來低于100HV,提高到800HV以上。楊氏模量由70GPa左右提高到180GPa,接近鋼的水平,但比重僅為鋼的一半。KhershedP.Cooper在Ti-6Al-4V合金和幾種Al合金基體上激光熔化注入WC和TiC粉末,顯著提高耐磨性。圖19中,2024Al加體積分?jǐn)?shù)58%TiC耐磨性提高38倍,Ti-6Al-4V加入體積分?jǐn)?shù)60%TiC提高14倍。9掃描次數(shù)對結(jié)晶度的影響法國S.Ayrault等在工業(yè)PET聚合物上激光熔覆Al2O3。用連續(xù)波CO2激光器,輸出功率180W,高斯模,光斑直徑?37mm,平均功率密度17W/cm2。采用單道和搭接兩種掃描,速度為50～100mm/s。未涂陶瓷的PET材料在速度低于50mm/s時發(fā)生過熱,在速度高于100mm/s時其組織結(jié)構(gòu)沒有變化。XRD分析結(jié)果見圖20,激光束的掃描次數(shù)對PET材料結(jié)晶度有明顯影響,表面的結(jié)晶度在前8次掃描迅速上升到20%,然后趨于恒定,見圖20a曲線①。表面層以下的結(jié)晶度隨掃描次數(shù)增加繼續(xù)上升,見圖20a中曲線②和③。圖20b為搭接掃描的結(jié)晶度。PET聚合物材料在激光束掃描作用下顯微硬度的變化見圖21。單道掃描第6次掃描后軌跡中線的硬度最高,見圖21a曲線③,第10次掃描后軌跡中線硬度略有下降,兩側(cè)硬度出現(xiàn)高峰,見圖21a曲線④。圖21b為多道掃描的顯微硬度變化。在激光掃描過程PET的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,對激光的吸收系數(shù)隨之改變,多次掃描熱量逐漸向內(nèi)傳播,并發(fā)生熱累積使表面熔化,每次掃描后的冷卻過程發(fā)生結(jié)晶,結(jié)晶度的大小與冷卻速度有關(guān)。激光熔覆Al2O3涂層的PET結(jié)晶度與掃描次數(shù)的關(guān)系和未涂層的PET對比如圖22。無論是單道掃描還是多道搭接掃描,在相同條件下都是有陶瓷涂層的結(jié)晶度較低,對比圖22中曲線①和②,③和④。這是由于陶瓷涂層吸收了大部分激光輻射的能量,入射到PET表面的能量下降所致。10顯微組織及硬度美國E.Douglas等在Inconel625和高氮不銹鋼(HNSS,含0.9～2.6wt%N)粉末中加入WC,Cr3C2和固體自潤滑劑MoS2,WS2粉末,激光熔覆于304不銹鋼上,所用粉末規(guī)格見表14。用3kWNd:YAG激光器,光斑直徑?3mm,擺動掃描頻率4.5Hz,掃描帶寬19mm,送粉器在氬氣流中載送,Inconel625送給率為14.78g/min,4.5%WS2-Cr3C2(質(zhì)量分?jǐn)?shù))粉末送給率為4.8g/min,激光束掃描速度為2mm/s。對熔覆層進(jìn)行SEM、EDS、EPMA和顯微硬度分析,涂層無孔洞、裂紋和偏聚,Cr3C2和WS2顆粒均勻分布,總厚度接近2mm,Cr3C2主要分布在距表面0.45mm以內(nèi),含量約在25%～35%,在深1.1mm附近也發(fā)現(xiàn)有少量Cr3C2,因EPMA的光點為1μm,大于WS2微粒尺寸,故未能確認(rèn)WS2的存在。但是,SEM觀察到<1μm的微粒,估計是WS2,該復(fù)合熔覆層同時具有摩擦系數(shù)低、耐磨、抗氧化、耐腐蝕、高溫(1000℃)熱穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能。Stellite6熔覆層的顯微組織為枝晶結(jié)構(gòu),枝晶由面心立方鈷基固溶體包圍的共晶M7C3碳化物和面心鈷基固溶體組成。掃描速度范圍在1.67～167mm/s。隨掃描速度加快初晶尺寸由19.0±5.1μm降到2.8±2.1μm。二次枝晶間距由6μm降到0.5μm。同時共晶間距由360±150nm降到50nm以下。熔池頂部和底部二次枝晶間距在掃描速度為1.67mm/s時是2.5～6μm,在167mm/s時為0.5～0.8μm。SF20Stellite顯微組織為細(xì)小枝晶鈷固溶體基體,不規(guī)則形M7C3碳化物顆粒和樹枝晶間層狀共晶M7C3,M23C6和鈷固溶體。司太立合金熔履層的硬度隨稀釋度增大而下降。SF20Stellite在低稀釋時顯微硬度約在1130HV左右,而在體積稀釋度為21.6%時則降到770HV。此外,研究了21%Ni+79%Pb青銅和百分之百Cu-Pb25Sn1.5(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)鉛青銅間隔搭接熔覆。使用三料斗供粉,功率1600W,光斑直徑9mm,掃描速度3mm/s,21(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)Ni+79(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)鉛青銅粉末送給率0.13g/s,純鉛青銅