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激光熔覆與普通堆焊、噴涂、噴焊等表面熔覆方法的比較

??激光熔覆與傳統的堆焊和噴涂、噴焊等表面熔覆改性的方法相比，激光熔覆因使熔覆層組織的微觀結構均勻細化，工件熱變形小，母材的熱影響區小，熔覆層稀釋率小，更有利于改善材料表面的耐疲勞、耐磨損和耐腐蝕性，已引起了廣泛的重視。 
??我們就鐵基高鉻耐磨合金WF372、D667，分別采用激光熔覆和激光堆焊制作耐磨層進行了對比研究。 
1. 試驗 
選用Φ4.0的 D667堆焊焊條，采用直流弧焊發電機AX7-500（反接），于平焊位置堆焊，順序焊法焊接，焊后緩冷。焊接電流控制在200A左右波動。 
合金的成分（wt%）：WF372為C3.3~4.3%，Cr23~27%，B1.0~2.0%，Si1.0~2.0%，Ni4.0~6.0%，其余為鐵；
D667分為C2.5~5.0%，Cr25~32%，Si1.0~4.8%，Ni3.0~5.0%，Mn≤8.0，其余為鐵。 
??激光熔覆合金為WF372合金粉末，采用預置粉法進行激光熔覆。預置粉厚度為1mm。激光器為^大輸出功率2.0KW橫流式電激勵CO2氣體連續激光器，實際輸出功率為1.8KW。多模輸出。以Ar氣向熔池吹壓進行保護。光斑直徑D為4mm、搭接率η為30%、掃描速度Vs為4mm/s、熔覆層寬度為20mm左右。 
??對試件變形和表面成型進行檢測并進行金相分析。用美國產BUCHLERⅢ型維氏顯微硬度計檢測熔覆層顯微硬度的層深分布。 
??激光熔覆試件在450℃回火保溫1.5小時熱處理后，與堆焊試件進行磨損對比試驗。磨損試驗采用MM200型磨損實驗機，對磨輪轉速為200轉/分，工作壓力為50N，摩擦副間加滴機械油冷卻去屑。每個試件工作8小時。通過電子天平（標準偏差為0.001g）稱重。試驗前后重量之差即為磨損失重量。用quanta 200型環境掃描電鏡（SEM）對磨損面進行觀察分析。 
2．結果與分析 
2．1 試件的激光熔覆層和堆焊層表面成型與變形對比 
??激光熔覆層厚度基本為0.9mm。堆焊層厚度平均為2.8mm。堆焊試件的平均翹曲度為0.858×10-2mm/ mm2，激光熔覆試件幾乎沒有出現明顯的變形和翹曲，用0.03mm厚的塞尺從試件基面幾乎不能塞入。 激光熔覆層的表面比較平整、光滑。兩焊道之間的溝槽很淺，這是由于搭接率η較高，為30%的緣故。而試件堆焊層的焊接波紋比較明顯，有些位置還有較小的凹坑，兩焊道之間的溝槽較深。 
2．2 熔覆層金相組織對比分析 
堆焊層組織為珠光體基體上分布Cr的枝晶碳化物，初生枝晶桿連續未斷的較多，其余小塊為次生碳化物，碳化物分布不夠均勻，熔合線附近初生的枝桿狀枝晶明顯。而激光熔覆層組織大部分區域處于非平衡、亞結晶狀態，即合金元素含量很高的非平衡γ-奧氏體和γ﹢M7C3合金碳化物共晶組織，組織均勻細密。其上碳化物等硬質相分布比較均勻，大部分硬質相呈細粒狀彌散分布，即使是少量的呈片狀的樹枝狀結晶組織，也是細密均勻，呈胞狀晶。
??堆焊和激光熔覆的熔覆層與基材均形成了牢固的冶金結合。但是，電弧焊對基材熔化和影響程度明顯高于激光熔覆。堆焊的熱影響區較大，而激光熔覆的熱影響區較小。熔覆層對基材的稀釋率，激光熔覆明顯小于電弧堆焊。這是由于在激光熔覆時，高能激光束掃描基材使其表面迅速加熱熔化后離去，基材表面只有很薄的一層熔化。而電弧堆焊需要輸出較大的能量才能使基材表面熔化形成熔池，對基材的作用和影響較大。 
??激光熔覆工藝使熔覆層合金瞬間充分熔化，而基材表面只能有很薄一層熔化，既保證了優良的牢固冶金結合，又不過多稀釋而改變合金成分；基材的熱溶體作用，迅速導熱、吸熱、散熱，產生極高冷卻速度(106～108 K/s)的快速凝固，形成了超細而均勻的非平衡、亞結晶狀態的枝狀共晶組織。熔覆層具有強韌兩相微觀結構特征，韌性相為合金元素過飽和含量極高的亞穩γ-奧氏體，強化相為高硬度的亞穩M7C3合金碳化物，組織均勻細小。這種組織形態遠比堆焊層的顯微組織更加優良，對性能是有影響的。所以通過采用激光熔覆工藝可以使耐磨層組織的力學性能和使用性能得到改善和提高。 
2.3 熔覆層顯微硬度對比分析 
??經過顯微觀察看出激光熔覆層比堆焊層的顯微硬度平均高300HV左右。在熔合線處，兩者的顯微硬度均有明顯的下降趨勢，而試件基材的顯微硬度明顯較低。 這是由于激光熔覆層的組織形成為合金元素含量很高的非平衡γ-奧氏體和γ﹢M7C3合金碳化物共晶組織，組織均勻細小。其上碳化物等硬質相分布比較均勻，大部分硬質相呈細粒狀彌散分布。而堆焊層組織為珠光體基體上分布Cr的枝晶碳化物及小塊次生碳化物，碳化物分布不夠均勻，且晶粒粗大。在γ-奧氏體和高硬度共晶碳化物的共同作用下，激光熔覆層的顯微硬度比堆焊層的要高。 
2．4 熔覆層磨損對比試驗 
??在相同的磨損條件和磨損時間內，激光熔覆回火磨損試件的磨損失重量比堆焊磨損試件的要小。經回火處理后的激光熔覆層比堆焊層耐磨。 
??分析認為：通過回火處理后，使激光熔覆層的內應力降低，脆性下降，硬度下降，斷裂韌性得到提高。在450℃回火保溫1.5小時的熱處理工藝，使激光熔覆層強韌性達到比較好的狀態。這時，激光熔覆層洛氏硬度為HRC61，比堆焊層的硬度HRC54高許多，比對磨輪的硬度HRC60還高。可見，在材料的強韌性相接近的情況下，材料的硬度越高耐磨性越好。激光熔覆層回火后耐磨性提高。 
2.5 磨損面的微觀對比分析 
??經實驗激光熔覆回火試件的磨痕呈小坑和不規則的樹枝狀和顆粒狀。而堆焊試件磨痕呈現出許多細長的溝槽，這些溝槽具有明顯的方向性，與摩擦方向一致。有較高的順應性。同時，還分布有為數眾多的小孔洞。放大4000倍的磨痕形貌顯示，激光熔覆基體的強韌性配合較好，幾乎沒有顯示顯微梨溝、顯微切削或顯微裂紋。而堆焊試件顯示韌性較高，顯微梨溝和顯微切削形貌大量存在，但也沒有顯微裂紋顯示。這樣的磨痕形貌均與試件的原始組織和性能有關。 
??激光熔覆層中的組織是極其細小的樹枝晶和胞狀晶，而堆焊層中的組織是較為粗大的樹枝晶。激光熔覆層中的基體組織為奧氏體，它比堆焊層中的基體組織珠光體的硬度高。通過回火處理后，奧氏體的韌性得到加強。因而，在基體組織和硬質相碳化物的共同作用下，激光熔覆磨痕形貌呈現不規則的樹枝狀和顆粒狀，而堆焊試件的磨痕呈現出許多細長的溝槽和孔洞。由于堆焊試件基體組織珠光體較軟，有較強的順應性，因而，形成大量深淺不一、與摩擦方向保持一致、長度較大的溝槽。起支撐作用的基體組織的殘存面積所剩較少，被磨去得組織較多。而激光熔覆試件中，起支撐作用的基體組織的殘存面積所剩較高，被磨掉的組織主要是原先分布在細小枝晶間隙中的較軟的組織，大量的強韌性較高的組織起到了耐磨損的支撐作用。 
??通過環境掃描電鏡的觀察、分析，試件磨損面的顯微形貌顯示，激光熔覆層通過450℃保溫1.5h回火處理后比堆焊層更加耐磨。 
3． 結論 
1. 激光熔覆層比堆焊層的表面成型較為理想。激光熔覆試件沒有明顯的變形和翹曲。 
2. 與堆焊層顯微組織相比較，激光熔覆層組織大部分區域處于非平衡、亞結晶狀態，且具有強韌兩相微觀結構特征。熔覆層組織細小。從而使其力學性能和使用性能得到改善和提高。 
3. 激光熔覆層的顯微硬度平均比堆焊層顯微硬度高300HV左右。這主要是由熔覆層中合金的組織性能和形態決定的。 
4. 激光熔覆層通過450℃保溫1.5h回火處理后，強韌性達到比較好的配合狀態。在相同的磨損條件下和磨損時間內，激光熔覆磨損試件比堆焊磨損試件的磨損失重量要小50%以上。同時，通過掃描電鏡對磨損面進行對比分析。均可見回火處理后的激光熔覆層(WF372)比堆焊層(D667)的耐磨性好。
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