作者：张毅
45号钢是优质碳素结构用钢，在模具制作中，常用于模板、梢子、导柱等。在服役过程中常发生表面磨损、腐蚀失效，严重影响其使用寿命及加工质量。激光熔覆是一种新型的金属材料表面强化、修复手段。镍基合金具有良好的自熔性，耐磨、耐蚀性及成本低等优点，在激光熔覆材料中具有广阔的应用空间。目前关于45号钢激光熔覆镍基合金的文献报道以采用C02激光器及YAG激光器为主，而光纤激光器由于其更好的光束质量及更高的能量密度而具有独特的优势。本课题采用IPG-3000W光纤激光器在45号钢表面进行激光熔覆镍基合金粉末，对熔覆层的微观组织和物相结构进行分析，探讨激光功率、激光扫描速度、送粉速率对45号钢激光熔覆层组织和性能的影响。
1 试验材料与方法
基材为45号钢，尺寸为20 mm×10 mm×10 mm，用丙酮清洗干净，烘干备用。熔覆材料的化学成分见表1，粒度为200目。试验所用激光设备为YLS-3000型光纤横流连续波激光器，额定功率为3 kW，波长为10.6μm，PHPF-20型激光加工送粉器。保护气体和送粉气体均为高纯氮气，气流量为200 L/min。在45号钢表面进行镍基合金粉末的激光熔覆，光斑直径为0.3mm。在送粉速率为0.11 g/s，扫描速度为0.3m／s时，激光功率分别为600、800、1000 W；在送粉速率为0.11g/s，激光功率为1000 W时，激光扫描速度分别为0.3、0.5、0.7 m/s；在扫描速度为0.3 m/s，激光功率为1kW时，送粉速率分别为0.3、0.7 g/s。
按垂直于激光扫描方向截取试样，制备金相试样，用体积分数为4%的硝酸酒精进行腐蚀；在蔡司Axio-vert 200 MAT型光学显微镜下观察熔覆层及结合区的显微组织以及熔覆层与基体的结合情况；在HV-1000型显微硬度计上测定硬度，载荷为0.1 N；利用X射线衍射仪分析熔覆层的相组成。
2 试验结果与分析
图1为不同送粉速率下熔覆层的XRD结果。可以看出，在送粉速率为0.3 g/s时，熔覆层主要由(Fe，Ni)、Cr7 C3、Cr23 C6、WC相组成，在送粉速率为o．7 g/s时，熔覆层出现了FeMo相，起到强化相的目的，可以提高熔覆层的硬度和表面耐磨性.
对熔覆层金相图片使用Image Tool Pro软件对单道次激光熔覆层宽度(W)、高度(H)和熔池深度(T)进行测量。图2为不同激光处理功率下的测量结果。可以看出，随着激光功率的增加，熔覆层宽度、高度和厚度均增加，最大值分别为4.7、2.0、0.7 mm。在送粉速率、扫描速度和其他工艺参数一定的条件下，随着激光功率的增加，基体吸收能量增加，因而熔池面积增大，深度增加。熔池面积的增大使得更多的镍基合金粉末进入熔池，从而增大了熔覆层的高度。
图3为45号钢表面激光熔覆镍基合金粉末后界面结合处的显微组织。可以看出，激光熔覆后将表面组织分为4个区域：熔覆层、结合区、热影响区和基体。熔覆层结构致密，为明显的双相组织。熔覆层与基体的交界处存在一条宽度很窄的条带，较平直，是镍基合金与基体的熔合区，它的存在表明熔覆层和基体形成良好的冶金结合。这是由于激光束作用时产生的熔池中的对流传质作用能充分搅拌熔池，在极窄的区域内，熔覆层与基体达到互流，实现冶金结合。
根据金属凝固理论，金属晶体的生长形态主要取决于成分过冷。凝固开始时，在高能激光束的作用下，液态镍基合金与固态基体交界处的正温度梯度很大，而凝固速度很小，晶体以接近平面状生长。随着结晶过程的进行，温度梯度逐渐减小，结晶速度逐渐增大，成分过冷减小，平面生长就被破坏。界面某些地方存在一定的凸起，进入过冷区后，稍有增加的过冷度促进了其进一步凸向液体，但较小的成分过冷区限制了它们不可能有较大伸展，从而使界面形成了双相组织。图4为不同激光功率下熔覆层的微观形貌。可以看出，随着激光功率的增加，熔覆层的双相组织逐渐粗大且分布不均匀。这是因为当激光功率逐渐增加时，基体和镍基合金粉末获得的能量增加，熔池温度升高，熔池中合金冷却速度减慢．实际结晶温度就更接近于理论结晶温度，即过冷度减小，从而形核率减小，进而晶粒能够充分生长。
图5为不同激光处理功率下结合区的微观形貌。可以看出，随着激光功率的增加，熔覆层和基体的接合面不再平直，而是呈不规则状，即熔覆层与基体不再形成良好的冶金结合。这是因为当激光功率逐渐增加时，基体和镍基合金粉末获得的能量增加、温度升高，加剧了镍基合金粉末和基体原子的扩散，使基体对熔覆层的稀释作用增大，即稀释率增大，从而熔覆层和基体不能形成良好的冶金结合，而且使熔覆层有剥落、开裂的倾向。
图6为不同激光扫描速度下熔覆层的微观形貌。可以看出，随着扫描速度的增加，熔覆层的双相组织变得细小且分布均匀。这是因为随着扫描速度的增加，镍基合金粉末与激光的作用时间减少，从而获得的能量减少，熔池温度降低，熔池中合金冷却速度加快，过冷度和形核率均增大，进而双相组织变的细小且分布致密均匀。
图7为不同激光扫描速度下结合区的微观形貌。可以看出，随着扫描速度的增加，熔覆层和基体的接合面趋于平直规则。这是因为，随着扫描速度的增加，镍基合金粉末与激光的作用时间减少，基体和激光的作用效率降低，使基体和镍基合金粉末获得的能量减少，温度降低，降低了基体和镍基合金原子的扩散，使得基体对熔覆层的稀释作用减小，即稀释率减小，从而成分均匀过渡，熔覆层和基体能形成良好的冶金结合。由图5和图7分析可知，稀释率是熔覆层的一个重要影响因素，而激光功率和扫描速度对稀释率作用明显，因此要合理控制，以便获得良好的熔覆层。
图8为不同激光工艺参数处理后试样的显微硬度测试结果。可以看出，熔覆层的硬度值远大于基体，硬度( HV0.1最大为550，出现在距熔覆层与基体界面0.5 mm处。强化的作用机理主要为固溶强化、弥散强化及细晶强化综合作用的结果。由XRD分析结果可知，熔覆层中的主要物相Cr7 C3、Cr23C6、WC、FeMo使熔覆层显微硬度显著提高，弥散分布于-(Fe，Ni)固溶体中。与C02激光器相比，光纤激光具有更加优良的光束质量和能量密度，同时由于自身激冷作用，导致光纤激光熔覆是一个快速冷却过程，晶粒明显细化。熔覆层顶部，由于高能激光的作用，部分合金元素烧损和挥发，硬度较低。近结合面的熔覆层显微硬度显著降低，热影响区的硬度高于基体而低于熔覆层的硬度，这两部分区域形成了一个良好的过渡。这个过渡区可以减少熔覆层内部存在的高内应力，同时有利于熔覆层和基体形成良好的冶金结合。
由图8还可看出，熔覆层的显微硬度随扫描速度的增加而增加，随激光功率的增加而减小。这是因为随着激光功率的减小或扫描速度的增加，组织逐渐细化，从而显微硬度增加。热影响区的显微硬度随着扫描速度的减小和激光功率的增加而增大。这是因为随着激光功率的增加或扫描速度的减小，基体接受的激光能量增大，温度升高，从而温度梯度大，热影响区冷却速度大，能形成更多的淬火马氏体，硬度增加。
3 结 论
(1)在其他工艺参数一定的条件下，随着激光功率的增加，熔覆层宽度(W)、高度(H)和厚度(T)均增加，熔覆层的双相组织粗大且分布稀疏不均匀，结合面趋于不规则。随着扫描速度的增加，熔覆层的双相组织细化且分布均匀，结合面趋于平直规则。
(2)熔覆层的主要物相包括𝜆-( Fe，Ni)、Cr23 C6、Cr7 C3、WC和FeMo。
(3) 45号钢经激光熔覆镍基合金粉末处理后，硬度( HVo.1)最大值为550，出现在距结合面0.5 mm的熔覆层处。随着扫描速度的增加，熔覆层的显微硬度增加，热影响区的显微硬度减小；随着激光功率的增加，熔覆层的显微硬度减小，热影响区的显微硬度增加。
摘 要
利用光纤激光器在45号钢表面熔覆镍基合金粉末，通过金相显微镜、显微硬度计和X射线衍射仪等分析测试手段，对激光熔覆镍基合金粉末45号钢熔覆层组织和性能进行分析研究。结果表明，在其他工艺参数一定的条件下，随着激光功率的增加，熔覆层宽度、高度和厚度均增加，熔覆层的双相组织粗大且分布稀疏不均匀，结合面趋于不规则。激光熔覆层的主要物相由-( Fe，Ni)、Cr23C6、Cr7 C3、WC和FeMo组成。随着扫描速度的增加，熔覆层的双相组织细化且分布均匀，结合面趋于平直。45号钢经激光熔覆镍基合金粉末处理后，硬度(HV0.1)最大值为550，出现在距结合面0.5 mm的熔覆层处。
