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摘要：研究了利用横流C02激光器在38CrMoAl表面激光熔覆NiCrBSi + WC(25%wt)复合合金层的组织、硬度与耐磨性。用扫描电镜观察组织形貌，用X 射线仪进行物相分析，用摩擦磨损试验机进行耐磨性实验，结果表明:合金层与基体成良好的无裂纹气孔的冶金结合。表团耐磨性与工艺参数具有-定的对应关系，且2.2kW 时的耐磨性最高，为氟化工艺的7.8 倍。
关键词：激光熔覆;物相分析;耐磨性;冶金结合
引言
本文主要针对塑料挤出机螺杆棱峰的修复而研究。通过组织观察、物相鉴定、性能测试，对比不同工艺的性能，优化出激光熔覆最佳工艺，并将该工艺应用于成品加工，提高螺杆棱峰强度、耐磨性，提高其使用寿命。
1 实验材料
根据挤出机螺杆的工况要求，实验选用原材质38CrMoAl 调质态做为基体材料，加工成50mm x30mmx20mm 的长方体试样，作激光熔覆实验用。
激光熔覆粉末选用NiCrBSi + WC(25%wt) 自熔含金粉末，粉末粒度为一140- +320 目，其成份见表1. （图片） 2 实验方法
2.1 撒光熔雹工艺
全部试样的激光熔覆加工是在上海雷欧激光设备厂生产的HJ-4 型横流CO2激光器(两台串联)上进行的，输出总功率为5kW。利用天津纺织工学院生产的JKJ-6 型激光宽带扫描器将光斑展宽成矩形光斑。送粉方式采用与宽带扫描器相配套的JKF-6 型激光宽带涂敷自动送粉器自动送粉，采用与熔覆矩形光斑相近的扁形粉嘴。工作台为二维数控工作台。
全部实验光斑尺寸为1. 5mm x 15mm ，熔覆实验前试样预热到400'C ，熔覆实验后4oo'C保温缓冷，以防止出现裂纹。为提高表面平整度、消除微观缺陷，熔覆后用2kW 功率重熔表面。
2.2 组织分析、物相鉴定和性能测试
将激光溶覆试样用线切割从中部横向切开，用JSM-5600LV型扫描电镜观察结合面与熔覆层组织形貌。用XRD-600型X射线衍射仪进行物相分析。
用DMH-2LS 型显微硬度计测量横截面显微硬度，并测量出熔覆层深。在激光熔覆试样上沿纵向切下25mmx lOmm X lOmm 的方形试样，其中一侧面(25mm X lOmm) 为熔覆合金层。在M-00型摩擦磨损试验机上进行耐磨性实验。为便于比较，将原始调质态基体、原始基体调质+氮化试样也做成同样尺寸的试样在相同的磨损条件下进行耐磨性实验。
3 实验结果与组织分析
3.1 物相鉴定与组织分析
图1 为典型工艺下(P= 1. 9kW) 熔覆层表层的X 射线衍射谱。熔覆层中Cr1.8 W3.2B3、Cr23C6、Ni3B、AIFe2B2、WC1-x 等硬化相对提高熔覆层的硬度，提高其耐磨性起着积极的作用。当激光束能量被粉末和基材表面吸收后，粉未被熔化，同时基体表层也将达微熔状态，从而在基体表面形成熔池。在表面张力、等离子流力、重力以及各元素间的扩散等综合因素的作用下，熔池中各种元素在短时间内达到均匀混合(1)。粉末中的Cr、SiB、C等和来自基体的微量Fe 、AI 等元素在熔池中相互结合，从而形成如图1 所示的各种物相。激光熔覆层组织如图2所示。从图中可以看出:这种高温快速熔化凝固的合金组织为细密状组织，表层内的WC 颗舵在高能激光束作用下几乎全部熔解。WC 颗粒的全部熔解不仅增加了固溶度，而且使Ni-Cr-B-Si-W-C 多元合金系共晶点左移，共晶化合物增多。（图片） （图片）
阁2 熔覆层组织 由图2 可以看出熔覆层可分为四部分，分别为表层枝晶区(A 区)、中部细晶区(8 区)、熔覆结合枝晶区(C 区)及基体(D 区)。由于温度梯度较大， A区和C 区将首先结晶并向相邻区扩展，由于其冷却较快，枝晶生长速度也较快，而熔覆层中部(B 区)的冷却速度较慢，显微组织由枝晶状逐渐变成了胞状。
由图2 可见，基体表面、熔合带、熔覆层三者之间的晶界是连续的，这一结果说明熔覆层合金的结晶过程是从未熔化的母材晶粒表面和熔覆层表面开始的，随着晶体外延长大，从而导致联生结晶。这种合金层及结合层具有较好的强韧性及较好的组织稳定性(2) 。
3.2 熔覆功率的影响
(1)对熔覆层的影响
如图3 所示，随着熔覆功率的增加，熔覆层厚度略有增加。说明在光斑尺寸、扫描速度、送粉率不变的前提下，功率的增加对熔覆层的增加贡献不大。稍许变化是由于功率的增加，增大了对基体的熔化(增大稀释率)。据此可以推断，当满足熔覆条件下，提高熔覆功率只能增加基体熔化，而不能明显提高熔覆层的厚度。（图片）
图3 功率对熔覆层厚度的影响 (2) 对硬度的影响
在此引人硬化层概念，定义为从熔覆层表面到硬度达到基体硬度点之间的距离。硬度分布曲线如图4 所示。在表面极薄一层(A 区)(对应图2 中的A 区) ，由于受高能激光直接照射，吸收能量最多，导致部分元素烧损和表面挥发，因而硬度略有降低;而在熔覆层中下部(固4B 区)(对应图2中的B，C区)， WC 熔解较充分， Cr 、Fe 、W 等元素的固熔强化，使基体的固溶度最高。W、B 等元素的弥散强化以及微细晶粒的细晶强化，使该层硬度最高;图4 中的C 区(对应图2 中的D 区) ，是由于基体的相变硬化而造成的硬度提高。（图片）
图4 横截面硬度分布 表2 给出了功率对最高硬度HK、高硬度点距表面距离S 、硬化层S1的影响。在P= 1.9kW 时，出现硬度极大值。且在此功率下，高硬度点距表面距离最大，为O.6mm。且此时的硬化层S1可厚达7.5mm，这对提高服役工件的机械性能有一定实际意义。（图片） (3)对耐磨性的影响
如图5 所示，功率为2.2kW 时相对耐磨性达到最大值(以原始试样的相对耐磨性为1) ，为原始试样的7.8 倍，为氮化试样的2.9 倍。在P<2.2kW时，随功率增大相对耐磨性增大;而在P>2.2kW时随表面元素的烧损和挥发耐磨性又有所降低。（图片） 由图1 及图2 可知，Cr1.8W3.2B3、Cr23C6、Ni3B等强化硬质相均匀分布在过饱和的γ-Ni 基体上，使试样耐磨性有较大幅度的提高。
比较表2 与图5 可知， P = 1. 9kW 时硬度虽然最高，但在图5 中试样并未显现出最高的相对耐磨性，这是由于高硬度是熔覆层的固溶强化、弥散强化和细晶强化所致，而高耐磨性是在高强韧基体上均匀分布着耐磨硬质颗粒，且二者结合牢固的缘故。
4 结论
(1)在38CrMoAl表面激光熔覆NiCrBSi+WC(25%wt) 合金层，硬化区可分为表面枝晶区、中部细晶区、熔覆结合枝晶区及基体四部分。熔覆层中物相Cr1.8W3.2B3、Cr23C6、Ni3B等硬化相对提高硬度、耐磨性起着积极的作用。过饱和的γ-Ni 基体的固溶强化和细晶强化、WC1-x的弥散强化，使硬质相具有强韧的衬底，大大提高其耐磨性。
(2) 合金层与基体成冶金结合，具有较好的强韧性及组织稳定性。提高熔覆功率对熔覆层厚度的提高贡献不大，只能增加对基体的熔化(提高基体的稀释率)。
(3) 硬度在次表层达到最大值。在p= 1. 9kW时硬度最高，为1116 .4HK ，高硬度点距表面距离最大，为0.6mrn，硬化层最深，为7.5mm。
参考文献:
(1) 张思玉等. 60号钢表团碳鸽合金激光熔覆的特性分析(J) .中国激光， 1991，18(6):467 - 469.
(2) 刘永镇. 激光表面熔覆层的耐磨性和耐蚀性实例.第四届全国激光加工学术会议论文集(C). 北京:冶金工业出版社，1997.53-57
12/9/2010
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