许妮君^1,2, 刘常升^1,3, 冯欣俣^1,3, 孙挺⁴
1. 东北大学 材料各向异性与织构教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110819;
2. 西安建筑科技大学 化学与化工学院, 陕西 西安 710005;
3. 东北大学 激光应用技术与装备辽宁省重点实验室, 辽宁 沈阳 110819;
4. 东北大学 理学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2018-06-10
基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1508213, 51771051);国家重点研发计划资助项目(2017YFB0305801)。
作者简介：许妮君(1975-), 女, 陕西西安人, 东北大学博士研究生, 西安建筑科技大学讲师;
刘常升(1963-), 男, 内蒙古奈曼旗人, 东北大学教授, 博士生导师;
孙挺(1960-), 男, 辽宁大连人, 东北大学教授, 博士生导师。

摘要：研究了激光熔覆功率、扫描速度和熔覆材料对熔覆层组织结构与耐磨性等的影响.结果表明:梯度熔覆层连续完整，无裂纹、气孔等缺陷, 与45钢基体呈冶金结合状态.熔覆层显微组织特征为枝晶、等轴晶等多种形貌的快速凝固组织, 由α-Fe, CrNiFe-C和Cr₇C₃等组成.熔覆层显微硬度呈梯度分布，表层硬度达7.48 GPa, 过渡层硬度达5.52 GPa, 分别是基体硬度的3.74和2.76倍.激光熔覆技术可显著提高45钢的耐磨性能.
关键词：激光熔覆梯度涂层层流冷却辊45钢组织性能
Effects of Laser Cladding Parameters on Microstructure and Properties of Gradient Cladded Coating on 45^# Steel
XU Ni-jun^1,2, LIU Chang-sheng^1,3, FENG Xin-yu^1,3, SUN Ting⁴
1. Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials, Ministry of Education, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. College of Chemistry and Chemical Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710005, China;
3. Key Laboratory for Laser Application Technology and Equipment of Liaoning Province, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
4. School of Sciences, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: LIU Chang-sheng, E-mail: csliu@mail.neu.edu.cn
Abstract: The effects of laser cladding power, scanning speed and cladding materials on the microstructure and wear resistance of the cladded coating on 45^# steel were investigated. The results show that the gradient cladded layer is continuous without the defects of crack pores and is metallurgically bonded to the 45^# steel matrix.The microstructure of the cladded layer are characterized by dendritic crystals, equiaxed crystals and other rapid solidification structures, which is composed of α-Fe, CrNiFe-C and Cr₇C₃. The microhardness of the cladded layer is gradient, and the surface hardness of the cladded layer and the transition layer are 7.48 GPa and 5.52 GPa, respectively, which is 3.74 and 2.76 times of the hardness of the substrate.Therefore, the laser cladding technology can significantly improve the wear resistance of 45^# steel.
Key words: laser claddinggradient coatinglaminar flow cooling roll45^# steelmicrostructure and properties
层流冷却辊是钢铁生产过程中重要的易损备件, 需要经常更换, 其表面强化延寿与再制造具有重要的实际意义^[1-3].激光熔覆技术是高能密度表面处理的革新技术, 具有绿色、节能节材、可强化可再制造等先进性, 区别于表面镀、热喷涂等传统处理工艺, 能够制备连续、大面积的厚熔覆层, 满足工程实际零部件的延寿和修复再制造需要^[4-6].近年来, 激光熔覆技术得到快速发展, 在冶金矿业、能源交通、航空航天和机械制造等领域得到了大量应用^[7-11].以上研究工作多涉及激光类型、熔覆材料、基体材料、工艺优化和组织性能, 极大丰富了激光熔覆技术研究与应用的深度和广度.但是, 由于应用领域和使用条件的变化, 在特定实验条件下获得的优化工艺和熔覆层组织特征就不再有唯一的普适性.另外, 铁基合金具有优异的表面使用性能, 截至目前仅有限的铁基合金与激光熔覆技术结合实现了工程应用^[12].本文设计了激光熔覆梯度熔覆层技术方法和新型熔覆材料, 通过多道搭接和双层重叠处理, 制备连续、大面积的厚表面强化层, 并研究其显微结构特征与耐磨性等, 为提高层流冷却辊的耐磨性与使用寿命提供指导.
1 实验材料与方法实验选用新型铁基耐磨合金DL2501和DL155作为熔覆材料, 由大陆激光技术公司提供.DL155的主要化学成分(质量分数, %)为C 0.4, Mo 1.8, Si 1.45, Ni 3.1, Cr 15.8, 余量Fe 77.45.DL2501的主要化学成分(质量分数, %)为C 0.4, Mo 1.58, Si 1.4, Ni 3.3, Cr 17.5, 余量Fe 75.82.采用5 kW连续CO₂激光器在层流冷却辊常用45钢表面制备梯度熔覆层.采用侧向同步送粉激光熔覆技术, 首先确定和优化单道工艺参数, 根据熔覆层的几何尺寸、微观形貌和显微硬度等, 确定合适的工艺参数.优化参数, 通过搭接方式制备过渡熔覆层, 再在过渡层上制备多道的熔覆表面层.激光工艺参数为激光功率3 000~4 500 W, 扫描速度400~800 mm/min, 光斑直径4 mm, 搭接比50 %.
2 微结构与性能2.1 单道激光熔覆层图 1为优化工艺下DL155单道激光熔覆层形貌.可见熔覆层组织连续均匀、无裂纹与孔洞等宏观缺陷, 可分为熔覆区、界面区和基体热影响区, 如图 1a所示.在熔覆区顶部, 表层向外界散热, 在熔池上方存在较大过冷度, 熔池内部可发生非均质形核, 在对流搅拌作用下, 晶体生长取向多样, 最终形成了取向各异的等轴晶和细枝晶, 如图 1b所示.在熔覆区中部, 在凝固进程逐渐向熔覆层表面推进过程中, 固-液界面前沿温度梯度逐渐减小, 冷却速率继续增大, 前沿成分过冷区不断扩大, 形成细枝晶区, 如图 1c所示.在熔池底部, 存在极大的温度梯度，在熔池与基体结合的界面处形成细小的等轴晶.随着远离界面, 凝固条件发生改变, 凝固过程以细小枝晶向熔池内部生长, 取向与固-液界面近似相互垂直.同时, 也显示出熔覆区和基体间形成了冶金结合, 如图 1d所示.
图 1(Fig. 1)

图 1 单道激光熔覆DL155涂层的OM和SEM金相形貌Fig.1 OM and SEM morphologies of laser cladded DL155 coating (a)—OM宏观形貌; (b)—熔覆层接近表面顶部区; (c)—熔覆层中部区; (d)—熔覆层底部接近基体交界区.

2.2 多道搭接激光熔覆过渡层图 2为DL155多道搭接激光熔覆过渡层的显微组织形貌.当搭接率为50 %时, 搭接熔覆层的表面连续平整, 无裂纹和气孔等宏观缺陷, 界面呈冶金结合, 在45钢基体表面成功得到了大面积熔覆过渡层.
图 2(Fig. 2)

图 2 多道搭接DL155激光熔覆层金相组织形貌Fig.2 Micrographs of multi-track laser cladded DL155 coating (a)—熔覆层全貌; (b)—搭接区形貌; (c)—熔覆层底部形貌.

2.3 多道搭接激光熔覆表面层图 3为DL2501多道搭接激光熔覆表面层的显微组织形貌, 可见表面层连续平整, 无裂纹等表面宏观缺陷, 与过渡层呈冶金结合.图 3a为激光熔覆过渡层和表面层的宏观整体界面形貌, 可见两层厚度之和达到了2 mm以上, 能够满足层流冷却辊工作层的厚度要求.图 3b为熔覆表面层搭接区的显微组织形貌, 图中明显可见搭接界面处的等轴晶、中间部位的细小枝晶和顶部的粗大枝晶形貌与单道熔覆层和熔覆过渡层的形貌特征具有相似性.图 3c为熔覆表面层的底部组织形貌, 与熔覆表面层其他部位相比, 枝晶同样细小, 可见在过渡层之上的外延生长特征.与图 2中的形貌相比, 表面层的枝晶较过渡层的更细小.
图 3(Fig. 3)

图 3 多道搭接激光熔覆DL2501涂层横截面的金相组织形貌Fig.3 Micrographs of multi-track laser cladded DL2501 coating (a)—熔覆层全貌; (b)—搭接区形貌; (c)—熔覆层底部形貌.

2.4 多道搭接激光熔覆过渡层与表面层的物相由图 4可知, 过渡层和熔覆表面层均由α-Fe, Cr-Ni-Fe-C和Cr₇C₃等物相组成.
图 4(Fig. 4)

图 4 激光熔覆层的XRD图Fig.4 XRD spectra of laser cladded coating (a)—DL155过渡层; (b)—DL2501表面层.

2.5 多道搭接激光熔覆过渡层和表面层的显微硬度图 5a为多道搭接激光熔覆过渡层的显微硬度曲线.在横截面上，按照垂直熔覆层中心区和搭接区由表及里进行维氏显微硬度的测量，两个区的显微硬度分布规律大致相同，从表面至基体方向均呈梯度起伏变化，中心区硬度曲线起伏较小，分布较为均匀，搭接区的显微硬度起伏明显较中心区大，机理在于搭接区复杂组织结构的影响.熔覆层平均显微硬度可达4.5 GPa，最大值为5.52 GPa，约是基体显微硬度(2 GPa)的2.76倍.
图 5(Fig. 5)

图 5 激光熔覆层的显微硬度曲线Fig.5 Micro-hardness of laser cladded coating (a)—过渡层的搭接区与熔覆区; (b)—梯度熔覆层.

图 5b为激光多道搭接梯度熔覆层的显微硬度随激光扫描速度变化的曲线.在横截面上，按照垂直梯度熔覆层由表及里进行维氏显微硬度的测量，熔覆层的显微硬度依次降低，呈两个明显的梯度变化.随激光熔覆扫描速率的增加，显微硬度呈现下降的趋势.在400 mm/min条件下，表面层的平均显微硬度可达7.30 GPa，最大值为7.48 GPa，约是基体显微硬度(2 GPa)的3.74倍.表面层的显微硬度高于过渡层，其机理在于熔覆材料中Cr含量的增加、Cr的固溶强化、Cr₇C₃析出强化、基体的马氏体强化及细晶强化的共同作用.
2.6 多道搭接激光熔覆表面层的高温摩擦磨损行为采用MG-2000型高温高速摩擦磨损试验机对多道搭接激光熔覆表面层和45钢基体的磨损失重进行测量，同时记录摩擦系数.在试验温度500 ℃，载荷100 N，转速300 r/min，磨损时间10, 20, 30 min条件下，二者的磨损失重如图 6所示.随着磨损时间从10 min延长至30 min时，45钢基体的磨损失重量变化规律和工作层的失重变化规律基本一致，均呈不断增加趋势，但随时间的延长激光熔覆表面层的磨损失重量仅是45钢失重量的1/2~1/4，呈现出优良的耐磨性.在磨损10 min时，磨损处于孕育期，试样表面仅出现少量的塑性变形，基体和工作层的质量损失均较小，基体失重量为0.017 6 g，是表面层失重量的2.07倍.随高温磨损时间的增加，试样表面的变形加剧，基体和表面层试样的磨损失重量均有所增加，其高温耐磨性均有所降低，且基体耐磨性降低程度更大.随后，随磨损时间的延长，基体失重量为0.092 7 g，是表面层失重量的3.88倍，表明45钢基材的高温耐磨性较差，但激光熔覆工作层却表现出优良的耐磨性.
图 6(Fig. 6)

图 6 不同磨损时间的45钢基体和激光熔覆表面层的磨损失重Fig.6 Weight loss of 45# steel matrix and laser cladded coating under different wearing time

综上所述，激光熔覆表面层的磨损失重随时间延长而平稳增加，表面磨损进程稳定，磨损机制为磨粒磨损，且贯穿磨损初期至加速期的整个过程，在加速期伴有黏着磨损.45钢基体的磨损进程较不稳定，表面磨损失重会随时间增加而快速增大，磨损机制由发生初期的磨粒磨损向黏着磨损转变.可见，激光熔覆表面层的耐磨性能优于45钢基体的耐磨性能.因此，激光熔覆技术可显著提高45钢的耐磨性能，预期在层流冷却辊的强化和再制造工程具有应用价值.
3 结论1) 采用激光熔覆技术所制备的梯度熔覆层具有连续和完整性, 无裂纹、气孔等宏观缺陷, 与45钢基体呈冶金结合状态, 厚度可达2 mm以上.熔覆层显微组织特征为枝晶、等轴晶等多种形貌的快速凝固组织, 由α-Fe, CrNiFe-C和Cr₇C₃等组成.熔覆层内合金元素的成分宏观分布均匀, 局部微区有Mo, Cr在枝晶间富集.
2) 所制备的梯度熔覆层的显微硬度呈梯度分布, 表层达7.48 GPa, 过渡层达5.52 GPa, 分别是基体硬度的3.74和2.76倍.激光熔覆技术可显著提高45钢的耐磨性能, 预期在层流冷却辊的强化和再制造工程具有应用价值.
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