激光功率对2Cr13不锈钢激光熔覆涂层的影响

材料表面，直至表面达到熔化状态，形成熔池，通过预置粉末或是同步送粉将熔覆材料冶金结合到基体材料表面，当激光束移开后，熔池再以極快的冷却速度冷却（104K/s）[3]，最后形成熔覆层。一般情况下，根据表面性能需要，可以熔覆不同的粉末材料来获得相应的耐磨性[4-5]、耐蚀性[6]、高温抗氧化性能[7]等。影响涂层质量的因素很多，包括激光功率、扫描速度、送粉量、光斑直径等。

本文以某注水泵柱塞为研究对象，针对柱塞在工作过程中出现的磨损失效、冲蚀问题展开研究，如图1所示是该零件表面失效位置。这种失效造成注水泵压力和效率降低，严重影响水泵的工作。若直接更换，会导致运行效率低，影响正常生产，且每年就注水泵维护费用非常之高。本文针对该组合阀失效问题，采用激光熔覆工艺进行了修复再制造，减缓资源紧张与资源浪费，减少失效或报废产品对环境的危害，达到失效零件再制造、再利用、降低成本的目的。

1 试验

1.1 试验材料

该组合阀材料为2Cr13不锈钢，因此试验过程中直接选择2Cr13不锈钢为基材，通过检测，其化学成分如表1所示，制备试样尺寸为φ14×8mm。涂层粉末选择耐蚀性和耐磨性较好的Ni60+25%WC复合粉末，粉末粒度40-80μm，其化学成分如表2所示。

1.2 熔覆工艺与性能测试

采用laserline系列LDM2.000-60激光熔覆系统制备熔覆试样，试验方案如表3所示。采用KH1300三维视频显微镜观察显微组织，HXD-1000TMC/2000TMC/LCD带图像分析自动转塔显微硬度计在加载1.961N，保压10s的测定条件下进行硬度测试。

2 结果分析

2.1 显微组织分析

如图2所示当激光功率为1200W时不同扫描速度下熔覆层的宏观组织，从图中可以看出当扫描速度为350 mm/min时，熔覆层中出现了较多的气孔，随着扫描速度的逐渐增大，熔覆层中气孔量不断减小，这是由于扫描速度慢时，熔覆层表面吸收的激光能量多，熔池的温度高，熔池金属吸收了较多的气体，但是在凝固过程中这些气体又不能完全逃逸，最终被“封存”在熔覆层中。

但是，经过对熔覆层硬度分析发现，550mm/min时熔覆层的硬度并不是最高，分析原因是由于扫描速度太大，导致粉末中WC粉末不能有效熔覆到熔覆层中，而是以原始的颗粒状分布在熔覆层中，导致WC硬质相颗粒脱落，降低了表面硬度，为此重点选择了450mm/min的扫描速度进行分析。

如图3所示为扫描速度为450mm/min时不同功率下熔覆层中间部分的显微组织，从图中可以看出1000W时熔覆层的组织比较疏松，与图2（a）表现出了相同的结果，同时，从1100W和1200W功率下，也发现在熔覆层中出现了少量的、体积较小的空洞。1200W时组织最为致密，熔覆层中出现了较大的树枝状组织（亮白组织），这种组织对于提高熔覆层的表面硬度具有非常明显的效果。在1100W时，组织中出现了树枝状组织和一些等轴晶。如图4所示是对三种功率下熔覆层与基体界面处的显微组织照片，通过对熔覆层与基体的界面处的显微组织分析发现，在1000W时熔覆层底部依然出现了比较多的空洞。由于在熔覆层底部，熔池的散热条件基本相似，所以，在三种功率下，熔覆层底部都形成了树枝状组织，且树枝晶的尺寸相似。

2.2 熔覆层硬度分析

如图5所示为三种功率下熔覆层的硬度分布情况，从图中可以看出，随着激光功率的增大熔覆层的硬度不断增大，在1200W功率下，熔覆层的表面硬度明显高于另外两种功率条件，但是1200W时表面的硬度分布不均匀，这与其显微组织是密切相关的，前述在1200W时，表面熔覆层组织中出现了较大的树枝状组织（亮白组织），但是该组织分布不均匀，这导致表面的硬度分布波动较大，同时在组织中依然存在的空洞也是造成硬度波动的另一原因。从硬度分布曲线可以看出，大致的分布都是随着距离熔覆层表面的距离增大硬度是逐渐减小，并在距离表层1.6mm处基本汇聚一点（达到了基体）。

从图中可以看出，经过熔覆处理之后表面层的硬度都比基体的硬度高，说明激光熔覆Ni60+WC粉末有效地提高了表层硬度，对改善零件表面的耐磨性是由帮助的，但由于功率不同，熔覆层中出现了不同的组织，导致表层的硬度出现很大的区别。虽然1200W时表面硬度分布不均匀，但从零件耐磨性方面考虑，1200W熔覆层中出现的最小硬度也在其他两个功率硬度之上，所以，拟选用1200W作为该零件的修复工艺参数，结合前述的扫描速度的影响，最终选择450mm/min扫描速度，和1200W的激光功率。

3 结论

采用激光熔覆工艺研究了2Cr13注水泵柱塞修复工艺，通过系列实验，最终得到如下结论：

①在三种条件下，熔覆层中都出现了一定数量的空洞。

②熔覆层表层的显微组织和底部显微组织，由于功率条件不同，产生了不一样的组织，随着功率的增大，组织中出现了除树枝晶以外的等轴晶，在1200W时组织中出现了较大的树枝状组织。

③硬度测试结果表明，1200W时硬度分布虽不均匀，但是总体硬度值高于其他两个功率条件，且硬度分布基本是随着距离表面的距离增大而减小。

④最终确定修复方案为扫描速度为450mm/min，激光功率为1200W。

参考文献：

[1]徐滨士，董世运，朱胜史，等.再制造成形技术发展及展望[J]. 机械工程学报，2012，48（15）：96-105.

[2]陈江，刘玉兰. 激光再制造技术工程化应用[J]. 中国表面工程，2006，19（5）：50-55.

[3]Maniya Aghasibeig， Hasse Fredriksson. Laser cladding of a featureless iron-based alloy [J]. Surface &Coatings Technology， 2012， 209： 32-37.

[4]韓玉勇，鲁俊杰，李剑峰，等.基于激光熔覆的车床主轴再制造[J]. 中国表面工程，2015，28（6）：147-153.

[5]LiJianing，Chen Chuanzhong， He Qingshan. Influence of Cu on microstructure and wear resistance of TiC/TiB/TiN reinforced composite fabricated by laser cladding [J]. Materials chemistry and physics， 2012， 133： 741-745.

[6]徐金涛，李安，刘栋，等.激光熔覆Cr3Si/γ 多相涂层耐蚀性和耐磨性研究[J]. 中国激光，2016（3）：66-72.

[7]郑必举，蒋业华，胡文. 铝含量对Al_xCrFeCoCuNi高熵合金涂层抗氧化性能的研究[J]. 应用激光，2016（1）：18-22.

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