合金元素及其含量对铁基合金激光熔覆层性能的影响

激光熔覆（亦称激光堆焊）是指以不同的添加方法在被熔覆的基体上放置选择的涂层材料，经激光辐照后，使之和基体表面熔化，经快速凝固形成低稀释度的﹑与基体呈冶金结合的表面涂层的工艺过程。与传统的表面处理技术，如电镀和热喷焊等相比，激光熔覆技术具有熔覆层晶粒细小，热影响区和热变形区小等优点。笔者在文献里研究了碳元素含量对铁基合金激光堆焊层性能的影响，获得了高硬度无裂纹的熔覆层。由于合金元素对钢铁材料的性能同样起着重要的作用，故在本文里则进一步研究合金元素对铁基合金激光熔覆层性能的影响，以便获得不同性能（如不同硬度）的熔覆层满足不同的生产需要。

1 试验材料及方法

激光熔覆试验采用德国Rofin公司制造的ROFIN TR050型快轴流CO2激光器。实验过程中，激光功率为3.5KW，激光光束波长为10.6μm;采用烧蚀法测量光斑直径，通过调整离焦量，使试验过程中光斑直径为4mm;采用单道单层预置式激光熔覆，预置的粉末厚度为1.5mm;激光扫描速率为6mm/s扫描长度均为30mm;使用Ar作为保护气体，主要用于防止合金粉末在熔覆过程中发生氧化，Ar气流量为3.6L/min。基材采用A3钢，尺寸为100mmx40mmx5mm，表面酸洗去锈，并用丙酮清洗干净，然后烘干备用。实验采用性能较好的合金粉末Fe202作为基础合金，该粉为150~200目的自制Fe-Ni-Cr-B-Si-C合金，化学成分(质量分数，%) 为92.7Fe，3Ni，2Cr，1B，1Si，0.3C。激光熔覆试验结果表明，采用Fe202合金粉末作为熔覆用粉，可获得高硬度无裂纹的铁基激光熔覆层。在Fe202中分别添加不同含量的Ni、Cr和Mo，以研究各种合金元素及其含量(质量分数)对熔覆层性能的影响规律。

为了让所添加纯合金元素能与原合金粉末均匀混合，并达到一定合金化程度，将混合的合金粉末先通过机械球磨机进行混料处理。其处理工艺为：球磨时间为10h，磨球为Φ10mm左右的硬质合金球，磨球与合金粉末的质量比例为5:1，球磨时稀释剂为适量无水酒精。球磨后粉末在100℃烘干2h，然后过筛待用。

利用洛氏硬度计检测各种成分合金熔覆层的表面硬度；采用X射线衍射法测定各熔覆层中的残余奥氏体（AR）量；采用放大倍率为10倍的体视显微镜来观察和测量裂纹的条数和长度；熔覆层的开裂敏感性α是通过衡量单位面积内裂纹长度得到的，α=∑Li/A，Li是第i条裂纹的长度(mm)，A是熔覆层的面积(cm2)。

2 试验结果及分析

2.1 合金元素及含量对熔覆层硬度的影响

合金元素及其含量对熔覆层表面硬度的影响如图1所示。可知，Ni可降低熔覆层的硬度，随Ni含量增加，熔覆层的硬度开始平稳下降;Ni含量超过7%后，熔覆层硬度急剧下降;少量地添加Cr可以略微增加熔覆层的硬度，但Cr含量超过4.6%时H+熔覆层的硬度略微下降，当Cr的含量进一步增加时，熔覆层的硬度有较明显下降，但下降幅度没有Ni大;随Mo含量增加，熔覆层的硬度增加，但Mo含量超过5.75时，熔覆层的硬度下降，当Mo含量进一步增加时，熔覆层的硬度没有明显变化。合金元素对熔覆层硬度的影响主要是由于熔覆层中AR量的变化造成的，由于AR硬度低，如果熔覆层中AR增加较多，则熔覆层硬度会有所下降，而合金元素含量变化对熔覆层AR量(体积分数)的影响见图2(实测)。

2.2 合金元素及含量对熔覆层开裂敏感性的影响

合金元素对熔覆层开裂敏感性的影响如图3所示，由于采用Fe202合金粉末制备得到的熔覆层没有裂纹，可见(1)无论添加多少Ni元素都不能使熔覆层产生裂纹。由于Ni元素能够增加熔覆层中的AR量，它应有减少熔覆层开裂敏感性的作用，宋武林的研究也证明了这点。虽然在本试验中由于试样尺寸相对较小，未添加Ni元素的熔覆层本身无裂纹，所以未体现Ni元素的有效作用，但如果是在熔覆条件更恶劣，比如是在熔覆层冷却速度更大或周围拘束应力更复杂的情况下，应能体现Ni元素的这一作用。（2）随着Cr元素含量的增加，熔覆层的开裂敏感性增加，但当Cr元素含量达到和超过9.8%时，由于AR量急剧增加，降低了熔覆层开裂敏感性，熔覆层不产生裂纹。

2.3 合金元素及含量对熔覆层AR量的影响

AR的存在及其含量无疑对熔覆层的硬度和开裂敏感性起着重要作用。由图可知（1）随着Ni含量的增加，熔覆层中AR量增加，几乎成正比例关系;(2)随着Cr含量的增加，熔覆层中AR量起初增加缓慢，随后增加很快;(3)随着Mo量的增加，熔覆层中的AR量缓慢增加。熔覆层中AR量随Ni、Cr和Mo含量的增加而增加，是因为这些合金元素降低了马氏体转变终了温度Mf，而Mf点的高低决定了钢淬火至室温时的AR量。

3 结论

随着Ni含量的增加，熔覆层中AR量增加，硬度下降，开裂敏感性不变;随着Cr含量的增加，熔覆层中AR量增加，硬度先是略微增加，然后下降，熔覆层开裂敏感性先是增加，然后下降，随着Mo含量的增加，熔覆层中AR量缓慢增加，熔覆层硬度先是增加，然后下降，最后基本保持不变，熔覆层开裂敏感性持续增加。

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合金元素及其含量对铁基合金激光熔覆层性能的影响

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