1 引言

45钢是工程中广泛应用的中碳优质结构钢,经调质处理后常用于制造连杆、齿轮、轴等强度要求较高的传动零件。这些零件常工作于恶劣的环境下,表面磨损严重,为延长其使用寿命,通常需要对其表面进行强化处理^[1-2]。激光熔覆技术利用高能激光束使工件表面薄层与覆盖在工件表面的高性能熔覆材料快速熔化,激光束移开后,激光熔池迅速凝固,从而形成性能优异的熔覆层。近年来,随着高功率激光器的研发与推广,激光熔覆因具有工件变形小,涂层与基体结合强度高等优势而逐渐成为材料表面强化与废旧零件再制造的应用热点之一^[3-7]。

目前,激光熔覆应用最多的材料有镍基、钴基和铁基三种合金^[3-5]。与另外两种合金相比,铁基合金与钢材基体成分更相近,涂层与基体的结合强度更高。此外,铁基合金的价格较低,因此,开展激光熔覆铁基合金的研究更具有实际意义^[5]。丰慧等^[6]在受损45钢曲轴轴颈表面激光熔覆了铁基自熔性粉末,实现了曲轴的修复再制造;韩玉勇等^[7]采用YAG激光在受损的45钢主轴上熔覆了FeCr合金粉末,将熔覆层磨削加工至设计尺寸后装机服役,与受损45钢主轴服役相同时间后发现,激光熔覆主轴的磨损量小于原主轴。

Fe901合金是在1Cr13不锈钢中添加适量B、Si和Mo元素而形成的。1Cr13属于半马氏体型不锈钢,其主要组成物相是马氏体,同时含有少量铁素体^[8]。合金元素B和Si具有很强的脱氧和造渣能力,添加适量B和Si可降低熔覆合金的熔点,改善合金熔体的流动性,使熔覆涂层具有良好的成形质量^[9]。将合金元素Mo加入不锈钢中,可增强钢的钝化作用,从而提高钢的耐蚀性能^[10]。因此,在基体表面激光熔覆Fe901合金后可以获得耐磨、耐蚀性能良好的熔覆涂层。闫晓玲等^[11]采用YAG激光在45钢表面熔覆了Fe901合金,开展了熔覆缺陷机理的研究,通过优化工艺参数获得了组织致密的熔覆层;董世运等^[12]采用YAG激光在18Cr2Ni4WA渗碳钢表面熔覆Fe90合金后发现,熔覆层组织致密,主要物相为马氏体,并存在少量金属间化物,熔覆层的硬度远高于基体。虽然,关于激光熔覆Fe901合金的研究已有一些报道,但激光熔覆Fe901涂层的摩擦磨损性能还有待进一步开展深入研究。因此,本课题组采用IPG YLS-4000光纤激光器在调质45钢表面熔覆Fe901合金,研究了熔覆层的组织、物相、硬度与摩擦磨损性能,并对材料强化及磨损机制进行了探讨,为激光熔覆铁基耐磨涂层的推广应用提供理论与数据基础。

2 实验材料与方法

激光熔覆实验的基体材料为调质45钢,其显微组织是回火索氏体,扫描电镜(SEM)形貌如图1所示,细小的渗碳体颗粒分布在铁素体基体上。激光熔覆采用的Fe901合金粉末形貌见图2,粉末颗粒大多呈球形,颗粒直径为40~110 μm,粉末具有良好的流动性,粉末的化学成分见表1。

激光熔覆45钢试样采用线切割加工成60 mm×60 mm×5 mm的试块,试样表面经磨平、丙酮除油、乙醇清洗、暖风吹干后备用。熔覆粉末在110 ℃烘干2 h,去除粉末中的水分后备用。激光熔覆采用IPG YLS-4000光纤激光器,激光波长为1070 nm,光斑直径为4 mm。激光熔覆采用实验室优化后的工艺参数,激光功率为2000 W,扫描速率为600 mm/min,扫描道间的搭接率为30%。熔覆粉末采用TWIN PF 2/2-MF型送粉器以同轴送粉的方式同步送入激光熔池,送粉速率为42 g/min,采用氩气送粉,送粉气流量为3 L/min。熔覆时采用氩气对激光熔池进行保护,以减小材料在熔覆过程中的氧化,保护气流量为16 L/min。

图 1. 调质45钢的SEM形貌

Fig. 1. SEM image of quenched and tempered 45 steel

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图 2. Fe901粉末的SEM图

Fig. 2. SEM image of Fe901 powder

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单道激光熔覆实验后,沿横截面将试样切开,将截面磨平、抛光、腐蚀后,采用SIGMA 500型扫描电镜对熔覆层组织进行观察与分析。采用HVS-1000A型显微硬度计由表及里测试熔覆层的硬度,每隔50 μm打一个压痕,加载载荷为1.96 N,保载时间为10 s。为减小测量误差,每个压痕测试3次,取其算术平均值作为最终的硬度值。

激光熔覆实验后,沿横截面将试样切成15 mm×15 mm×5 mm的样块,将样块表面磨平、清洗后,采用XPERT POWDER型X射线衍射仪分析熔覆层的物相。采用MDW-02型磨损试验机测试熔覆层的摩擦磨损性能。磨损实验采用球-平面往复干摩擦方式,在室温(13 ℃)和大气环境下进行,环境的相对湿度为76%。对磨偶件采用直径为6 mm的Si₃N₄陶瓷球,法向加载载荷分别为10,20,30 N,往复行程为6 mm,往复频率500 r/min,磨损时间为30 min。为保证实验具有可重复性,每种条件下重复进行磨损实验3次。磨损实验过程中,采用计算机实时监测摩擦因数随时间的变化。磨损实验时收集磨屑,然后采用扫描电镜观察磨屑及样块磨损表面的形貌。磨损实验前后,将每个样块在乙醇中超声清洗10 min,再用暖风吹干,然后用精度为0.01 mg的电子天平称量样块的质量,从而计算磨损失重。

3 激光熔覆层的组织、成分与硬度

3.1 激光熔覆层的组织特征

激光熔覆层的组织形貌见图3,可见:熔覆层成形良好,没有裂纹、气孔等缺陷。由图3(a)的横截面宏观形貌可知,熔覆层由表及里分为熔覆区(CZ)、基体熔化区(MZ)、基体热影响区(HAZ)和基体区(SZ)。

由图3(b)~(d)可见,激光熔池内由表及里依次为等轴晶、树枝晶、胞状晶和平面晶组织。由凝固理论知,结晶参数G/R(温度梯度/凝固速率)决定着凝固组织的形貌^[13]。在激光熔覆过程中,处于高温的激光熔池与大块温度较低的基体金属接触,熔池底部冷却速度很快,液相一侧形成了极大的正温度梯度,固/液界面向前推进的速度很慢,G/R值很大,晶体的生长以平面状向前推移,由图3(d)可见,熔池底部形成约7 μm厚的平面晶组织。平面晶的形成也是熔覆粉末与基体材料在激光束作用下相互扩散的结果,说明熔覆层与基体间形成了良好的冶金结合^[14]。随着结晶的进行,熔池温度降低,结晶速度增加,而固/液界面与刚凝固的金属接触,温度梯度下降,G/R值有所减小,导致平面晶向胞状晶转变。由图3(d)可见,平面晶上面是胞状晶,且胞状晶基本垂直于激光熔池的界面生长,这是因为在熔池底部,金属基体是散热的主要通道,晶体在垂直于界面方向的生长速度最快,因此靠近界面的晶体具有明显的方向性。随着结晶的继续,G/R值进一步减小,晶体向树枝晶转变,且晶体组织进一步细化,由图3(c)可见,熔覆层中部是树枝晶组织,由细密的树枝晶和枝晶间的共晶组成。熔覆层的顶部具有多通道散热方式,既可以通过基体一侧散热,又可以通过表面散热,G/R达到最小值,同时成分过冷较大,金属熔体内形成了大量的晶核,促使形成等轴晶^[15]。由图3(b)可见,表层组织主要由致密细小的等轴晶组成。

激光熔池下方是基体热影响区,由图3(d)可见,热影响区主要由板条状马氏体组成。熔覆过程中,基体热影响区与激光熔池相邻,该区域的材料虽然没有熔化,但已达到奥氏体转变温度,材料吸收激光能量后转化为奥氏体,激光束移开后,在大块基体金属的急冷作用下转化为硬度较高的马氏体组织。由图3(d)还可以看出,基体热影响区的马氏体组织明显比激光熔池内的组织粗大,激光熔覆过程中的快速加热与急速凝固使熔覆层组织较基体显著细化。

图 3. 激光熔覆层的微观组织。 (a)全貌;(b)表层;(c)中部;(d)熔池底部

Fig. 3. Microstructures of laser cladding coating. (a) Full view; (b) top region; (c) middle region; (d) bottom region of molten pool

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3.2 激光熔覆层的物相分析

图4为激光熔覆层的X射线衍射(XRD)图谱,可见,激光熔覆层主要由α-Fe马氏体相、少量CrFeB和Cr₇C₃硬质相组成。由于熔覆粉末中的Cr含量较高,熔覆层的淬透性很好,再加上激光熔覆过程中,激光熔池的冷却速度很快,促使熔覆层在凝固过程中向马氏体转变,因此熔覆层内主要为α-Fe马氏体^[8,12]。

图 4. 激光熔覆层XRD图谱

Fig. 4. XRD pattern of laser cladding coating

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3.3 硬度分析

激光熔覆层由表及里的显微硬度分布曲线见图5,结合图3的组织形貌可知,上部熔覆区(CZ区)的硬度值最高,且波动较小,平均显微硬度值高达718 HV,远高于基体的硬度(269 HV)。由图3(b)与图3(c)的微观组织形貌可知,该区域的组织均匀致密,晶粒细小,根据图4所示的熔覆层的物相分析可知,该区域生成了高硬度的α-Fe马氏体和CrFeB、Cr₇C₃等硬质相。由于激光熔池的冷却速度很大,激光熔覆层内固溶了较多的合金元素。在细晶强化、固溶强化、马氏体强化、CrFeB与Cr₇C₃硬质相弥散强化等强化机制的综合作用下,熔覆区的强度与硬度显著提高。由图5还可以看出,基体熔化区(MZ区)的硬度比熔覆区有所降低,激光熔池底部的硬度则降低得更多。这一方面是因为熔化的基体对熔覆层的局部具有稀释作用,从而导致该区域硬度降低^[4],另一方面是因为激光熔池底部晶粒的生长速度较慢,组织相对较粗,如图3(d)所示,硬度值相应较低。进一步观察图5可知,基体热影响区(HAZ区)的显微硬度值明显高于基体区(SZ区),这是因为在该区域生成了硬度较高的板条状马氏体组织,如图3(d)所示。

图 5. 激光熔覆层沿深度方向的硬度分布曲线

Fig. 5. Micro-hardness distribution of laser cladding coating in depth direction

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4 激光熔覆层的摩擦磨损特性

4.1 磨损表面与磨屑形貌

为测试激光熔覆层的摩擦磨损特性,将激光熔覆试样与调质45钢基体试样进行磨损实验,加载载荷为10,20,30 N。图6为不同加载下,调质45钢基体试样磨损表面与磨屑的SEM形貌,可见:在不同的载荷作用下,磨损表面均出现了平行于磨削方向的犁沟,并且磨损表面均出现了裂纹;随载荷增加,裂纹的尺寸与密度均有所增加。由图6中的磨屑形貌可见,不同载荷作用下的磨屑均呈块状或絮状,且块状磨屑的尺寸随着载荷的增加而有所增大。

图7为不同载荷作用下,激光熔覆层磨损表面与磨屑的SEM形貌,可见,不同载荷作用下的磨损表面、磨屑形貌没有明显差异,磨损表面主要是平行于磨削方向的犁沟。对比图6与图7可见,与调质45钢相比,激光熔覆层磨损表面的犁沟明显较细且较浅,说明激光熔覆表面的耐磨性较好。进一步观察图7可见,在不同载荷作用下,磨损表面均未出现裂纹。观察图7中的磨屑形貌后发现,磨屑由细小的絮状与薄片状磨屑组成。

图 6. 45钢磨损表面与磨屑的SEM图。(a)(b)(c)磨损表面;(d)(e)(f)磨屑

Fig. 6. SEM images of worn surface of 45 steel and wear debris. (a)(b)(c) Worn surface; (d)(e)(f) wear debris

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图 7. 激光熔覆层磨损表面与磨屑的SEM图。(a)(b)(c)磨损表面;(d)(e)(f)磨屑

Fig. 7. SEM images of worn surface of laser cladding coating and wear debris. (a)(b)(c) Worn surface; (d)(e)(f) wear debris

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4.2 磨损表面氧元素的含量

在磨损过程中,肉眼可见磨屑呈棕红或黑色,说明磨损过程存在氧化磨损机制。采用扫描电镜附带的OXFORD型能谱仪(EDS)对磨损表面的氧元素含量进行检测,结果见表2。由表2可知,磨损表面发生了不同程度的氧化,加载10,20,30 N载荷时,调质45钢磨损表面氧元素的质量分数分别为13.4%、18.2%、21.8%,激光熔覆表面氧元素的质量分数分别为3.1%、3.3%、6.0%。可见,随着载荷增加,磨损表面的氧元素含量均有所增加,并且调质45钢磨损表面的氧化程度明显高于激光熔覆表面。

4.3 摩擦因数

在磨损过程中,采用计算机实时监测摩擦因数随时间的变化,图8、9分别为45钢与激光熔覆试样摩擦因数随时间的变化曲线。可见,摩擦因数曲线均可分为两个阶段:初始磨合阶段和稳定磨损阶段。在初始磨合阶段,摩擦副表面的微凸体之间接触,实际接触面积小,接触应力大,表面微凸体被剧烈磨损,摩擦因数迅速升高。经过一段时间的磨合,表面的微凸体被逐渐磨平,摩擦副间的接触状态得以改善而进入稳定磨损阶段,摩擦因数趋于稳定^[16],300 s后各摩擦因数曲线均进入了稳定磨损阶段。计算300 s后摩擦因数的平均值,结果在图8~9中给出。载荷为10,20,30 N时,稳定磨损阶段调质45钢的平均摩擦因数分别为0.694、0.596和0.547,而激光熔覆层的平均摩擦因数分别为0.562、0.528和0.520。可见:随着载荷增加,摩擦因数均有所降低;载荷为10,20,30 N时,激光熔覆层的平均摩擦因数比45钢分别降低19.0%、11.4%和4.9%,说明激光熔覆层具有较好的减摩效果。

图 8. 不同载荷下45钢的摩擦因数。(a) 10 N; (b) 20 N; (c) 30 N

Fig. 8. Friction coefficient of 45 steel under different loads. (a) 10 N; (b) 20 N; (c) 30 N

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图 9. 不同载荷下激光熔覆层的摩擦因数。(a) 10 N; (b) 20 N; (c) 30 N

Fig. 9. Friction coefficient of laser cladding coating under different loads. (a) 10 N; (b) 20 N; (c) 30 N

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4.4 磨损失重

将磨损实验前后的样品清洗吹干,然后采用精度为0.01 mg的电子天平称其质量。为保证精度,取3次称量的平均值作为磨损失重,结果如图10所示。加载载荷分别10,20,30 N时,45钢基体的磨损失重分别为0.273,1.603,2.865 mg,而激光熔覆涂层的磨损失重分别为0.068,0.088,0.145 mg。可见,45钢表面熔覆Fe901涂层后可使材料的耐磨性能得到大幅提升。

图 10. 不同载荷下激光熔覆层与45钢表面的磨损失重

Fig. 10. Wear mass losses of laser cladding coating and 45 steel under different loads

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4.5 磨损机制分析

45钢表面的熔覆组织均匀致密,组成相主要为高硬度的马氏体和少量CrFeB、Cr₇C₃金属间化物硬质相,熔覆层的平均硬度为718 HV,显著高于基体的硬度(269 HV)。对调质45钢与激光熔覆层分别进行干摩擦磨损实验,加载载荷分别10,20,30 N,45钢与激光熔覆层表面均出现了平行于磨削方向的犁沟(见图6~7),说明均存在磨粒磨损机制。犁沟的形成是由于磨料(包括高硬度磨球上的凸峰与残留在接触面上的磨屑)在法向载荷的作用下被压入摩擦表面,在往复滑动过程中,对试样表面进行剪切、犁皱和切削,从而在摩擦表面产生槽状磨痕^[17]。与调质45钢相比,激光熔覆表面的犁沟明显较细且较浅,说明激光熔覆表面的耐磨性较好,这主要是由于激光熔覆层的强度、硬度较高,磨球上的凸峰与残留在接触面上的磨屑在法向载荷作用下被压入摩擦表面的深度较浅。由图6可见,在不同的载荷下,45钢磨损表面均出现了裂纹,裂纹的尺寸与密度均随着载荷的增加而增加。这主要是因为在是摩擦过程中,对磨球的循环接触应力引起了摩擦表面微裂纹的萌生与扩展,最终裂纹连在一起,表层材料因疲劳而剥落,因此45钢表面存在疲劳剥落磨损机制^[18]。由图6中的45钢磨屑形貌可见,磨屑呈块状或絮状。犁削作用下材料产生了尺寸很小的絮状磨屑^[19],疲劳剥落形成的磨屑主要呈块状,且块状磨屑的尺寸随着法向载荷的增加而有所增大。由图7可见,在不同的载荷下,激光熔覆层的磨损表面均未出现疲劳裂纹,这主要是由于激光熔覆层的强度、硬度较高,有效抵抗了疲劳裂纹的萌生与扩展。观察图7中的磨屑形貌可知,磨屑由细小的絮状与薄片状磨屑组成。已有的研究表明,犁削作用下材料产生了尺寸很小的絮状磨屑,薄片状磨屑主要是絮状磨屑在摩擦过成中被碾压于摩擦材料表面后剥落形成的^[19],在图7(c)中可见残留在磨损表面的薄片状磨屑。

磨损表面含氧量的检测结果表明,磨损表面发生了不同程度的氧化,随着载荷增大,磨损表面的氧元素含量均有所增加,且调质45钢磨损表面的氧化程度明显高于激光熔覆表面。在磨损过程中,摩擦热的积累促使暴露在空气中的新鲜摩擦表面与空气中的氧结合,使得摩擦表面出现氧化磨损。随着载荷增加,摩擦热与新鲜表面接触的面积增加,增大了摩擦表面与氧结合的概率,导致磨损表面的氧含量有所增加。激光熔覆合金中Cr元素的含量较高(质量分数为13%),根据已有的研究可知,当钢中Cr元素的质量分数大于12%时,在钢表面形成的Cr₂O₃薄膜致密稳定,可以抑制表面与氧元素的结合,因此激光熔覆层磨损表面的氧含量较低^{[ 10]}。

在磨损过程中,采用计算机实时监测摩擦因数随时间的变化,结果表明,在稳定磨损阶段,随着载荷增大,45钢与激光熔覆层的摩擦因数均有所降低。摩擦因数的降低一方面是由于随着载荷增大,磨损面间的微凸体发生弹塑性变形程度增加,使得实际的接触面积增大,接触应力减小,从而导致摩擦因数略有下降;另一方面是由于在磨损过程中,表层与亚表层材料不断地受到往复挤压而发生加工硬化,随着载荷增大,材料发生加工硬化的程度升高,对磨偶件间的黏合作用减弱,导致摩擦因数降低^[20]。对摩擦因数平均值进行分析后可知,在稳定磨损阶段,当载荷分别为10,20,30 N时,激光熔覆层的平均摩擦因数分别比45钢降低了19.0%、11.4%和4.9%,可见,激光熔覆层具有较好的减摩效果。分析认为,这主要是由于激光熔覆层的强度、硬度较高,减小了磨球上的凸峰与残留在接触面上的磨屑嵌入摩擦表面的深度,从而降低了犁削时的摩擦阻力,导致激光熔覆层的摩擦因数低于45钢基体^[17]。

加载载荷分别为10,20,30 N时,激光熔覆层的相对耐磨性分别是45钢的4、18、20 倍,可见,45钢表面熔覆Fe901涂层后耐磨性能得到了大幅提升。分析认为,这一方面是由于激光熔覆层的硬度远高于45钢基体,根据已有的研究可知,材料的硬度越高,抵抗磨粒磨损的能力就越强^[17];另一方面是由于激光熔覆层的强度、硬度较高,有效抵抗了疲劳裂纹的萌生与扩展,未发生严重的疲劳磨损。

5 结论

采用IPG YLS-4000光纤激光器,利用同步送粉激光熔覆技术在调质45钢表面制备了Fe901激光熔覆层,熔覆层内没有裂纹、气孔等缺陷,熔覆层与基体形成了良好的冶金结合。熔覆组织均匀致密,主要由细小的枝晶与枝晶间的共晶组成。熔覆层的平均硬度为718 HV,显著高于基体的硬度(269 HV)。熔覆层的主要强化机制有细晶强化、固溶强化、马氏体强化和CrFeB、Cr₇C₃等硬质相的弥散强化。磨损实验结果表明:熔覆层的磨损机制主要为磨粒磨损;激光熔覆层内Cr元素含量的增加提高了熔覆层的抗氧化能力;激光熔覆层强度、硬度的提高,有效抵抗了疲劳裂纹的萌生与扩展,减小了磨球上的凸峰与残留在接触面上的磨屑嵌入摩擦表面的深度,降低了犁削时的摩擦阻力,从而使得耐磨性显著提高。