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耐热钢基体上激光制备钴基高温合金熔覆层研究魏刚 马中伟 王育召 张镜斌中国船舶重工集团公司第十二研究所摘要：在耐热钢合金表面制备激光熔覆钴基合金层。通过激光工艺调整、搭接方式优化及添加稀土合金强化，获得了高强 度熔覆层。检测了熔覆层强度、硬度、组织；分析了凝固特性及稀土合金强化机理等。关键词：钴基合金 激光熔覆 稀土0引言某型军品汽缸套内表面使用过程中的裂纹失效是较难解决的问题，严重影响工作可靠性和使用寿命。 所以，对气缸套材料的表面改性研究尤为重要。本研究在改种气缸套材料的基体上制备了钴基高温合金激 光熔覆层。该次试验主要研究了熔覆层制备工艺，并通过添加稀土元素强化熔覆层。1激光熔覆实验材料1.1基体材料熔覆层的基体材料为12Cr2NiWVA,试样为50×30×7mm的矩形式样，试验后试样经线切割加工成10×10×7mm的金相试样。 1.2熔覆材料熔覆材料选用某型钴基合金粉末，该粉末制备的功能层可在850℃下长时间工作，其成分见下表。表1 钴基熔覆粉末成份1.3粉末粘结剂采用漆胶溶液进行粉末的预置粘结，熔液浓度为15％。2试验设备与测试方法实验在JJM-1GXY-400B数控多功能YAG激光加工机上进行激光熔覆试验，用光学显微镜及扫描电子显微 镜(JXA840,配有OxFordISS300能谱系统)观察激光熔覆层的形貌及其金相组织并进行成分分析；用ＨＸ-200(71)型显微硬度计,加载200ｇ测量激光熔覆层的硬度分布；WDW－200D型电子拉伸仪检测涂层强度和 结合强度。3激光熔覆处理工艺3.1电流参数对熔覆效果的影响通过实验可以看到，其他工艺参数一定的情况下，随着电流增加能量密度相对增加，熔覆层厚度增加，同时熔覆层晶粒尺寸变大（图1、2）。 3.2脉宽参数对熔覆质量的影响随着脉宽增加，熔覆层的结合性能、表面质量提高，裂纹倾向降低。熔覆层热作用时间加长，熔覆层 变宽（图3、4）。3.3脉冲频率对熔覆质量的影响随着频率的增加，能量密度增加，熔覆层熔液流动性能增加，在表面张力作用下，对未熔覆区域的粉末产生极强的吸附作用，导致后续的熔覆层材料缺失，熔覆层变薄（图５）。 3.4熔覆层搭接带控制研究激光熔覆层的搭接量对激光熔覆层的表面质量和裂纹倾向性有相当大的影响，图６所示为激光熔覆层 搭接示意图，搭接量过多时熔覆层产生二次熔化，枝晶生长粗大，开裂倾向性提高；搭接量不足时，搭接 部位在拉应力作用下开裂。经过大量实验理想的搭接参数应控制在33％左右。1元素CoCrWNiFeCSi含量57.430.812.61.30.82.41.3图１ 电流250Ａ图２ 电流210Ａ图3 脉宽2ms图4 脉宽5ms图5 熔覆层搭接形貌经过多次对比试验，最终确定的工艺见下表。表2 激光熔覆工艺图6 熔覆层搭接示意图4相关项目检测4.1熔覆层强度检测制备熔覆层强度检测试样，制样时在两个对接在一起的试样（50×25×6mm）接缝处进行表面熔覆（如图７所示）。进行拉力试验，对断裂的熔覆层进行断口面积金相法测量，求出熔覆层强度。实验结果表明 熔覆层强度大于293MPa。4.2熔覆层结合强度检测在两块相距2mm的耐热钢试样中间进行熔覆，使熔覆层与两试样分别相熔合（如图8所示）。在试验机上进行拉伸试验。实验结果表明，断口位于熔覆层内部，不在结合部位，表明结合强度大于196MPa。2参数脉宽频率电流速度离焦量搭接量值8ms15Hz200A200mm/min+20mm0.5mm图7 强度检测示意图1、2为耐热钢试样3为表面熔覆层4为断口面积计算图图8结合强度检测示意图1、2为耐热钢试样3为表面熔覆层4.3试样耐蚀性能检测采用体积比为氢氟酸：硝酸：水＝1：1：5的溶液腐蚀，腐蚀时间20s，未发生明显腐蚀。对基体材 料采用同样方法，在6s钟时开始强烈腐蚀。4.4显微硬度检测ＨＸ-200(71)型显微硬度计,载荷200g测量激光熔覆层的硬度分布，测试熔覆层硬度梯度时，每隔 0.1mm测试一点。4.5熔覆层组织、成份分析用显微镜及电子扫描显微镜(JXA840,配有OxFordISS300能谱系统)激光熔覆层的形貌及其金相组织并进行成分分析。5试验结果分析5.1强度检测结果经测试激光熔覆层强度为293MPa,结合强度196MPa。 5.2硬度检测结果激光熔覆区在微观组织上均存在着三个区域，各个区域分别对应着不同的显微硬度。本实验中，通 过大量试样熔覆区显微硬度的测量发现：熔覆层的显微硬度大于650HV，结合区的显微硬度在500—650HV， 热影响区的显微硬度在HV350-500HV。5.3激光熔覆区的组织结构图9 激光熔覆层结构示意图图10 激光熔覆层整体形貌图９为激光熔覆层的结构示意图，激光熔覆从组织上可以分为熔覆层、熔化区、热影响区三个部分。熔覆层：涂层材料经激光熔覆后处在基