DOI:10.14128/j.cnki.al.20264602.001
中图分类号:TG456.7
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激光功率对27SiMn合金表面制备铁基合金熔覆涂层性能的影响
0 引言
作为井下支护的核心装备,液压支架的性能及寿命直接影响井下工作的安全性,而立柱作为液压支架的主要承载部件,长期处于潮湿、多飞溅、易腐蚀的环境中[1],承受着来自上方的载荷以及井下生产环境中的粉尘、泥浆侵蚀[2],使得液压支架工作过程中,立柱表面时刻存在腐蚀、磨损现象,严重影响液压支架的使用寿命[3]。为此,亟须寻求一种稳定有效的方式,增强液压支架立柱表面的抗磨损及耐腐蚀性能。
目前,液压支架立柱支杆的主要材料为27SiMn合金钢,常用电镀以及化学镀等方式在其表面镀覆一层耐磨耐蚀涂层[4],以提高其使用寿命,然而采用此方式制备的涂层容易脱落,在脱落位置处易出现锈蚀,影响支架使用年限,随着表面加工技术的不断发展,能获得高性能表面涂层的激光熔覆技术[5-7],逐渐应用于实际生产作业中,该种加工方式能够有效地使基体材料与表面材料结合,形成高性能的冶金结合涂层[8-10],在提升基体材料表面的耐磨、耐蚀、抗氧化性能的同时,增强涂层结合强度并提高使用寿命[11-13]。然而,该种加工方式在作业过程中极易产生各种缺陷[14-17]。为了制备高性能的耐蚀熔覆涂层,国内外研究人员进行了大量探索[18-21]。张超等[22]采用激光熔覆技术在液压支架立柱内壁上制备了多种类型的铁基熔覆涂层,并对其进行表面性能研究,研究结果表明,所制备的涂层表面磨损率均低于基体表面,且不同类型涂层表面磨损效果存在明显差异,从而筛选出最佳耐磨涂层。王家胜等[23]为了验证激光工艺参数对液压支架表面熔覆性能的影响,在27SiMn合金钢表面通过正交试验的方法进行了不同参数下的Ni60合金熔覆涂层制备,探寻出最优工艺参数。张跃楠等[24]使用4 kW半导体激光器,采用不同的熔覆速率制备了不同类型的铁基熔覆涂层,研究了熔覆速率对熔覆涂层耐蚀性能的影响,并制备出了最优耐蚀涂层。李俐群等[25]则采用两种不同熔覆加工方式,在27SiMn合金钢表面制备431不锈钢涂层,研究不同方式对熔覆层组织性能的影响,研究发现超高速激光熔覆制备的涂层中Cr元素分布更为均匀,在300 μm的极薄熔覆层厚度下,依然有较高的耐蚀性能。然而,目前关于液压支架立柱表面熔覆层性能的研究,主要集中在不同类型粉末和加工方式对涂层表面性能的影响,而对激光熔覆过程中激光能量对熔覆层性能及残余应力变化的影响规律尚未进行深入探讨。
为此,本文采用同轴送粉激光熔覆机器人,在液压支架立柱27SiMn合金钢表面制备不同功率作用下的熔覆层,从表面形貌、稀释率、组织硬度以及残余应力几个方面,对激光熔覆过程中的激光能量输入对熔覆层质量的影响规律进行研究,从而为液压支架立柱表面高性能激光熔覆涂层的制备提供技术资料,也为熔覆层表面评价质量体系的建立提供有效的参考思路。
1 试验材料与方法
1.1 试验设备与材料
本次试验采用同轴送粉方式进行激光熔覆,选用如图1所示的激光熔覆设备,其核心组件包括IPG YLS-4000光纤激光器(波长1 070 nm,功率100～4 000 W可调)、YC52激光熔覆头(离焦量12～24mm)、KR30HA六轴工业机器人(定位精度±0.01mm)以及AFS-PF-D送粉器(送粉速率0.5～50 g/min)。保护气体与送粉气体均采用纯度(体积分数)99.99%的氩气,设备详细参数见表1。试验基材选用液压支架立柱常用材料27SiMn合金钢,为便于试验分析,将基体材料切割为40mm×10mm×10mm尺寸试块。熔覆材料采用如图2所示铁基合金粉末,其粉末颗粒呈完整球状形貌,该形貌有助于提升激光熔池的润湿性与流动性,从而改善熔覆层质量。基体材料及熔覆粉末的具体化学成分如表2所示。
表1 3D打印激光熔覆激光器系统设备基本参数
Table 1 Basic parameters of 3D printing laser cladding system equipment
NameModel numberParameter nameValueUnitFiber laserYLS-4000Wavelength1 070nmMaximum output power4 000WPower regulation range100～4 000WLaser cladding headYC52Defocus amount12～24mmPowder feederAFS-PF-DRange of powder delivery rate0.5～50g/minSix axis industrial robotKR30HAPositioning accuracy of motion Axis±0.01mmShielding gasArPurity 99.99%10～15L/minPowder gas deliveryArPurity 99.99%8～12L/min
表2 基体材料与熔覆粉末的化学成分
Table 2 Chemical composition of substrate material and cladding powder
ElementCSiMnSPCrNiBFeMass fraction/%27SiMn0.2851.2511.2790.0240.0150.0180.010—Bal.Powder0.0930.8770.3330.0090.03217.3894.080.226Bal.
图1 激光熔覆设备系统
Fig.1 Laser cladding equipment system
图2 不锈钢金属粉末SEM照片
Fig.2 SEM of Stainless steel metal powder
1.2 试验方法
激光熔覆前,采用砂纸对试块表面进行研磨以去除氧化物及油污,随后用乙醇清洗试块表面,烘干后置于干燥箱备用。采用气雾化法将铁基合金粉末的粒径控制在52～150 μm范围内,并将其放入干燥箱中以120 ℃的温度保温2 h,去除铁基合金粉末中的水分。经过处理后,粉末的霍尔流速为19.47 s/50 g,松装密度为4.31 g/cm3。这些步骤确保了粉末的流动性和均匀性,为后续的激光熔覆试验提供良好的基础条件。
激光熔覆过程中,影响激光能量输入的因素有很多,为保障试验的准确性,需要对激光能量进行精准控制,而激光能量密度为单位面积所需激光能量,其计算公式为:
(1)
式中:E为激光能量密度,J/cm2;P为激光功率,W;D为激光光斑直径,mm;Vb为激光扫描速度,m/s。
由公式(1)可知,激光能量密度主要与激光功率、激光扫描速率以及激光光斑直径有关,由于激光能量密度与激光功率之间呈现正相关的对应关系,固定其余工艺参数,仅通过改变激光功率,研究其对熔覆层性能的影响,就可以直接获得激光能量对熔覆层性能的影响规律。通过前期试验验证,可以确定激光熔覆过程中光斑搭接率为50%、激光头离焦量为13mm、激光头光斑直径3mm、送粉速度1.7 r/min、扫描速度0.015 m/s时,效果最佳,为此固定相应的工艺参数,选取1 000 W、1 400 W、1 800 W、2 200 W、2 600 W的激光功率参数,进行不同功率作用下的单道熔覆试验效果验证。
熔覆完成后,为便于对熔覆层表面质量分析评判,将激光熔覆后试块沿垂直于扫描方向切割成10mm×10mm×10mm的试块。使用金相镶嵌机将基体与熔覆结合面放置底部制作成金相块,用金相磨抛机进行打磨、抛光处理。将试样表面放置于Kalling试剂V(CuCl2)∶V(HCl)∶V(H2O)=1.5 g∶33 mL∶33 mL中进行3～5 s侵蚀后,立即用酒精清洗并吹干,采用金相显微镜观察金相试块的金相组织结构,记录截貌形状和几何参数,采用维氏显微硬度计对熔覆层表面及不同深度范围内的硬度检测,利用X射线应力测定仪(X-350A型)进行残余应力检测。
2 试验结果分析
2.1 表面形貌
熔覆层表面形貌直接反映熔覆层质量的高低。图3为不同功率作用下的熔覆层表面宽度及宏观形貌,由此可以看出,熔覆区域a、b的熔覆层宽度略窄,形貌不饱满,且表面存在凹凸状的熔覆缺陷,整体表面质量较差,其主要原因为激光功率较小,熔覆粉末吸收的能量较少,部分熔覆层粉末熔化不全,无法形成较为饱满的熔融结构。熔覆区域c、d的熔覆层表面具有较好的熔覆余高及熔宽,表面较为平整光滑,表面质量较好。熔覆区域e的平整度最差,熔覆宽度最大,但熔覆高度却较低,经显微放大后发现,熔覆区域出现了如图4所示,沿着与扫描速度垂直方向的横向裂纹。
图3 不同激光功率下熔覆层表面形貌
(a)1 000 W;(b)1 400 W;(c)1 800 W;(d)2 200 W;(e)2 600 W
Fig.3 Surface morphology of different laser power cladding layers
(a)1 000 W; (b)1 400 W; (c)1 800 W; (d)2 200 W; (e)2 600 W
图4 2 600 W功率下激光再制造熔覆层显微放大图
Fig.4 Microscopic enlarged view of laser remanufacturing repair layer at 2 600 W power
仅凭肉眼从宏观层面观察无法全面评估再制造熔覆后的质量,因此需要进一步进行微观结构分析。图5为不同激光功率作用下的表面微观组织形貌图。由图可知,激光功率为1 000 W时,熔覆层组织结构主要由树枝晶和尺寸较小的等轴晶组成,其主要原因是功率为1 000 W时,能量密度较低,晶粒的生长受到了抑制。随着激光功率的增加,当功率达到1 400 W时,熔覆层底部主要为柱状晶,而中部则多为沿散热方向生长的树枝晶。当激光功率增至1 800 W时,熔覆层中的树枝晶逐渐向等轴晶转变。当激光功率增加至2 200 W时,熔覆层中部完全由尺寸较小的等轴晶组成,边缘位置存在部分柱状晶。随着激光功率的继续增加,熔覆层中的等轴晶逐渐粗化形成结构较为粗大的等轴晶。由此可见,熔覆层的微观组织,随着激光功率的增加,呈现出先晶粒细化后粗化的趋势。当激光功率为2 200 W时,熔覆层的组织结构最为均匀,全部由尺寸较小的等轴枝晶组成。
图5 放大1 000倍熔覆区域SEM图
(a)1 000 W;(b)1 400 W;(c)1 800 W;(d)2 200 W;(e)2 600 W
Fig.5 SEM image of cladding area 1 000×
(a)1 000 W; (b)1 400 W; (c)1 800 W; (d)2 200 W; (e)2 600 W
2.2 稀释率
作为激光熔覆层表面结合程度的重要指标之一,稀释率的大小直接关系到熔覆层表面结合性能,不同稀释率条件下熔覆层材料内部的化学成分不同,导致其组织结构有所差异,进而间接对硬度、耐磨性能、抗氧化性能等产生影响。稀释率可通过如图6所示面积法计算。
(2)
图6 稀释率简易图
Fig.6 Simple diagram of dilution ratio
式中:γ为稀释率;S1为融合层横截面积,mm2;S2为熔覆层横截面积,mm2。将上式进行简化后,可得出稀释率简化计算公式为:
(3)
式中:h为融合层高度,mm;H为熔覆层高度,mm;l为融合层宽,mm;L为熔覆层宽,mm。
通过金相显微镜观察测量,得出不同激光功率下熔覆试块(图7为熔覆显微图像)的H、L、h、l数据,代入公式(2)中计算稀释率和面积,统计数据见表4。
图7 不同激光功率下熔覆层截面图像
(a)1 000 W;(b)1 400 W;(c)1 800 W;(d)2 200 W;(e)2 600 W
Fig.7 Cross sectional images of cladding layers under different laser powers
(a)1 000 W; (b)1 400 W; (c)1 800 W; (d)2 200 W; (e)2 600 W
由图7显微图像以及表3的计算结果可知,稀释率与激光功率之间存在明显的相关性,稀释率随激光功率的增加持续上升,结合图3以及图5可以看出,当激光功率过低时,稀释率偏低,熔覆层与基体之间的结合强度较弱,容易出现熔覆层脱落现象,并在表面容易产生起球、空洞等缺陷。相反,当激光功率过高时,稀释率显著增加,熔覆层表面出现过烧现象,表现为表面散裂和不平整度增加。当激光功率处于1 800～2 200 W范围内时,稀释率保持在37.6%～40.8%之间,表面结合强度较高,且熔覆层组织结构较为紧实,表面光滑,无缺陷,表面质量较高。因此,为了获得理想的表面形貌,稀释率应尽量控制在37%～41%的范围内。
表3 激光熔覆截面详细尺寸
Table 3 Detailed dimensions of laser cladding cross-section
Power/WFusion layer height/mmWidth of the fusion layer/mmCross sectional area of cladding layer/mm2Fusion layer height/mmFusion layer width/mmCross sectional area of fusion layer/mm2Dilution rate/%1 0000.221.250.2750.090.550.049 515.21 4000.382.500.9500.311.600.496 034.31 8000.482.901.3920.481.750.840 037.62 2000.553.001.6500.601.901.140 040.82 6000.453.151.4180.702.041.428 050.1
2.3 显微硬度
大量研究表明材料表面耐磨性能与表面硬度有关,表面硬度越高,耐磨性能越好,为此,需要对熔覆层表面显微硬度进行分析,为精确了解熔覆层不同深度下的硬度变化,制备了切面试样,从熔覆层表面向基体方向,每隔0.1mm测量一次显微硬度,汇总得到不同功率作用下的硬度分布数据,如图8所示。不同深度下的熔覆层硬度变化规律在不同激光功率作用下基本一致,即随着激光功率的增加,显微硬度先缓慢上升趋于平稳,随后迅速下降,最终趋于水平。由测量结果可知,外层熔覆层硬度(450～550 HV)高于内侧基材(200 HV)2.2～2.7倍。当激光功率为1 000 W时,熔覆层以下300 μm硬度开始迅速降低,而激光功率为2 200 W时,熔覆层以下1.2mm处的硬度仍保持在500 HV以上,这主要是因为在不同激光功率作用下,稀释率不同,内部的组织结构不同,熔覆层深度不同,熔覆层深度随激光功率的增加而不断加深,显微硬度也随之增大,当功率过大导致熔覆层组织过烧时,显微硬度与熔覆层深度均显著降低。
图8 不同激光功率熔覆层显微硬度分布
Fig.8 Microhardness distribution of cladding layers with different laser powers
图9展示了激光功率为1 800 W时,显微硬度与熔覆层不同位置的对应关系。由图9可知,随着熔覆层的不断深入,显微硬度呈现出逐渐升高然后迅速衰退的趋势,主要原因在于受到高能量密度的激光作用,熔覆层表面合金元素挥发和烧损,随着熔覆层距离不断地深入,受温度影响,组织结构不断细化,使得靠近热影响区域一侧的显微硬度偏高直至靠近热影响区域,随着距离的持续深入,温度不断降低,在热影响区域内受温度及熔覆层粉末与基体材料混合程度差异的影响,该区域的合金成分存在差异,组织结构较为复杂,靠近熔覆层区域的显微硬度偏高,此时晶粒组织较细,结构较为紧凑,硬度较高,而靠近基体区域,晶粒组织逐渐粗大,马氏体数量逐渐减少,此时显微硬度迅速降低,最终组织结构趋于稳定,与基体相同,显微硬度不再发生变化。
图9 激光功率为1 800 W时的显微硬度与熔覆层对应关系
Fig.9 Relationship between microhardness and cladding layer at 1 800 W laser power
2.4 残余应力
为了进一步研究制备的熔覆层表面性能,对其进行残余应力检测,表4为X射线测定仪调节参数。从微观角度来看,激光束照射在熔覆材料上时,由于熔覆粉末的遮光效应,熔覆层和基体吸收的热量存在差异,导致温度分布不均匀,熔融物在受热膨胀和冷却收缩过程中,受到外部约束以及自身内部限制的共同作用,形成了应力,加上熔覆层与基体材料之间的热膨胀系数、弹性模量等物理性质的差异,进一步加剧了应力的产生,当熔覆层成型后,残余变形无法自行消除,导致部分应力在熔覆材料内部保留下来,形成一个平衡的应力系统。当残余应力超过材料的屈服极限时,熔覆层内部无法维持应力平衡,可能导致熔覆层表面出现裂纹或其他缺陷,进而影响熔覆层的性能和使用寿命。因此,获得良好的熔覆层质量,控制残余应力是关键。
表4 X射线测定仪调节参数
Table 4 Adjustment parameters of X-ray tester
NameMeasuring methodPeak determination methodRadiationDiffraction crystal planeΨ Angle/(°)Stress constant/MPaParameterLateral fixation ΨmethodRelated lawsCr kα(311)0.0, 24.2, 35.3, 45.0,-366
图10为残余应力检测结果(激光头行走方向为Y方向)。从图中可以看出,激光熔覆功率与残余压应力成正比关系,这表明激光功率增加会使得激光能量密度增大,从而改变熔池加热与冷却变化规律,进而影响残余应力的形成。随着激光熔覆功率的增加,熔覆层粉末收到的热量增大,热应力提高,熔覆层产生的塑性变形逐渐增大,当熔覆功率达到一定值时,产生的塑性变形逐渐超过材料本身的屈服强度,最终导致宏观裂纹的出现,随着功率的持续升高,宏观裂纹逐渐增大,其表面性能降低,严重影响激光熔覆表面质量。
图10 不同激光功率熔覆工件表面残余应力
Fig.10 Residual stress on the surface of workpieces with different laser power
3 结论
通过对液压支柱27SiMn钢表面激光熔覆的试验,并对熔覆表面形貌、稀释率、显微硬度及残余应力进行了检测与分析,得出如下结论。
(1)激光熔覆表面形貌与激光熔覆能量密切相关,在光斑搭接率为50%、激光头离焦量为13mm、激光头光斑直径3mm、送粉速度1.7 r/min、扫描速度0.015 m/s的参数下,激光功率在1 800～2 200 W时,表面质量最佳。
(2)熔覆层面积随着激光功率增大而增加,并在2 200 W出现最大值后开始下降,熔覆层面积逐渐增加,稀释率在37.6%～40.8%范围内表面性能最好。
(3)熔覆层显微硬度和深度随激光功率的增加呈现出先增加后降低的过程,2 200 W功率作用下显微硬度最佳,1.2mm处的硬度仍保持在500 HV以上。
(4)残余压应力随激光功率的增大而增大,当激光功率为2 600 W时,残余应力超出屈服极限,出现宏观裂纹。
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