激光功率对激光熔覆铁基非晶复合涂层性能的影响

激光功率对激光熔覆铁基非晶复合涂层性能的影响

摘要：采用激光熔覆技术在压力容器用钢（Q345R）表面制备了Fe-Cr-Mo-C-B非晶复合涂层。采用X射线衍射仪、金相显微镜对非晶复合涂层进行了微观组织分析，并通过显微硬度仪对不同功率下的熔覆层硬度进行测定。结果表明，涂层主要由非晶和Fe3C、Fe23B6等晶体相组成；在涂层中部区域出现了大片无组织特征的非晶区。在XRD图谱中呈现出具有非晶特征的慢散衍射射峰；激光功率为3.5kw时，熔覆层表面的显微硬度最高达到915HV0.2。结果表明，激光功率的变化对激光熔覆组织和性能的影响特别显著。

关键词：激光熔覆；非晶；激光功率；显微硬度

引言

激光熔覆法制备铁基非晶复合涂层已成为现代表面工程技术中的一个新型技术。由于其具有优异的力学性能，磁学性能，耐腐蚀性能，因此，Fe基非晶合金作为结构材料成为取代晶态材料的最佳选择，有着诱人的应用前景[1]。王彦芳等人在304L不锈钢基体上激光熔覆了Fe75.5C7.0Si3. 3B5.5P8. 7非晶涂层，得到了与基体结合良好、致密的熔覆涂层，在涂层中部出现了大片无组织特征的非晶区，中部硬度达到最高，是基体硬度的三倍[2]。李刚等人在45钢基体表面预涂覆Ni42Zr30Ta28合金粉末，进行激光熔覆制备非晶复合涂层，熔覆组织主要由金属间化合物、非晶及纳米晶组成，熔覆层硬度最高达到29.3HK[3]；

本文采用300W脉冲YAG固体激光器，在Q345R压力容器用钢基体表面激光熔覆Fe45Cr15Mo15C15B10合金粉末，研究了激光功率在激光熔覆过程中对熔覆层的组织及性能产生的影响。

1 实验材料及方法

1.1 试验材料

基体材料为Q345R压力容器用钢，试样尺寸为13mm×13mm×10mm，熔覆，熔覆前首先将基材先后用120#和600#的碳化硅砂纸磨光，再在超声波清洗机中清洗干净，即基体材料准备完成。熔覆材料为名义成分的Fe45Cr15Mo15C15B10的铁基晶体合金粉末。首先是将一定粒度的各金属和类金属粉末按质量百分比混合均匀（即Fe粉、Cr粉、Mo粉、C粉和B粉），经松香酒精将混合均匀的粉末调制成糊状后预置于所要熔覆的基体表面，预置厚度约为1mm。

1.2 试验方法

激光熔覆实验采用脉冲式YAG固体激光器，将预置在基体表面的Fe45Cr15Mo15C15B10合金粉末进行熔覆。选定激光熔覆工艺参数见表2；为了避免激光熔覆过程中合金的氧化，采用氩气作为保护气体。激光工艺参数见表2。

将熔覆试样分别用800#和1000#的金相砂纸进行细磨光亮，采用X射线衍射仪（XRD）进行物相分析，衍射范围20°～80°，衍射速度为4°/min，步长0.02°。采用HV-100A型显微硬度计测试熔覆层的显微硬度，载荷为200g，保载时间15s；

2 物相分析

2.1 X射线衍射物相分析

图1为三种不同激光功率下熔覆层的X射线衍射图，由分析可知，熔覆层主要有非晶和Fe、Fe3C、Fe23B6等晶体相组成。激光功率为3.0kw时，熔覆层的XRD图谱中对应晶化相Fe、Fe3C和Fe23B6的衍射峰很明显，说明熔覆层除了有少量的非晶外，大部分都是由晶化相构成。当激光功率达到3.5kw时衍射峰宽度明显变宽，而且在40°～50°之间Fe的晶化峰基本消失，Fe3C及Fe23B6等晶体相的晶态衍射峰强度明显减弱，并形成了小型非晶漫散包。当功率达到4.0kw时，衍射峰宽度又变小，且Fe的衍射峰强度再次增加峰，表明熔覆层中的晶化又重新开始加强。

3 显微硬度

3.1 铁基非晶复合涂层显微硬度的变化

图2所示为在三种不同激光功率下熔覆层内的显微硬度变化曲线。由图可看出，三种功率下的显微硬度呈先增大后减小的趋势，当激光功率达到3.5kw时，熔覆层硬度最高达到915HV0.2，是基材硬度的4～5倍。由表及里，可以将整个熔覆层硬度区可分为四个区域：熔覆区中部硬度最高，熔覆区表层硬度次之，过渡区硬度居中，热影响区硬度最低。即由于在熔覆过程中，B等密度小的元素在高温熔体中容易上浮，造成熔池上部的局部成分偏离原合金的名义成分，硬度有所偏低。而熔覆层界面结合区域（过渡区），由于高温熔化的基材对熔覆层的强烈稀释，使该区域的熔体成分同样偏离了非晶合金的名义成分，硬度也明显偏低。熔覆层中部，熔体成分在重熔过程中得到了充分的均匀化，保持着非晶合金的名义成分，硬度达到了最高值。

4 结论

（1）采用激光熔覆法在（压力容器用钢）Q345R表面制备出了具有良好冶金结合的熔覆层。通过物相分析，当激光功率为3.5kw时，Fe的晶化峰消失，非晶含量增加。

（2）激光熔覆层具有很高的显微硬度，达到了基体材料的4～5倍，当激光功率为3.5kw时，最高硬度值达到915HV0.2。

参考文献

[1] 惠希东，陈国良.编著.块体非晶合金[M].化学工业出版社，2007

[2] 王彦芳，栗荔，鲁青龙，等.光熔覆铁基非晶涂层研究[J].中国激光，2011（06）：1-4.

[3] 李刚，俊英，刘丽，等.熔覆Ni 基非晶复合涂层组织结构及性能研究[J].表面技术，2010（08）：9-12.