激光熔覆Stellite
(1. 沈阳工业大学 材料科学与工程学院，沈阳 110870； 2. 鞍山煜宸科技有限公司激光工艺部， 鞍山 114044； 3. 最新激光技术研究中心，日本爱知县 4460026) 摘 要：用脉冲300 W Nd:YAG激光器、6轴机器人、5 m长的光纤、送粉系统及送粉专用喷嘴，建立了激光机器人熔覆系统. 在低碳钢(SM400B)上熔覆Co基合金(Stellite-6)和碳化钒(VC)混合粉末(VC的质量分数变化范围为0～100%)，并对熔覆层的形状和显微组织进行了分析. 结果表明，在0～80%范围内随着混合粉末中VC的质量分数增加，VC初晶相的数量随之增加，同时熔深也随之增加；根据混合粉末中VC的质量分数的不同，熔覆层显微组织可分为两种类型，即亚共晶组织和过共晶组织；亚共晶组织由富钴的γ相与共晶组织组成，过共晶组织由初晶VC相与共晶组织组成. 关键词：激光熔覆；亚共晶组织；过共晶组织；初晶相；共晶组织 0 序 言 由于激光熔覆能形成一个复合功能结构、低稀释率、低热量输入、焊接变形小及优异耐磨性能的熔覆层[1]. 因此近年来，激光熔覆技术在制造领域得到了迅速的发展[2-4]. 比如，日本汽车工业已经将激光熔覆技术应用在发动机气门和气门座圈的强化，日本核电行业已将激光熔覆技术应用于核电设备中零部件的强化. 在磨损极其苛刻的工况环境中[5]，
为了进一步提高零部件的耐磨性[6]，通常情况下将硬质相颗粒加入到韧性较好的钴基合金[7]或镍基合金粉末中，利用激光的快速加热及快速冷却特性，使硬质相[8]颗粒弥散地镶嵌在熔覆层基体中，从而提高熔覆层的耐磨性. 近年来，在激光输出功率密度较高条件下，国内外分析人员在低碳钢及不锈钢等表面激光熔覆钴基合金和VC[9]混合粉末方面的分析成果报道较多. 但是，在平均激光输出功率密度较小条件下，有关钴基合金和VC 混合粉末方面分析成果报道较少. 为了满足小型关键零部件的强化需求，分析使用300 W脉冲Nd:YAG激光机器人熔覆系统，在低碳钢板(SM400B)上熔覆Stellite-6和VC混合粉末，并较系统地分析了熔覆层的形状和组织. 1 试验过程 1.1 YAG激光机器人系统 激光机器人熔覆系统示意图如图1所示，由300 W脉冲Nd：YAG激光器(Toshiba LAZ-A833)、直径0.6 mm的传输光纤、气载式送粉器(Sulzer Metco Ltd.,Twin10-SPG)、6轴机器人及专用送粉喷嘴等组成. 图1 激光熔覆系统示意图Fig.1
Schematic drawing of laser cladding system 专用送粉喷嘴示意图及设计原理图如图2及图3所示，该送粉喷嘴可提供稳定的送粉量和保护气体. 喷嘴由两个同轴喷嘴组成，保护气体在内外喷嘴之间(外喷嘴)及内喷嘴供给熔覆区，Stellite-6和VC混合粉末由两个铜管通过内喷嘴供给熔覆区. 图2 专用送粉喷嘴示意图Fig.2 Schematic drawing of
special nozzle 图3 专用送粉喷嘴设计原理图Fig.3 Design principle of special nozzle 1.2 试验材料 母材金属为80 mm×30 mm×5 mm的SM400B低碳钢板(质量分数，%)：0.18 C，0.4 Si，1.38 Mn，0.017 P，0.005 S，余量Fe. 熔覆材料为直径小于38 μm的Stellite-6合金粉末(质量分数，%)：1.2C，1.3 Si，0.01 Mn，1.3 Ni，28 Cr，0.1 Mo，1.4 Fe，4.7%W，余量Co. 块状尺寸45～75 μm的VC硬质相颗粒(99.7%碳化钒). 1.3 最佳工艺参数 分析获得的最佳工艺参数为激光平均输出功率275 W(90pps)、离焦量+3 mm、熔覆速度0.3～7.5 mm/s、送粉速度5.4～29.7 g/min、内喷嘴氩气流量6 L/min、外喷嘴氩气流量10 L/min、送粉氩气流量4 L/min.利用上述参数在SM400B低碳钢板上单道熔覆层长度约为50 mm. 1.4 组织分析方法 金相试样用王水(VHCl∶VHNO3=3∶1)进行腐蚀，用金相显微镜和扫描电子显微镜观察熔覆层的显微组织；用X射线衍射仪对熔覆层的相进行了分析；用能量色散X射线光谱仪(EDS)和电子探针(EMPA)对熔覆层的微区成分进行了分析. 2 试验结果与讨论 2.1 熔覆层成形 随着混合粉末中VC质量分数的增加，熔覆层宽度、高度和熔深的变化结果如图4所示. 随着VC质量分数(0～100%)的增加，熔覆层宽度几乎不变(W≈0.8～0.9 mm). VC的质量分数在0～50%的范围时，覆盖层高度(H≈0.3～0.4 mm)和熔深(P≈0.05 mm)基本不变；当VC质量
分数超过50%时，随着VC质量分数的增加，熔覆层高度减小，而熔深增加. 这是由于VC硬质相的比重(5.48 g/cm3)小、而熔点(2 810 ℃)高，Stellite-6合金粉末的比重(8.46 g/cm3)大，而熔点(1 180～1 280 ℃)低. 故随着VC质量分数的增加，熔点高和比重轻的VC硬质相在氩气作用下，部分被吹散在熔池的边缘(为了解决该问题，可以采用钴包VC的形式)，使激光束热量过多的输入给母材. 图4 熔覆层形状与VC质量分数的关系 Fig.4 Relationship between geometry of clad layer and VC weight fraction 2.2 熔覆层的显微组织 随着混合粉末中VC质量分数(0～100%)的增加，熔覆层显微组织如图5所示. 由图5可知，当VC质量分数小于10%时，熔覆层组织为亚共晶组织，其初晶相由固溶体组成，且随着VC质量分数的增加，初晶相尺寸变得细小. 当VC的质量分数大于20%时，熔覆层组织为过共晶组织，推测初晶相由碳化物组成，当VC质量分数为20%～80%时，随着VC质量分数的增加，初晶相数量增多及尺寸变大；当VC质量分数为100%时，其初晶相的尺寸又变得细小. Stellite-6+VC混合粉末的熔覆层X射线衍射相分析结果如图6所示. 由图6a可知，Stellite-6+0%VC混合粉末的熔覆层由富钴的γ相(γ-Co),Cr23C6相、Co3W3C相和CoCx相组成. 初步判定初晶相由γ-Co组成，共晶组织由
(γ-Co)+Cr23C6(+Co3W3C+CoCx)组成. 由图6b可知，
Stellite-6+30%VC混合粉末的熔覆层由γ-Co相、VC相、Cr23C6相、Co3W3C相和CoCx相组成. 由图6c可知，Stellite-6+80%VC混合粉末的熔覆层由富γ-Co相、富Fe的α相(α-Fe)、VC相、Cr23C6相、CoCx相和Fe3C相组成. 由图6d可知，Stellite-6+100%VC混合粉末的熔覆层由α-Fe相、VC相和Fe3C相组成. 图5 Stellite-6和VC混合粉末的熔覆层组织Fig.5 Microstructures of clad layer with powder mixture of Stellite-6 and VC 图6 Stellite-6和VC混合粉末熔覆层的X射线衍射分析Fig.6 X-ray diffraction analysis of clad layer with powder mixture of Stellite-6 and VC 在Stellite-6+VC混合粉末熔覆过程中，高能量密度激光束会使VC硬质相产生部分分解. VC分解后产生的C元素和V元素，在化学冶金反应过程中，重新形成了VC和复杂碳化物(Cr23C6，CoCx,Co3W3C)，并且其产生量随着VC质量分数的增加而增加. Stellite-6+10%VC混合粉末的熔覆层中Co，V，C，Cr 和W元素的电子探针(EMPA)分析结果如图7所示. 由图7可知，亚共晶组织的初晶固溶体中Co元素含量高于初晶相间的共晶组织，而初晶固溶体中V，Cr，C和W元素含量低于初晶相间的共晶组织. 综合上述分析可以推断，当混合粉末中VC质量分数小于10%时，亚共晶组织中的初晶相由γ-Co相组成，共晶组织由γ-Co相、Cr23C6相、Co3W3C相、CoCx相及VC相组成. Stellite-6+20%VC
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