激光熔覆層開裂的原因及解決措施

激光熔覆層開裂的原因及解決措施

0激光熔覆專用鐵基合金的研究現(xiàn)狀激光熔蓋技術(shù)已經(jīng)使用了大約30年。雖然有許多關于理論和實驗性質(zhì)的研究，但該技術(shù)在實際工業(yè)生產(chǎn)中沒有得到廣泛應用。最重要的原因是，激光焊接層容易撕裂，尤其是焊接層的硬度。由于激光熔覆和熱噴涂對所用合金粉末性能要求不同,當前解決熔覆層裂紋問題最重要也最切實際的方法是研制激光熔覆專用合金。文中指出了激光熔覆專用鐵基合金的研究現(xiàn)狀,評述了現(xiàn)有激光熔覆專用鐵基合金成分與組織設計的思想。并提出了新的成分與組織設計思想。1熔覆層有效預防的副作用一些專家提出了若干解決熔覆層開裂的方法,但這些方法都存在一些問題:(1)預熱及后熱被公認為有利于抑制熔覆層裂紋的產(chǎn)生,但不能從根本上解決開裂問題,且其不利影響是熔覆層組織粗化,硬度降低,增大生產(chǎn)成本,降低生產(chǎn)效率等。(2)合金化增加韌性相。通過添加鎳和鈷等韌性相合金元素,提高熔覆層韌性,對抑制裂紋的產(chǎn)生是一種有效方法,但有一些副作用,如:熔覆層硬度下降,降低了熔覆層使用性能等[1~2]。(3)優(yōu)化工藝參數(shù)。一般認為,調(diào)整工藝參數(shù)用來抑制熔覆層的開裂其作用是有限的。(4)采用功能梯度涂層或過渡涂層。此方法難以精確控制涂層成分按理論設計變化,技術(shù)復雜,成本較高,生產(chǎn)效率較低等,有報道認為該法對抑制熔覆層開裂無效。(5)添加稀土氧化物。一般認為稀土氧化物La2O3和CeO2等對熔覆層能起到細化晶粒和凈化組織作用;一些研究者認為稀土氧化物能有效減少熔覆層裂紋,但另一些學者認為稀土氧化物對提高熔覆層抗裂性能并無益處。(6)超聲振動或電磁振動[10~12]可以細化熔覆層組織,勻化熔覆層的成分與組織,進而提高熔覆層韌性,減少裂紋,但尚無試驗表明這些措施能夠徹底解決高硬度熔覆層的裂紋問題;而增添超聲振動器或電磁攪拌器,顯然增加了生產(chǎn)成本,降低了生產(chǎn)效率。(7)采用部分納米材料可細化組織,抑制裂紋產(chǎn)生,但由于納米粉末容易團聚等技術(shù)上的問題,和成本高,只在特殊情況下使用?？梢?現(xiàn)有消除裂紋的主要措施盡管有一定的效果,但并未從根本上解決這一問題。2自熔劑合金粉末的作用機理為了徹底解決激光熔覆層的裂紋問題,必須針對激光熔覆的熱物理冶金特點,深刻理解激光熔覆所用的合金粉末應具有的性能?，F(xiàn)在激光熔覆合金粉末基本上是沿用熱噴焊用的自熔劑合金粉末,或在自熔劑合金粉末中加入一定量的WC和TiC等陶瓷顆粒。必須指出,因為熱噴焊與激光熔覆有著許多相近似的物理和化學過程,所以它們對所用合金粉末的性能要求也有很多相近之處,如:合金粉末應具有脫氧、還原、造渣、除氣、濕潤金屬表面、良好的固態(tài)流動性、適中的粒度、含氧量要低等性能。然而,激光熔覆與熱噴焊對所用合金粉末性能要求亦有不同,根本差別在于:(1)氧乙炔焰的能量密度比激光束低得多,所能夠達到的最高溫度有限,遠遠低于激光加熱條件下熔池所能夠達到的最高溫度。因此,熱噴焊時為了便于能夠被氧乙炔焰熔化,合金粉末應具有低熔點的特性,而通過加入較高含量的硅、硼元素,形成所謂的自熔劑合金,既可以大幅度降低合金的熔點,多加入的硅、硼元素又能夠在噴焊過程中成為焊渣,漂浮在熔池的表面,有效地保護噴焊熔池;而激光熔覆所達到的能量密度大,熔覆過程中所能夠達到的熔池溫度高,激光束移開以后熔池迅速冷凝,亦即熔池的壽命很短,因此上述過量的硅、硼等合金元素在激光熔覆過程中不能有效上浮,大部分將成為脆性元素保留在熔覆層中,導致熔覆層的裂紋敏感性增加。(2)熱噴焊時為了保證合金在熔融時有適度的流動性,使熔化的合金能在基材表面均勻攤開,形成光滑表面,合金從熔化開始到熔化終了應有較大的溫度范圍。但在激光熔覆時,由于熔池的冷卻速度快,枝晶偏析是不可避免的,熔覆合金熔化溫度區(qū)間越大,熔覆層內(nèi)枝晶偏析越嚴重,脆性溫度區(qū)間也越寬,熔覆層的開裂敏感性也越大;(3)熱噴焊時,熔覆層到基材的溫度梯度小,因此有利于緩解熱應力;而激光熔覆時,使用的是高能量密度,基材基本上處于冷態(tài),熔覆層到基材的溫度梯度大,應力也大?？梢?激光熔覆專用合金應比熱噴焊所使用的合金塑性和韌性更佳。正是由于激光熔覆與熱噴焊對所用合金粉末性能要求存在較大的差距,導致采用現(xiàn)有熱噴焊用自熔劑合金粉末進行激光熔覆時熔覆層容易產(chǎn)生裂紋,熔覆層硬度要求高時這種現(xiàn)象特別明顯,如果為了提高硬度等熔覆層的性能而在自熔劑合金粉末中加入金屬陶瓷顆粒,則由于陶瓷相與熔覆合金及基材的熱物性參數(shù)相差大,界面容易存在不良反應,更促進了裂紋的產(chǎn)生。以上原因決定了解決裂紋問題的巨大困難性,也導致目前消除裂紋的措施未能從根本上解決裂紋問題?？梢?從改進熱噴焊用自熔劑合金粉末成分方面入手,對于消除熔覆層裂紋來說應該是最為重要的。目前需要熔覆制造與修復的大多數(shù)工件是鐵基材料,鐵基合金不僅因成分與基體成分接近,界面結(jié)合牢固,而且相比較于鎳基和鈷基合金而言,成本低,易于研究和推廣應用。因此,研制激光熔覆專用鐵基合金粉末具有很大的價值,這也會為以后研制激光熔覆專用鎳基和鈷基合金粉末積累經(jīng)驗。3熔覆層性能的評價主要有近年來,有關激光熔覆的研究有不少是圍繞激光熔覆專用鐵基合金展開的。譚文等用鐵粉﹑石墨粉﹑硅粉﹑硼粉﹑稀土氧化物和CaF2按一定比例均勻混合制成熔覆用粉,研究了熔覆層組織﹑潤濕性和裂紋的變化規(guī)律。馬明星等研究了單獨添加鈮和復合添加鈮、鈦對激光熔覆鐵基原位合成顆粒增強復合涂層組織的影響。趙海云采用自行設計的Fe-Cr-C-W-Ni合金粉末,獲得了表面成形良好﹑無氣孔和裂紋的熔覆層,熔覆層硬度高達約60HRC。張慶茂等在中碳鋼基體表面上熔覆(2.4%Zr+1.2%Ti+15%WC)/FeCSiB合金粉末,制備出原位析出的顆粒增強金屬基復合材料。上述研究結(jié)果還存在種種不足:(1)硬度問題。工業(yè)應用中,要求合金的力學性能以及其它的物理、化學性能系列化。例如,硬度范圍最好能夠從20HRC分級別達到60HRC,而上述研究者均未做到這一點。(2)成本問題。趙海云的熔覆用粉末中Ni﹑Mo和W等合金元素的含量高達約40%(質(zhì)量分數(shù))。顯然,比例過大,增加了材料成本。工業(yè)應用需要在滿足工藝性能和物理、機械性能要求的前提下,合金粉末的價格再盡量低。(3)徹底消除裂紋問題。如譚文得到的熔覆層盡管晶粒細小,與基材潤濕性好,顯微硬度可高達1050HV0.2,但依然存在少量裂紋。這在許多場合是限制使用的。(4)強度和韌性及相關的力學性能評價方法問題。目前研究者對激光熔覆層性能關注的重點是硬度和開裂敏感性,但這是不夠的。以前的熔覆試驗絕大多數(shù)是實驗室里進行的單道或單層熔覆,在實際生產(chǎn)中很可能會需要大面積和大厚度的熔覆層。隨之而來的問題是,這樣的熔覆層是否具有較佳的強度和塑韌性等力學性能以滿足工件工作需要?另外,一個很重要的相關問題是,熔覆層力學性能很多,如界面結(jié)合強度、抗拉強度、剪切強度、塑性和韌性等,由于實際測試手段和成本的局限,對于上述性能的評價還存在一定的困難,如何用科學﹑高效和經(jīng)濟的方法去評價熔覆層的綜合力學性能?事實上,目前很少有涉及熔覆層強度和塑韌性等的工程力學性能數(shù)據(jù),也未有一種公認的科學的綜合力學性能評價方法。這阻礙了激光熔覆技術(shù)的工程應用。(5)實際應用問題。一些研究者[17~19]在實驗室里獲得了高硬度(≥60HRC)和無裂紋的熔覆層,這是一種進步,但與實際的生產(chǎn)和工作條件有一定差別。(a)在激光熔覆生產(chǎn)過程中,由于體積不同導致的熱容相差懸殊,大中型零部件表面的激光熔池冷卻速度遠大于實驗室條件下小試樣或小型實際零件表面的激光熔池冷卻速度,因而會在激光光斑周圍形成更高的溫度梯度,導致熔覆層有更大的殘余應力和裂紋傾向。由于體積偏大,大中型零部件難以預熱和后熱,加劇了其熔覆層開裂傾向;(b)大中型零部件在使用過程中,遭受到可能的拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、疲勞等各種應力的復合作用,這種復雜的疊加應力在實驗室條件下是難以模擬的。以上兩點決定了實際生產(chǎn)和使用條件下的大中型零部件熔覆層除了表面上的熔覆層一樣可能需要具有高的強度和硬度外,還應具有更為優(yōu)良的塑性與韌性,以防止在熔覆生產(chǎn)過程和零部件使用過程中覆層開裂。4原位自生的設計思想最近幾年有關激光熔覆的研究者大多意識到了早前幾年盲目采用熱噴焊用的自熔劑合金粉末和在其中簡單添加陶瓷粉末的弊端。研究人員在此基礎上作了不少改進,主要體現(xiàn)如下:(1)從熔覆用粉制作工藝和界面精細結(jié)構(gòu)出發(fā),提出了“原位自生”的概念。近幾年在消除熔覆層裂紋的諸多技術(shù)思路中影響力最大的當屬“原位自生”的技術(shù)路線。早在上世紀80年代中期SinghJogender和Mazumder.J等學者就提出了“原位自生”的初步概念,但該種技術(shù)路線未引起人們的注意;到了90年代末期以后,這種技術(shù)路線才獲得了重視,武曉雷、鐘敏霖、劉文今和張慶茂等學者對此進行了許多研究工作。按照“原位自生”的理論,相對于外加顆粒增強復合涂層來說,由于陶瓷相(如WC、TiC、TiN、SiC、ZrO2、Al2O3、SiO2等)與Fe基基體金屬的熱物性參數(shù)相差大,相容性較差,影響界面結(jié)合,往往成為裂紋源。此外,陶瓷與基體金屬界面會形成不良反應物和附著物,使該界面成為低強度、低韌性的弱界面,在重載荷作用下,陶瓷顆粒有可能剝離金屬基體,削弱了整體強化效果;而對于原位反應生成的顆粒增強復合涂層來說,原位增強體顆粒是從金屬基體中原位反應、形核長大的,原位自生增強相與金屬基體浸潤性能良好,界面潔凈,陶瓷顆粒細小且均勻彌散分布,裂紋傾向小。(2)從凝固理論出發(fā),提出了“高碳共晶”的設計思想。盡管近期有關激光熔覆專用鐵基合金的研究活動較多,但應用的合金大多數(shù)為“高碳共晶”合金,其成分與組織設計思想為:合金碳含量較高,一般為3.4%~6%,位于共晶點或其附近,利用共晶點合金凝固區(qū)間較窄和晶粒小,韌性好的特點以提高熔覆涂層抗開裂的能力;覆層組織具有兩相組成的特征,即其中一相為韌性較好的奧氏體或鐵素體,另一相為大量形狀細小、彌散分布的高硬度合金碳化物強化相。這兩種設計思想是最近幾年激光熔覆專用鐵基合金成分與熔覆層組織設計的主要思想。相對于早期研究者企圖用預熱、后熱和調(diào)整工藝參數(shù)等簡單技術(shù)手段消除裂紋而言,近期有關研究者則從凝固理論和界面精細結(jié)構(gòu)等更深層面考慮消除裂紋問題,這顯然是一種進步。按這些思想設計的激光熔覆專用鐵基合金取得了一些進步,但也還存在著一些問題。從工程應用的角度考慮,按這兩種設計思想制作的熔覆層尚未能獲得廣泛的應用,尤其是未能在價值昂貴的大中型零部件上獲得應用,這是令人遺憾的。從激光熔覆技術(shù)發(fā)展的水平來說,按這兩種設計思想制作的熔覆層僅能在小零件上應用,而不能在技術(shù)難度更大即熔覆層開裂傾向更大的大中型零部件上獲得應用,表明這些設計思想還有其局限性,還需要較大改進。如果從深層次的思想來源考察,則可發(fā)現(xiàn),近期有關研究者提出的大多數(shù)設計思想并不是孤立的,而是在很大程度上借鑒了材料學科其它領域的最新進展,比如“高碳共晶”設計思想的支持者趙海云就大量借鑒了合金鑄鐵的成分設計,采用了彌散強化和固熔強化等強化機理,“原位自生”的設計思想更是明顯來源于復合材料制備的新方法—“原位自生”金屬基復合材料(MMCs)。近期有關激光熔覆裂紋的研究者試圖用其它材料制備方法中合金的強韌化機理來消除激光熔覆層裂紋,這是令人生疑的。激光熔覆過程與合金鑄鐵制備和“原位自生”金屬基復合材料制備過程有一個很大差別,就是激光熔覆過程中合金熔液的冷卻速度遠大于后兩者制備過程中合金熔液的冷卻速度,熔覆過程中合金中的應力梯度也應遠大于后兩者制備過程中合金中的應力梯度,因而有更大的開裂傾向。就目前的技術(shù)水平來說,用鑄造法和“原位自生”金屬基復合法制備的高合金尚且不能完全保證在實際生產(chǎn)和使用過程中不產(chǎn)生裂紋,有著更大應力梯度和開裂傾向的激光熔覆高碳合金又如何能在大面積﹑大厚度和復雜形狀的情況下在大中型零部件的實際制造﹑修復和使用過程中保證不產(chǎn)生裂紋呢?根據(jù)金屬學和斷裂力學的理論,合金中高的碳含量和大量彌散分布的高硬度碳化物盡管會使合金有高的硬度,但另一方面也很可能損害其塑韌性。同時,在實際應用上,迄今為止筆者尚未見到在商業(yè)生產(chǎn)中使用含有高碳含量和大量的高硬度碳化物的合金對大中型零部件成功進行激光熔覆加工的報道。因此,目前不能斷言這些設計思想已經(jīng)取得了成功。5鐵基合金的材料和組織激光熔覆層的裂紋問題深刻體現(xiàn)了材料硬度與韌性之間的矛盾,正如前所述,“高碳共晶”的成分與組織設計思想還有其局限性。為解決材料硬度與韌性這一對矛盾,在激光熔覆專用鐵基合金成分設計上,筆者認為,可以采用中、低碳中合金;在激光熔覆鐵基合金層的室溫組織設計上,相對目前大多數(shù)研究者所采用的:奧氏體+大量碳化物(或:高碳馬氏體+殘余奧氏體+大量碳化物),筆者認為,可以采用:中碳混合馬氏體(或低碳板條馬氏體)+少量殘余奧氏體+少量碳化物。這樣的成分與組織設計既可使熔覆鐵基合金價格低廉,又可使熔覆合金層具有良好的強韌性。筆者根據(jù)這種思想初步設計和制作了幾種激光熔覆專用鐵基合金,熔覆層硬度根據(jù)鐵基合金成分不同,可為30HRC~60HRC,熔覆層無裂紋,且無需預熱和后熱。筆者采用自行研制的激光熔覆專用高硬度鐵基合金(熔覆層硬度為60HRC)曾經(jīng)成功修復了數(shù)支廣州珠江鋼廠的大型軋輥,并且筆者采用自行研制的激光熔覆專用中硬度鐵基合金(熔覆層硬度為45HRC)也曾經(jīng)成功修復了湖北襄樊內(nèi)燃機車廠的幾支大型曲軸和湖南南方航空動力機械公司的幾個精密模具零件。上述激光熔覆的實際項目都取得了應用廠家的認可,為合作雙方都獲得了良好的經(jīng)濟效益,這證明了筆者采用的激光熔覆專用鐵