激光重熔对50CrMoV钢放电强化表面组织与性能的影响.docx

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时间：2021年x月x日

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激光重熔对50CrMoV钢放电强化表面组织与性能的影响
乔桂英　肖福仁
摘　要：用透射电镜和X-射线衍射研究了激光重熔对50CrMoV钢脉冲放电强化层组织与性能的影响，结果表明：激光重熔可使放电表面强化层的硬度进一步提高。硬度提高的原因是激光超细化组织及高密度位错和一定量的碳化物所致。
关键词：激光重熔　放电强化　组织　硬度
Effect of Laser Cladding on Microstructure
and Property of Pulse Discharge Enhanced
Surface Layer of Steel 50CrMoV
Qiao Guiying and Xiao Furen
(Material and Chemistry Institute, Yanshan University, Qinhuangdao 066004)
Abstract：The effect of laser cladding on microstructure and property of pulse discharge enhanced surface layer of steel 50CrMoV has been studied by means of transmission electron microscope and x-ray diffraction method. The results showed that the hardness of pulse discharge enhanced layer was improved by laser cladding to form nanometer crystal microstructure, higher density dislocation and definite carbides.
Material Index：Laser Cladding, Discharge Enhancing, Microstructure, Hardness▲
　　放电强化作为一种表面强化的手段得到一定的作用［1，2］，然而放电强化层较薄，强化层的均匀性和致密性较差，因此影响了其强化的效果。随大功率激光器的出现，激光表面处理在工业生产取得广泛的应用［3］。近年来，有关激光熔覆WC/Co(Ni)和TiC/Ni(Co)合金的研究较多［4，5］，广泛采用的是人工或机械涂刷粉末的方法。本工作采用脉冲放电的方法，在50CrMoV钢表面预涂一层硬质合金硬化层，研究激光重熔对脉冲放电强化层的影响，以进一步提高脉冲放电表面强化性能。
1　试验材料及方法
　　基体材料选用50CrMoV钢。在基体材料表面采用脉冲放电的方法形成20μm左右厚的预涂层，然后进行激光处理。脉冲放电试验在自行研制的晶体脉冲电源加管旋转电极强化试验机上进行，采用YG8合金为电极材料，工作条件为：占空比为9:1；电压为180V;强化时间为8min/cm2；介质为空气。激光处理在2kW连续CO2激光器上进行。束斑直径D=5mm;功率P=600～1 500W;扫描速度v=10～25mm/s；N2保护。
　　在D/MAX-rB型X射线衍射仪上进行物相分析。在H-800型透射电子显微镜上对硬化层表面微观组织进行分析。试样经单面机械减薄至0.04mm后，采用电解双喷减薄。电解液为10%高氯酸酒精溶液，抛光条件为电压50V，电流90mA。
2　试验结果与分析
2.1　放电强化层的组织与性能
　　50CrMoV钢经放电强化后的表面硬度与层深的关系如图1所示。经放电强化后的表面硬度可达HV0.11 300以上，硬化层与基体之间无过渡层。放电强化层的金相组织如图2所示。可见在基体表面形成了约35μm的白亮层，白亮层与基体的界面清晰，无明显的扩散层，这与硬度测试结果相一致。XRD分析结果表明，表面白亮层的相组成为大量M6C、W2C及少量WC碳化物，由于大量碳化物存在使表面硬度高达HV0.11 300以上。

图1　放电强化层的硬度
Fig.1　Hardness of pulse discharge enhanced layer

图2　放电强化层的组织
Fig.2　Microstructure of pulse discharge enhanced layer
2.2　激光处理对放电强化层硬度的影响
　　图3给出了激光处理工艺参数对脉冲放电涂层表面硬度的影响。可见随工艺条件的不同，在P=1 200 W、V=18 mm/s时，表面硬度达到极大值。这与激光能量输入大小对表面合金化的程度及显微组织的影响有关。

图3　激光处理与强化层硬度的关系
Fig.3　Relation between laser cladding and hardness of enhanced layer
2.3　激光处理对放电强化层组织的影响
　　放电涂层经激光重熔后，横截面呈月牙形，月牙的厚度随激光功率等参数不同而不同。与放电强化层相比，硬化层深明显增大，且与基体之间存在较宽的扩散冶金结合层。金相分析结果表明，硬化层表面组织为隐晶马氏体+碳化物，而且随激光功率的增大，碳化物有减少的趋势。XRD分析结果表明，经激光重熔后表层相组成主要为α′相和γ相及少量碳化物相。碳化物的种类也发生变化，主要为WC相。随激光功率的增大，碳化物的数量减少，另外残余奥氏体量也有所变化。图4给出了不同工艺条件下的α′相(110)的衍射峰。可见随激光功率及扫描速度的不同，衍射峰的位置和半高宽也不同。在P=1 200W,V=18 mm/s时，衍射峰峰位向低角偏移量最大，而衍射峰的半高宽也达到极大值。衍射峰位置的变化与合金的固溶度有关［6］；半高宽的变化与微晶尺寸及微观畸变有关［6］。衍射峰的这种变化表明此时强化层的固溶度最大，微晶尺寸最小，微观应力和位错密度最大，强化效果最大，即表面硬度最高，这与硬度测定结果相一致。

图4　激光重熔表层α′(110)衍射峰
Fig.4　Diffraction peak of α′ phase (110) of laser cladding layer
　　TEM观察结果表明，经激光处理的放电涂层的组织为位错马氏体和孪晶马氏体的混合组织(图5a、b)，但只在极少的区域出现这种典型的位错马氏体和孪晶马氏体，绝大部分区域组织特征不明显，但组织极为细化，有未溶碳化物存在，碳化物的数量和尺寸随激光功率的增大而减小，而且在亚晶界有极小的碳化物存在(图5c)，使材料得到强化。在较低功率条件下，与基体组织明显不同的区域内存在较多的碳化物(图5d)，分析认为是放电强化层中的组织在激光重熔过程中未完全熔化而保留下来的放电强化层组织。

图5　激光重熔表层的TEM分析结果
(a) 位错马氏体； (b) 孪晶马氏体； (c) 亚结构； (d) 碳化物
Fig.5　TEM morphology of laser cladding layer structure　(a) dislocation martensite,(b) twin martensite,(c) subgrain,(d) carbides
3　讨论
　　在放电强化过程中，电极材料YG8在钢的表面形成以含W的高硬度碳化物硬化层，使基体材料表面得以强化，但因放电作用时间极短，强化层无明显的过渡层，硬度梯度极陡峭。该层在激光处理过程中与基体表面层熔融使基体表面合金化。互熔的结果使强化层中碳化物的数量减少，但基体表面层的合金元素的含量增加，强化层加厚，并形成较大的过渡层，使硬度梯度降低。
　　在激光重熔的过程中，熔池及合金化程度的大小取决于激光输入的能量及作用时间。在功率较低的条件下，碳化物溶解量少(图5d)，合金化程度弱，对放电强化层强化效果改变不显著；当激光能量过大，碳化物的溶解量增大，熔池也相应增大，熔池的稀释作用增强，熔池中的合金元素含量降低，其强化效果也较低。因此，达到最佳的强化效果需要合理地选择激光重熔的工艺参数。由于激光加热冷却速度快，加之N2的辅助冷却作用，使表面层形成超细化组织。而且，激光重熔后的组织中，仍存在的未溶碳化物可作为非均匀形核的核心，进一步细化结晶组织。尽管碳化物的含量有所减少，但组织中细小的亚晶及在亚晶界处分布着细小的碳化物对变形的阻碍作用，仍使硬度明显升高。试验得出，激光重熔后的硬度与衍射峰的半高宽有良好的对应关系，即微晶尺寸减小、位错密度和微观畸变增加使硬度增加。这与文献［7］及过去的结果相一致［8］。
4　结论
　　(1) 50CrMoV钢脉冲放电强化涂层经激光重熔后，表面硬度可进一步提高。本试验最佳的激光处理工艺为激光功率P=1 200 W;扫描速度V=18 mm/s，表面硬度可达HV0.11 600 以上。
　　(2) 激光重熔后，硬度提高的原因是组织的超细化、高位错密度及分布在亚晶界的细小碳化物。■
作者简介：乔桂英，女，32岁，工程师。1992年毕业于燕山大学金属材料专业(硕士)。从事金属材料研究。
作者单位：乔桂英(燕山大学材料化工学院，秦皇岛 066004)
　　　　　肖福仁(燕山大学材料化工学院，秦皇岛 066004)
参考文献：
［1］彭其风，刘大桑等.电火花放电强化.金属热处理，1983，(7)：12
［2］刘益武.金属表面的电火花强化法.金属热处理，1979，(7)：17
［3］孙阳智.激光硬化金属表面.激光杂志，1987，8(4)：265
［4］张　松，张春华，谭朝鑫.鼓风机叶片激光熔覆的应用研究.中国激光，1995，22(5)：395
［5］裴宇韬，孟庆昌，雷廷权.激光熔覆TiCp/Ni合金复合涂层中TiC颗粒的溶解析出行为与分布特征.中国激光，1995，22(12)：935
［6］何崇智，郗秀荣，孟庆恩等.X射线衍射实验技术.上海：上海科学出版社，1988，161，283
［7］刘　宁，卞承艺，施家山.W6Mo5Cr4V2钢激光硬化的估算.金属热处理学报，1993，14(1)：31
［8］沈德久，乔桂英，郑启光等.50CrMoV钢脉冲放电涂层的激光重熔.复合材料学报，1997，14(4)：61

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