合金元素及其含量对铁基合金激光熔覆层性能的影响

合金元素及其含量对铁基合金激光熔覆层性能的影响

周永情

河南质量工程职业学院  河南省平顶山市 467000

摘要：激光熔覆是指通过不同的添加方法，在被熔覆集体中放置选择的涂层材料，通过激光辐照之后，使其基体表面充分熔化，之后快速凝土产生低稀释度、与基体呈现冶金结合表面涂层的工艺技术，在该过程中，合金元素以及合金元素的含量，会对激光熔覆层性能产生影响，所以为了提升产品质量，同时对工艺进行优化，需要明确其具体影响。因此，本文将对合金元素及其含量对铁基合金激光熔覆层性能方面进行深入地研究与分析，并结合实践经验总结一些措施，希望可以对相关行业有所帮助。

关键词：合金元素；含量；铁基合金；激光熔覆层；性能影响

相比于传统的表面处理技术而言，比如电镀技术、热喷焊技术等，激光熔覆技术具有熔覆层晶粒度较小、热影响区与热变形区较小等多项优势。结合相关研究来看，因为合金元素对于钢铁材料的性能具有影响，所以在铁基合金生产过程中，如果采用激光熔覆工艺，则需要准确控制合金元素以及含量，减少对激光熔覆层的负面影响，从而能够提升铁基材料的综合质量。为此，本文主要研究了镍、铬以及钼等金属元素及其含量对激光熔覆层的影响。

1实验材料与方法

在本次实验设计中，激光熔覆实验采用某国家生产的ROFIN TR050型号快轴流二氧化碳激光器；在实验过程中，激光功率设定为35kW，激光光束波长设定为10.5μm；通过烧蚀方法对光斑直径进行测量，并对离焦量进行调整，使得该期间光斑直径达到4mm；应用单道、单层预置式激光熔覆，预制粉末厚度设定为1.5mm；激光扫描速度设定为每秒6mm，扫描长度设定为30mm；采用氩气作为保护气体，能够避免合金粉末在激光熔覆期间出现氧化问题，氩气流量设定为每分钟3.5L；基材采用A3钢，尺寸设定为10cm*3cm*0.5cm，通过酸洗的方式将其表面锈迹去除，并采用丙酮对其清洗，确保表面清洁，之后对其进行烘干处理。在实验过程中，应用性能较好的Fe202合金粉末作为基础合金，该粉末为150—200目的自制铁、镍、铬、硼、硅以及碳合金，化学成分为：92.7铁、3镍、2铬、1硼、1硅以及0.3碳；结合激光熔覆的实验结果来看，应用Fe202合金粉末作为熔覆用基材，能够获取硬度较高且没有裂纹的铁基激光熔覆层；在Fe202中分别添加不同含量的镍、铬以及钼合金元素，用于合金元素对铁基合金激光熔覆层性能的影响研究。为了确保采用的纯合金元素与原有合金元素粉末充分融合，并达到一定程度的合金化，对混合合金粉末进行机械球磨预混处理，处理工艺设定为：球磨时间为10小时，球磨为半径10mm的硬质合金球，合金粉末与磨球的质量比例为1:5，球磨过程中稀释剂采用无水酒精；在球磨后，将粉末放置在100摄氏度环境下烘干2小时，之后将其筛除后备用。采用洛氏硬度计，对各种成分合金激光熔覆层的表面硬度进行检测；通过X射线衍射的方法，对各激光熔覆层中剩余奥氏体量进行检测；通过10倍放大率得到体视显微镜对激光熔覆层裂纹数量、迟钝进行观察与测量；激光熔覆层的开裂敏感性，利用衡量单位面积中裂纹长度获取[1]。

2实验结果与分析

2.1对激光熔覆层硬度的影响

结合合金元素及其含量对于激光熔覆层硬度的影响分析结果来看，镍元素能够降低激光熔覆层硬度，在镍含量增加的情况下，激光熔覆层的硬度会逐渐下降，在镍含量超过7%时，激光熔覆层硬度快速下降；添加少量的铬后，能够略微提升激光熔覆层硬度，但是在铬含量超过4.5%的情况下，激光熔覆层硬度会略微降低，在铬含量进一步增加的情况下，激光熔覆层硬度显著降低，但是下降幅度相比于增加镍而言较低；在钼元素含量增加的趋势下，激光熔覆层硬度逐渐增加，但是在钼元素含量超过5.6%的情况下，激光熔覆层硬度降低，且随着钼含量的进一步增加，激光熔覆层硬度没有出现显著变化。合金元素对于激光熔覆层的性能影响，主要是因为激光熔覆层中残余奥氏体量的变化而引起，因为残余奥氏体硬度较低，所以如果激光熔覆层中残余奥氏体含量较高时，激光熔覆层的硬度就会降低，合金元素含量的变化，对于激光熔覆层中残余奥氏体体积分数会产生影响，镍、铬以及钼含量的增加，都会提升激光熔覆层中残余奥氏体体积分数，从而降低激光熔覆层硬度[2]。

2.2对激光熔覆层开裂敏感性的影响

结合合金元素及其含量对于激光熔覆层开裂敏感性的实验结果来看，因为应用Fe202合金粉末制备获取的激光熔覆层不存在裂纹，结果证明不论增加多少镍元素，都不会使得激光熔覆层产生裂纹，因为镍元素可以提升激光熔覆层中残余奥氏体体积分数，所以需要降低激光熔覆层开裂敏感性的特点，与其他相关研究的结论基本一致；虽然本次实验中因为样本尺寸较小，没有体现出镍元素的有效作用，但是如果在激光熔覆条件较为恶劣的情况下，例如激光熔覆层冷却速度更快、周围拘束应力更加复杂时，可以体现出镍元素的作用；在铬元素增加的情况下，激光熔覆层的开裂敏感性提升，在铬元素含量超过9.7%的情况下，因为残余奥氏体含量大幅度增加，所以能够降低激光熔覆层开裂敏感性，激光熔覆层不会产生裂纹问题

[3]。

2.3对激光熔覆层残余奥氏体量的影响

残余奥氏体的存在与含量，对于激光熔覆层的硬度、开裂敏感性会产生直接影响，结合实验结果可以明确：在镍含量增加的情况下，激光熔覆层中残余奥氏体含量增加，与镍元素具有正比例关系；在铬元素增加的情况下，激光熔覆层中残余奥氏体开始增速较慢，之后增加速度变快；在钼含量增加的情况下，激光熔覆层中残余奥氏体量增速缓慢。激光熔覆层中残余奥氏体量会随着镍、铬以及钼元素含量的增加而提升，主要是因为镍、铬以及钼等合金元素能够降低马氏体转变最终温度，而马氏体转变最终温度能够影响钢淬火到室温时的残余奥氏体量。

2.4对激光熔覆层组织的影响

结合对铁基合金激光熔覆层的组织影响结果来看，从宏观角度分析，激光熔覆层组织结构较为均匀，形貌光滑且平整；在激光熔覆过程中，激光熔覆层内部，尤其是激光熔覆层与基材结合的区域，所产生的应力较低，且激光熔覆层中镍、铬元素的含量较高时，能够使得激光熔覆层保持良好的塑性与韧性。在铁基粉末中，硼与硅元素具有自我脱氧与造渣功能，在激光熔覆期间，硼与硅元素在熔池表面产生硅酸盐与硼化物的熔渣，不仅能够吸附合金溶液中的阳离子，还能够避免大气中氧原子进入熔池内部，从而避免合金中的元素被氧化，是能够获取氧化物含量较低、气孔率较低激光熔覆层的主要因素。从微观的角度来看，在加入不同金属元素之后，激光熔覆层与基体的集合区域，具有快速凝固组织特征；激光熔覆层近结合区域的组织为树枝状晶；激光熔覆层表面组织为等轴晶；激光熔覆层组织与基体具有显著的白色界限，说明激光熔覆层与基体为冶金结合，能够促进激光熔覆层与基体之间的结合力提升；因为激光熔覆层加热速度较快，且变形程度较低，所以激光熔覆层元素不容易被稀释，能够保证激光熔覆层的性能不出现下降问题[4]。

通过对比三种不同金属元素增加后激光熔覆层晶粒组织的大小，证明三种合金元素没有明显差异，基层、表端都为细小晶粒组织、粗大晶粒组织以及小晶粒组织，激光熔覆层表端等轴晶粒平均尺寸约为8μm，细小晶粒组织可以强化激光熔覆层组织性能，且晶粒之间的间隙没有明显析出物，证明激光熔覆层晶粒内部的应力较低，能够避免激光熔覆层出现开裂的问题。采用扫描电镜配能谱仪测定激光熔覆层表端同一部位的不同区域，分析部位与结果如下表所示。

表1：激光熔覆层能谱分析结果

A区为等轴晶晶干部位，B区为等轴晶间隙部位，从上表的数据以及相关结果分析中可以明确，激光熔覆层中等轴晶晶干区域主要富集元素为铬与钼，等轴晶间隙区域主要富集元素为镍与硅，作为主要合金元素的镍、铬以及钼，在经过期间出现偏析，从而使得组织呈现差异。

2.5对激光熔覆层耐腐蚀性能的影响

结合合金元素及含量对于激光熔覆层耐腐蚀性能的影响分析结果来看，激光熔覆层经过20小时盐雾腐蚀后，产生了腐蚀现象，随着腐蚀时间的延长，激光熔覆层会出现白钝化现象，加入镍、铬以及钼元素合金后，激光熔覆层表面腐蚀层的面积分为40%、25%以及30%，从而证明加入铬后提升激光熔覆层表面耐腐蚀能力效果最好，主要是由于在铬含量增加后，激光熔覆层会出现富含铬的氧化物钝化膜，该钝化膜能够提升激光熔覆层的耐腐蚀性，并在腐蚀时间延长的情况下，钝化膜的不断增加，补偿了钝化膜的溶解，从而能够组织酸性溶液对激光熔覆层的腐蚀，提升激光熔覆层整体耐腐蚀性。为了对比激光熔覆层的保护性能，依据相关规定对其进行评级，对激光熔覆层增加镍、铬以及钼元素经过212小时后中性盐雾实验基本腐蚀情况进行评级，证明铁基合金经过长时间的盐酸雾蚀之后，都没有出现腐蚀现象，证明镍、铬以及钼合金的增加，都能够使得激光熔覆层耐腐蚀性能达到8级以上[5]。

3结论

通过上述实验分析可以得到如下几项结论：（1）三种合金元素会对铁基材料的激光熔覆层硬度产生影响，镍会使激光熔覆层硬度降低，铬与钼元素少量添加时能够提升激光熔覆层硬度，在增加达到一定量后会使得激光熔覆层硬度下降。（2）三种合金元素会对激光熔覆层的开裂敏感性产生影响，都能够降低其敏感性，从而使得激光熔覆层更加不容易开裂，提升铁基合金激光熔覆层抗开裂性能。（3）三种合金元素都能够增加激光熔覆层中的残余奥氏体，从而使得铁基合金材料性能提升，该结论有利于优化铁基合金加工技术，通过增加合金材料的方式促进铁基合金性能提高。（4）三种合金材料会使得激光熔覆层的表面组织发生变化，使得激光熔覆层表面更加均匀，外观质量更好。（5）三种合金材料的增加，能够提升激光熔覆层表面抗氧化性能，其中增加铬元素的提升效果最为显著，所以在铁基合金生产过程中，可以通过增加铬元素的方式，提升激光熔覆层整体性能。

本次实验所采用的方法较为可靠，实验过程没有出现特殊情况，验证了不同合金元素以及含量对于铁基合金激光熔覆层得到影响；本次实验得到的结论，与其他研究结果具有一致性，证明该实验研究结果较为可靠，能够用于指导铁基合金生产工艺优化，合金元素及含量对于铁基合金激光熔覆层的性能影响，需要通过其他实验进一步验证。

参考文献

[1]皮自强, 杜开平, 郑兆然,等. 钼含量对铁基激光熔覆层组织和性能的影响[J]. 热喷涂技术, 2021, 013(001):85-90.

[2]徐勤官, 曲仕尧. 铁基合金激光熔覆层的组织与性能研究[J]. 金属加工:热加工, 2022,36(10):4-4.

[3]张鸿羽, 余敏, 华俊伟,等. Mo元素对Fe-Cr-Mo激光熔覆层组织及性能的影响[J]. 中国激光, 2021(022):048-048.

[4]徐一飞, 孙耀宁, 王国建,等. 高速激光熔覆铁基合金涂层的组织及性能研究[J]. 中国激光, 2021, 48(10):9-9.

[5]焦阳, 李聪玮, 宫成,等. 金属Mo对液压油缸铁基熔覆层微观组织和服役性能的影响[J]. 煤矿机械, 2022, 43(003):5-5.

基金项目：2023年度河南省重点研发与推广专项（科技攻关）项目（232102220038）