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试验以45#钢为试验基材,其成分如表 1所示。熔覆前首先对基材表面用丙酮清洗除去污染物,保证加工面的整洁。熔覆粉末选择铁基粉末,经能谱分析,主要成分如表 2所示。
C Cr Mn Ni Cu Si Fe 0.005 < 0.001 0.006 < 0.001 0.001 0.002 balance Table 1. Composition (mass fraction) of 45#
Mn Cr Ni Tb B Si Fe 0.013 0.109 0.063 0.032 0.001 0.008 balance Table 2. Composition (mass fraction) of Fe-based powder
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一套完整的设备是应用激光熔覆技术的前提。如图 6所示,激光熔覆设备主要由六自由度KUKA机器人、高功率Nd: YAG激光器、光纤、光内同轴送粉喷头、送粉器、保护气等辅助装置组成。KUKA机器人自由度高,能够快速完成姿态的变化,到达指定位置,特别适用于复杂曲面零件的激光熔覆。本实验中采用的KUKA机器人的型号为KR30HA。激光器及光纤组成了激光熔覆的光路系统,其中激光器型号为YLS-2000-S2,最高功率可达2kW。能满足不同条件下的激光功率的调节使用。激光使用光纤传播,效率高,柔性好。送粉系统为激光熔覆设备的不可或缺的一部分,目前常用有同轴送粉和侧向送粉两种方式,本次使用同轴送粉装置进行试验。为了防止熔覆过程中粉末被氧化,常在送粉过程中使用氦气、氮气、氩气作为保护气体。本试验中使用氮气作为保护气。
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截平面间距δ(与前面提到的切平面厚度δ在数值上相等)即为相邻激光熔覆路径间距,截平面之间的间距由激光熔覆的工艺参量决定, 并且工艺参量将直接影响熔覆层质量。为此,需要工艺试验调节合适工艺参量,如表 3所示。并得到单道熔覆结果(见图 7a)。最终确定当搭接率为50%时,得到图 7b所示的多道熔覆结果。结合工艺参量和下式,计算出δ[13]即为相邻截平面之间的距离:
式中,h为单道熔覆层高度,w为单道熔覆层宽度。
laser
power/kWdefocusing
amount/mmpowder feed
rate/(g·min-1)laser scanning
speed/(mm·min-1)cladding
width/mmcladding
height/mmparts substrate 1.8 16 20 500 4 1.2 45#steel Table 3. Parameters of cladding process
根据上述工艺参量,使用铁基粉末对零件熔覆。得到如图 7c所示的熔覆效果。熔覆层表面光滑平整,致密均匀,无明显气孔和裂纹出现,与基材形成了比较良好的冶金结合。
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为了评估熔覆层质量,需要观察熔覆层的微观组织。将工件切成10mm×7mm×10mm的金相样块,在金相显微镜(400×)及扫描电镜下观察得到图 8和图 9的显微组织形貌。
图 8中可以看出, 从结合区到熔覆层表面晶体经历了平面晶→胞晶→枝晶的生长过程。这种生长方式可以用熔池凝固理论模型[14]来解释。对于激光熔覆快速凝固过程,由于熔池底部的温度梯度最高,凝固速度趋向于零。晶体平界面生长,容易形成平面晶。随着固/液界面的推移,温度梯度逐渐降低,晶粒逐渐转变为胞晶及枝晶的生长方式。此外还可以看到熔覆层与基材结合处的一条白色光带,这说明熔覆层与基材形成了良好的冶金结合。通过扫面电镜如图 9所示的结果可以看出,熔覆层的致密度较高,无明显的裂纹及气孔,熔覆质量较高。
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为了检测熔覆层的硬度分布,利用HVS-1000型纤维硬度测试仪,对试样横截面从表面至基体进行测量,在施加200g力的条件下做了4组试验。每个测试点的间距为25μm, 得到图 10的显微硬度分布图。
从图中可以看出,硬度曲线可以分为熔覆层、热影响区和衬底区[15]三部分变化区域, 其中熔覆层硬度稳定在390HV,为基材的1.6倍,硬度得到了显著的提高,增强了45#钢的表面性能。说明熔覆效果良好,证实了该方法的合理可行性。