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摘 要:为了实现对航空发动机制件报废高温锻压模具的修复,采用自配的合金粉末,利用激光熔覆技术,对报废锻压模具进行了三层熔覆修复。利用OM、XRD、显微硬度计、摩擦磨损设备对熔覆层的组织及硬度、耐磨性能进行了研究。结果表明:第一层与基材之间,第一、二层之间,第二、三层之间的结合界面均实现了良好的冶金结合;熔覆层基体相为α—Fe,基体相上分布有结晶析出的Fe5C2、Fe2B、FeSi等相;硬度在三个结合区处出现峰值,依照上面次序分别为820HV0.2、800 HV0.2、760 HV0.2;熔覆层具有良好的耐磨性能。
关键词:激光熔覆;修复;组织;耐磨性能
激光熔覆技术是一种新颖的表面改性技术,近年来已经应用于航空发动机制件的修复,如航空发动机叶片的修复[1]。航空发动机制件高温锻压模具破坏形式可以有以下几种:磨粒磨损,冲击磨损,氧化腐蚀。目前用激光熔覆修复的研究尚不多见。贵重模具失效后直接报废,给企业造成了巨大的经济损失,降低了企业的经济效益,所以修复失效模具,可节约贵重合金元素,具有重要的经济效益和社会效益.为此我们研制出了专用于中低碳钢及合金钢的激光熔覆粉末,并用该粉末对航空发动机制件报废高温锻压模具进行了修复,本文重点研究了熔覆层的显微组织和力学性能。
1 材料及试验方法
1.1 实验材料
基材系某厂提供的报废高温锻压模具,牌号为4Cr5W2SiV,化学成分(质量分数,%)为, 0.32～0.42 C、0.80～1.20 Si、≤0.04 Mn、4.50～5.50 Cr、1.60～2.40W、0.60～1.00 V、≤0.30P、≤0.30 S、余量 Fe。熔覆层粉末为自配的铁基合金粉末,化学成分(质量分数,%)为80Fe、0.5C、2.0Si、1.3B、0.2Ni、16Cr,粒度为36μm～74μm。
1.2 试验方法
试样采用钼丝线切割,试样尺寸为70mm×20mm×25mm,使用前用400号金相砂纸打磨表面,再用丙酮清洗备用。
激光器为TJ—HL—T 5000型5kW CO2,采用宽带模式,输出光束为多阶模,第一、二、三层输出工艺参数均为P=3500W,扫描速度均为V=2mm/S,光斑尺寸为15mm×2mm,焦距315mm, 在基材表面预置粉末,粉末厚度均约为1.2mm,所形成的熔覆层厚度均约为1mm。在垂直于扫描速度的方向制取样品。用型号为GX51奥林巴斯金相显微镜进行组织观察,用D/Max-2200型全自动X射线衍射仪进行物相分析,用HV-1000显微硬度计进行显微硬度测试,载荷砝码200g,加载时间15s,用MMS—2A屏显摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验,时间为120分钟。
2 结果与分析
2.1 激光熔覆层的显微组织特
图1是由图a、b、c三个图片所组成的熔覆层完整形貌,可以看出整个熔覆层结晶状态良好,三个结合界面处组织过渡自然,均实现了良好的冶金结合。
图(a)为第一熔覆层与基材之间界面结合状态,在靠近结合区附近的熔覆层组织为细小胞状晶和柱状晶,第一熔覆层内部的组织为细小枝状晶;
图(b)显示了第一、二熔覆层的界面实现了良好结合,此处上部正是第一熔覆层的上表面组织形貌,为细小等轴晶,在比较宽的细小等轴晶区域下面又出现了第二熔覆层内部组织树枝晶,组织稍显粗大;
图(c)显示的第二、三熔覆层之间的结合界面,实现了自然过渡,上部也是第二熔覆层的上表面晶粒,稍显粗大,下部为第三熔覆层内部的组织形貌,是粗大树枝晶,在第三熔覆层的表面,为细小的等轴晶。
这种组织状态的形成原因为:温度梯度与凝固速率的比值G/R(结晶参数)决定着组织的形貌。第一熔覆层与基材之间结合界面,在激光熔覆过程中,由于熔池与大块的冷金属接触,冷速很快,凝固开始时,在液相的一侧存在着极大的正温度梯度,因此固/液界面向前推进速度很慢,使得G/R很大,凝固首先以无晶核的方式直接在基底上通过晶体外延附生的方式生长出一层结合区处平面晶。而随着结晶过程的进行,G/R逐渐减小,成分过冷区的存在破坏了平面的稳定性,这时宏观平坦界面偶然扰动产生的任何凸起都将面临较大的过冷而以更快速度进一步长大,从而向两侧和前沿排出溶质,前沿由于成分过冷区限制又不能过快向金属溶液中生长,而向两侧排出的溶质就被固定在晶粒中间,这样,不稳定的平坦固/液界面就破裂成一种稳定的、由许多近似于旋转抛物面的胞状晶。随着G/R逐渐进一步减小,成分过冷区变宽,生成了枝状晶。最后由于成分过冷变得很大,则溶液内形成大量的晶核,导致晶粒自由生长而形成了等轴晶[2-3]。此处是第二熔覆层的开始点,所以第一熔覆层表面等轴晶由于熔覆第二层时产生的回火作用稍显粗大,第一熔覆层的余热使得第二层的组织略显粗大。第二、三层之间的界面处是粗大的等轴晶,这是由于第一、二熔覆层的余热与第三熔覆层的加热引起较长时间的回火作用所致,第三层显微组织最为粗大。
2.2 X射线衍射分析结果
图2为熔覆层X射线衍射分析结果,由图可知,涂层中相组成复杂,除了基体相α—Fe外,还有Fe5C2、Fe2B、FeSi等相,还可以看出有表征非晶态的漫散包,这表明熔覆层内含有一定量的非晶。金属间化合物具有极高的硬度和耐磨性能,可以预计熔覆层会具有高硬度、高耐磨性[4] 。
2.3显微硬度分析结果
图3为显微硬度分布曲线,依次为第三层熔覆层→第二层熔覆层→第一层熔覆层→基材。在最外层即第三层熔覆层中,表面硬度较低,然后逐渐上升,在约1mm处,即第二层与第三层之间结合界面达到一个峰值,约为760HV0.2;然后进入第二熔覆层,硬度略有下降后又回升到新的峰值,在约2mm处,即第二层与第一层之间结合界面,约为800HV0.2;进入第一熔覆层,略有下降后再马上回升到又一个峰值,在约3mm处,约为820HV0.2;最后下降至基材硬度,稳定于约为560HV0.2。
三个峰值出现的原因可以归纳为:熔覆层与基材之间的热影响区硬度最高,主要是因为基体产生的回火马氏体生成;一、二层之间结合区是因为第二层的熔覆时引起回火作用,使得组织略大,硬度稍低;二、三层之间的结合界面则因为较强烈的同种作用使得硬度更低;表面由于高能激光作用,造成合金元素的烧损,硬度较低。
2.4 摩擦磨损性能分析
磨损形貌如图4所示,由图4(a)可以看出200N时,基材和熔覆试样表面油膜尚未破坏;300N时如图4(b),基材表面有犁沟破坏,熔覆试样表面油膜仍旧完好;400N时如图4(c),基材表面有犁沟+粘合混合破坏形式,熔覆试样表面有轻微犁沟破坏;500N时如图4(d),基材和熔覆试样表面破坏形式均为犁沟+粘合,表面出现轻微的脱落现象。由此可以看出,熔覆试样较基材试样有更好的耐磨性能。
统计出二者磨损量进行画图比较,如图5,可以明显看出,熔覆层的摩擦磨损量总是与基材接近,说明熔覆层具有良好的耐磨性能,这与熔覆层中生成大量的非晶合金Fe5C2、Fe2B、FeSi等硬质相在磨损过程中起到了骨架作用有着直接关系[5]。
3 结论
(1)采用专用合金粉末,激光输出功率P=3500W,扫描速度V=2mm/S,光斑尺寸D=15×2mm2,焦距F=315mm时,对失效高温锻压模具成功地进行了修复。
(2)三个结合界面实现了良好的化学冶金结合。熔覆层组织由表及里依次为细小等轴晶→枝状晶→粗大胞状晶→枝状晶→细小胞状晶→枝状晶→平面晶。熔覆层中基体相为α—Fe,其上分布有结晶析出的Fe5C2、Fe2B、FeSi等相。
(3)熔覆层硬度由表及里变化规律为:在三个结合区处出现三个峰值,第三层与第二层之间的结合界面硬度最低;第二层与第一层之间结合界面,硬度居中:熔覆层与基材之间界面硬度最高,约为820HV0.2。熔覆层由于非晶合金Fe5C2、Fe2B、FeSi等硬质相的存在,在摩擦过程中起到骨架作用,具有良好的耐磨性能。
参考文献:
[1] 刘其斌,李绍杰.航空发动机叶片铸造缺陷激光熔覆修复层的组织结构[J].金属热处理,2007,32(5):21-23.
[2] 徐洲,姚寿山.材料加工原理[M].北京:科学出版社,2000.87-90.
[3] 崔忠圻.金属学与热处理[M].北京:机械工业出版社,2000.85-87.
[4] 贺自强,王新林,全白云.非晶态合金的强韧性及其研究进展[J].金属热处理,2007,32(5):31-37.
[5] 符寒光,符志强.耐磨铸造Fe-B-C合金的研究[J].金属学报,2006,42(5):545-548.
关键词:激光熔覆;修复;组织;耐磨性能
激光熔覆技术是一种新颖的表面改性技术,近年来已经应用于航空发动机制件的修复,如航空发动机叶片的修复[1]。航空发动机制件高温锻压模具破坏形式可以有以下几种:磨粒磨损,冲击磨损,氧化腐蚀。目前用激光熔覆修复的研究尚不多见。贵重模具失效后直接报废,给企业造成了巨大的经济损失,降低了企业的经济效益,所以修复失效模具,可节约贵重合金元素,具有重要的经济效益和社会效益.为此我们研制出了专用于中低碳钢及合金钢的激光熔覆粉末,并用该粉末对航空发动机制件报废高温锻压模具进行了修复,本文重点研究了熔覆层的显微组织和力学性能。
1 材料及试验方法
1.1 实验材料
基材系某厂提供的报废高温锻压模具,牌号为4Cr5W2SiV,化学成分(质量分数,%)为, 0.32～0.42 C、0.80～1.20 Si、≤0.04 Mn、4.50～5.50 Cr、1.60～2.40W、0.60～1.00 V、≤0.30P、≤0.30 S、余量 Fe。熔覆层粉末为自配的铁基合金粉末,化学成分(质量分数,%)为80Fe、0.5C、2.0Si、1.3B、0.2Ni、16Cr,粒度为36μm～74μm。
1.2 试验方法
试样采用钼丝线切割,试样尺寸为70mm×20mm×25mm,使用前用400号金相砂纸打磨表面,再用丙酮清洗备用。
激光器为TJ—HL—T 5000型5kW CO2,采用宽带模式,输出光束为多阶模,第一、二、三层输出工艺参数均为P=3500W,扫描速度均为V=2mm/S,光斑尺寸为15mm×2mm,焦距315mm, 在基材表面预置粉末,粉末厚度均约为1.2mm,所形成的熔覆层厚度均约为1mm。在垂直于扫描速度的方向制取样品。用型号为GX51奥林巴斯金相显微镜进行组织观察,用D/Max-2200型全自动X射线衍射仪进行物相分析,用HV-1000显微硬度计进行显微硬度测试,载荷砝码200g,加载时间15s,用MMS—2A屏显摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验,时间为120分钟。
2 结果与分析
2.1 激光熔覆层的显微组织特
图1是由图a、b、c三个图片所组成的熔覆层完整形貌,可以看出整个熔覆层结晶状态良好,三个结合界面处组织过渡自然,均实现了良好的冶金结合。
图(a)为第一熔覆层与基材之间界面结合状态,在靠近结合区附近的熔覆层组织为细小胞状晶和柱状晶,第一熔覆层内部的组织为细小枝状晶;
图(b)显示了第一、二熔覆层的界面实现了良好结合,此处上部正是第一熔覆层的上表面组织形貌,为细小等轴晶,在比较宽的细小等轴晶区域下面又出现了第二熔覆层内部组织树枝晶,组织稍显粗大;
图(c)显示的第二、三熔覆层之间的结合界面,实现了自然过渡,上部也是第二熔覆层的上表面晶粒,稍显粗大,下部为第三熔覆层内部的组织形貌,是粗大树枝晶,在第三熔覆层的表面,为细小的等轴晶。
这种组织状态的形成原因为:温度梯度与凝固速率的比值G/R(结晶参数)决定着组织的形貌。第一熔覆层与基材之间结合界面,在激光熔覆过程中,由于熔池与大块的冷金属接触,冷速很快,凝固开始时,在液相的一侧存在着极大的正温度梯度,因此固/液界面向前推进速度很慢,使得G/R很大,凝固首先以无晶核的方式直接在基底上通过晶体外延附生的方式生长出一层结合区处平面晶。而随着结晶过程的进行,G/R逐渐减小,成分过冷区的存在破坏了平面的稳定性,这时宏观平坦界面偶然扰动产生的任何凸起都将面临较大的过冷而以更快速度进一步长大,从而向两侧和前沿排出溶质,前沿由于成分过冷区限制又不能过快向金属溶液中生长,而向两侧排出的溶质就被固定在晶粒中间,这样,不稳定的平坦固/液界面就破裂成一种稳定的、由许多近似于旋转抛物面的胞状晶。随着G/R逐渐进一步减小,成分过冷区变宽,生成了枝状晶。最后由于成分过冷变得很大,则溶液内形成大量的晶核,导致晶粒自由生长而形成了等轴晶[2-3]。此处是第二熔覆层的开始点,所以第一熔覆层表面等轴晶由于熔覆第二层时产生的回火作用稍显粗大,第一熔覆层的余热使得第二层的组织略显粗大。第二、三层之间的界面处是粗大的等轴晶,这是由于第一、二熔覆层的余热与第三熔覆层的加热引起较长时间的回火作用所致,第三层显微组织最为粗大。
2.2 X射线衍射分析结果
图2为熔覆层X射线衍射分析结果,由图可知,涂层中相组成复杂,除了基体相α—Fe外,还有Fe5C2、Fe2B、FeSi等相,还可以看出有表征非晶态的漫散包,这表明熔覆层内含有一定量的非晶。金属间化合物具有极高的硬度和耐磨性能,可以预计熔覆层会具有高硬度、高耐磨性[4] 。
2.3显微硬度分析结果
图3为显微硬度分布曲线,依次为第三层熔覆层→第二层熔覆层→第一层熔覆层→基材。在最外层即第三层熔覆层中,表面硬度较低,然后逐渐上升,在约1mm处,即第二层与第三层之间结合界面达到一个峰值,约为760HV0.2;然后进入第二熔覆层,硬度略有下降后又回升到新的峰值,在约2mm处,即第二层与第一层之间结合界面,约为800HV0.2;进入第一熔覆层,略有下降后再马上回升到又一个峰值,在约3mm处,约为820HV0.2;最后下降至基材硬度,稳定于约为560HV0.2。
三个峰值出现的原因可以归纳为:熔覆层与基材之间的热影响区硬度最高,主要是因为基体产生的回火马氏体生成;一、二层之间结合区是因为第二层的熔覆时引起回火作用,使得组织略大,硬度稍低;二、三层之间的结合界面则因为较强烈的同种作用使得硬度更低;表面由于高能激光作用,造成合金元素的烧损,硬度较低。
2.4 摩擦磨损性能分析
磨损形貌如图4所示,由图4(a)可以看出200N时,基材和熔覆试样表面油膜尚未破坏;300N时如图4(b),基材表面有犁沟破坏,熔覆试样表面油膜仍旧完好;400N时如图4(c),基材表面有犁沟+粘合混合破坏形式,熔覆试样表面有轻微犁沟破坏;500N时如图4(d),基材和熔覆试样表面破坏形式均为犁沟+粘合,表面出现轻微的脱落现象。由此可以看出,熔覆试样较基材试样有更好的耐磨性能。
统计出二者磨损量进行画图比较,如图5,可以明显看出,熔覆层的摩擦磨损量总是与基材接近,说明熔覆层具有良好的耐磨性能,这与熔覆层中生成大量的非晶合金Fe5C2、Fe2B、FeSi等硬质相在磨损过程中起到了骨架作用有着直接关系[5]。
3 结论
(1)采用专用合金粉末,激光输出功率P=3500W,扫描速度V=2mm/S,光斑尺寸D=15×2mm2,焦距F=315mm时,对失效高温锻压模具成功地进行了修复。
(2)三个结合界面实现了良好的化学冶金结合。熔覆层组织由表及里依次为细小等轴晶→枝状晶→粗大胞状晶→枝状晶→细小胞状晶→枝状晶→平面晶。熔覆层中基体相为α—Fe,其上分布有结晶析出的Fe5C2、Fe2B、FeSi等相。
(3)熔覆层硬度由表及里变化规律为:在三个结合区处出现三个峰值,第三层与第二层之间的结合界面硬度最低;第二层与第一层之间结合界面,硬度居中:熔覆层与基材之间界面硬度最高,约为820HV0.2。熔覆层由于非晶合金Fe5C2、Fe2B、FeSi等硬质相的存在,在摩擦过程中起到骨架作用,具有良好的耐磨性能。
参考文献:
[1] 刘其斌,李绍杰.航空发动机叶片铸造缺陷激光熔覆修复层的组织结构[J].金属热处理,2007,32(5):21-23.
[2] 徐洲,姚寿山.材料加工原理[M].北京:科学出版社,2000.87-90.
[3] 崔忠圻.金属学与热处理[M].北京:机械工业出版社,2000.85-87.
[4] 贺自强,王新林,全白云.非晶态合金的强韧性及其研究进展[J].金属热处理,2007,32(5):31-37.
[5] 符寒光,符志强.耐磨铸造Fe-B-C合金的研究[J].金属学报,2006,42(5):545-548.