半导体激光熔覆CoB4C复合材料的研究

基金项目国家科技支撑计划（项目编号2012BAF08B02）作者简介：熊大辉（1988-），男，主要从事激光熔覆及表面强化工艺研究。通信作者：E-mail：[e-mail]半导体激光熔覆Co/B4C复合材料的研究闵大勇1，熊大辉1，蔡菲菲1，王喜2，叶兵1,*，卢飞星1，王爱华1,21激光先进制造技术湖北省重点实验室，华工科技产业股份有限公司，武汉，邮编4302232华中科技大学材料科学与工程学院，武汉，邮编430074摘要：本文采用3KW半导体激光在45#基体上激光熔覆Co/B4C复合材料，并研究了B4C含量对熔覆层裂纹、组织和硬度的影响规律，获得了最佳的B4C含量。结果表明，B4C含量从ω（B4C）=1.0%增加到ω（B4C）=2.0％时，熔覆层无裂纹和气孔等缺陷，B4C达ω（B4C）=3.0%时，熔覆层出现裂纹；熔覆层与基体呈冶金结合，呈致密均匀的枝晶组织，枝晶组织随B4C含量增加逐渐细化；随着B4C含量的增加；熔覆层的显微硬度由无B4C的HV0.2400提高到约HV0.2900，强化效果显著。关键词半导体激光熔覆；Co/B4C复合材料；组织；显微硬度中图分类号：TN249文献标识码：Adio：10.3788/AL20143402.00Co/B4CcompositecoatingsonmediumcarbonsteelproducedbydiodelasercladdingDayongMin1,DahuiXiong1,FeifeiCai1,XiWang2,BinYe1,FeixingLu1,AihuaWang1,2（1HubeiKeyLabofLaserAdvancedManufactureTechnology，WuhanHuagongTechnologyIndustrialStockCo.Ltd,Wuhan,430223，china；2SchoolofMaterialsScienceandEngineering，HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,Hubei430074，china）Abstract:A3KWdiodelaserwasadoptedtoproduceCo/B4Ccompositecoatingsonmediumcarbonsteel.InfluencesofB4Ccontentoncracking,microstructureandmicrohardnessofthelaser-cladcoatingswereinvestigatedtooptimizetheB4Ccontent.Resultsshowthatthelaser-cladcoatingswithB4Ccontentfrom1wt.%to2.0wt%werefreeofcracksandpores,butthecoatingcontaining3.0wt.%B4Cpresentedcracks;Laser-cladcoatingsweremetallurgically-bondedtothesubstrate,displayedfinedendriteandbecame基金项目国家科技支撑计划（项目编号2012BAF08B02）作者简介：熊大辉（1988-），男，主要从事激光熔覆及表面强化工艺研究。通信作者：E-mail：[e-mail]effect(microhardnessfromHV0.2400toHV0.2900)wasachievedbytheintroductionofB4Cparticulate.Keywords:Diodelasercladding；Co/B4Ccomposite；microstructure；microhardness引言激光熔覆可在廉价的金属材料上制取高性能的表面合金层，赋予特定的性能或功能，以替代大量的块状高级合金，节约金属元素，降低能源消耗或对零件表面进行局部修复。陶瓷材料具有高的硬度和优良的耐磨、耐蚀、耐热和高温抗氧化性能，但脆性较大，且难以加工，因此受到了限制。用高能量密度的激光熔覆高硬度和耐磨损的金属-陶瓷涂层为陶瓷材料的应用开辟了一条新径，是现代材料科学技术中一个活跃的研究领域。它成功地将金属的延性、高强度和陶瓷相的高熔点、较好的化学稳定性等结合起来，构成一种新的复合材料，具有广阔的应用前景。如将其应用在模具、轴类零件等易磨损部位上，可以大幅度提高工件使用寿命，降低成本，提高生产率。钴基合金具有良好的高温耐磨和抗蚀性能，被广泛应用于电力、冶金、石化、水利等领域，激光熔覆钴基合金方面的研究已有大量报道，但当钴基合金熔覆层硬度大于HRC40以后，熔覆层易出现开裂[1-6]，在很大程度上影响了钴基合金高温耐磨性的发挥。因此，获得无裂纹的高硬度钴基合金熔覆层具有重要的工程应用价值。本研究采用新型高功率半导体激光，向钴基合金中添加不同含量的B4C相，研究B4C含量对熔覆层宏观质量、组织和硬度的影响规律，得到具有成型好、组织致密，无裂纹、无气孔的钴基金属陶瓷复合层，以便应用到实际生产中。1试验材料及方法试验采用基体材料尺寸为100mm×80mm×10mm，为调质处理后的45#钢，所采用的熔覆粉末为自主研发的一种钴基合金粉末，牌号为540，粉末粒度-100-325目，成分如表1所示和图1(a)所示，B4C粉末的粒度为-140-300目，如图1(b)分所示，别添加1wt.%、2wt.%、3wt%的B4C，混料配制成Co/B4C复合粉末。基金项目国家科技支撑计划（项目编号2012BAF08B02）作者简介：熊大辉（1988-），男，主要从事激光熔覆及表面强化工艺研究。通信作者：E-mail：[e-mail]表1540合金粉末化学成分含量（质量分数%）Tab.1ChemicalcompositionofSt6alloypowder（massfraction%）(质量分数%)CCrWMoSiFeNiNbCo5400.820~3013~203~50.8~1.20.4~1.07~95Bal图1（a）540合金粉末粒度（b）B4C粉末粒度Fig.1（a）praticlesizeof540alloypowder（b）praticlesizeofB4Cpowder将试块表面除锈后用无水酒精和丙酮清洗工件表面烘干，将制备好的混合粉末加入少量的粘结剂调成浆糊状，均匀搅拌两小时后捏成团放入干燥箱烘干，然后进行造粒，获得有良好流动性的复合粉末，满足送粉激光熔覆的要求。试验设备采用华工激光生产的3KW半导体激光器机器人表面处理及再制造系统，激光熔覆工艺为：输出功率1.5KW，扫描速度8-10mm/s，光斑大小4-6mm,同步送粉量为15-17.8g/min，熔覆层厚度约为1.2mm。利用XJL-03型显微镜进行熔覆层组织分析，采用HVS-1000A维氏硬度计测定熔覆层的显微硬度，测量时载荷0.2kg，加载时间为10s，熔覆层不同深度部位测量5点值进行平均，绘制成横断面硬度分布图。2实验结果与讨论2.1表面形貌分析图2为B4C含量不同的激光熔覆层的表面探伤结果，从右至左依次为0wt%、1wt.%、2wt.%、3wt%的B4C含量，由图可以看出当B4C含量增加到3wt%时，熔覆层表面出现裂纹。(a)(b)50um50um基金项目国家科技支撑计划（项目编号2012BAF08B02）作者简介：熊大辉（1988-），男，主要从事激光熔覆及表面强化工艺研究。通信作者：E-mail：[e-mail]图2熔覆层表面探伤图，从右至左依次为0wt%、1wt%、2wt%、3wt%Fig.2Weldinspectionsurfacecoatingdiagram，formrighttoleftfollowedby0wt%，1wt%，2wt%，3wt%2.2熔覆层的组织分析图3为B4C含量不同的激光熔覆层典型组织。图3(a)中为激光熔覆540钴基合金熔覆层的显微组织，组织为均匀细小的胞状枝晶和多元共晶的混合组织。加入1%的B4C后，由于加入的B4C的含量比较少，熔覆层胞状组织呈现被打乱的现象，如图3(b)所示。随着B4C含量的增加，熔覆层因第二相存在，产生明显的非均匀形核，形核速率增加，导致熔覆层枝晶越来越细小，同时，熔覆层内可观察到颗粒状的B4C，比原始添加的B4C颗粒更为细小，如图3(c)、3(d)所示。0wt%1wt%2wt%3wt%基金项目国家科技支撑计划（项目编号2012BAF08B02）作者简介：熊大辉（1988-），男，主要从事激光熔覆及表面强化工艺研究。通信作者：E-mail：[e-mail]图3熔覆层组织（a）0wt.%B4C（b）1wt%B4C（c）2wt%B4C（d）3wt%B4CFig.3Microstructureandpropertiesofcladdinglayer（a）0wt.%B4C（b）1wt%B4C（c）2wt%B4C（d）3wt%B4C2.3熔覆层的显微硬度分析图4为不同B4C含量熔覆层的显微硬度分布曲线，由图中可知，540粉末激光熔覆层的硬度约为HV0.2400，当熔覆层的B4C含量为1wt.%、2wt.%、3wt.%时，熔覆层的硬度分别达到约HV0.2500，HV0.2700和HV0.2850的水平。由此可见，第二相B4C的添加，对钴基合金熔覆层起到了很好的第二相强化作用。(a)(b)(c)(d)10um10um10um10um基金项目国家科技支撑计划（项目编号2012BAF08B02）作者简介：熊大辉（1988-），男，主要从事激光熔覆及表面强化工艺研究。通信作者：E-mail：[e-mail]0.00.20.40.60.81.01.21.41.62004006008001000HV0.2Distancefromthesurface(mm)0wt.%1wt.%2wt.%3wt.%图4B4C含量对熔覆层横断面硬度分布的影响规律Fig.4EffectofB4C%oncladdingcross-sectionalhardnessdistribution2.4高B4C含量熔覆层开裂原因浅析激光熔覆裂纹的产生主要与激光熔覆后材料内存在较大的残余应力有关[7]。这种应力来源于二部分：热应力和组织应力。当基体与熔覆层的物理参数差别较大时，熔覆层快速凝固收缩时就会受到基体的阻碍从而产生热应力，陶瓷相虽然可以提高激光熔覆涂层的硬度、耐磨性与耐蚀性，但由于陶瓷相熔点大大高于金属基体，且它们之间的热膨胀系数、弹性模量和导热系数相差极大，在激光辐照之后所形成的熔池区域的温度梯度很大，从而造成大的热应力，容易导致涂层产生裂纹和剥落[8]；导热率K也是产生热应力的原因之一，随着K的增大，基体与熔覆层的界面温度梯度就会发生突变，这为裂纹的形成提供了条件。另一方面，熔覆层在熔化和凝固过程中，界面处基体由于发生相变而产生体积变化，从而产生组织应力，相对而言，热应力的影响占主导地位[9],其计算公式为:σth＝Ε△α△Τ/（1－ν）（1），式中，Ε为杨氏模量；ν为泊松比；△α为熔覆层与基体的热膨胀系数差；△Τ为熔覆层凝固温度与室温之差。由于B4C具有高熔点（2450℃）、高硬度、高模量、密度小（2.52g/cm3）等特点，在激光熔覆时，基体和钴基合金粉末的熔点远远低于B4C的熔点，随着B4C加入的含量增大，激光熔覆所产生的热应力也不断增大，但由于540钴基合金粉末本身具有很好的抗开裂性，在B4C加入含量比较低时（1wt%、2wt%），钴基合基金项目国家科技支撑计划（项目编号2012BAF08B02）作者简介：熊大辉（1988-），男，主要从事激光熔覆及表面强化工艺研究。通信作者：E-mail：[e-mail]金粉能够抑制住裂纹的产生，B4C含量