鋼管廠導衛(wèi)板激光增材修復層的組織與性能研究

   利用激光增材再制造技術，以M2高速鋼作為合金粉末，在45鋼導衛(wèi)板表面進行激光修復工藝試驗，分別使用掃描電鏡、能譜儀、顯微硬度計對修復層的微觀組織、成分及硬度進行分析，并對修復層進行摩擦磨損試驗。結果表明：導衛(wèi)板熔覆層組織均勻致密、晶粒細小，無裂紋、氣孔等缺陷，與基體結合良好；導衛(wèi)板熔覆層硬度及耐磨性相較于基體均有所提高，能有效提高使用壽命，具有很好的使用效果。軋機導衛(wèi)板是用于控制軋件進入或離開軋輥的裝置，通常由鑄鐵制成，某些小型軋機則采用鋼制成。導衛(wèi)板工況條件惡劣，存在使用壽命短、更換頻繁等問題。由于型材的軋制溫度超過1000℃，所以高溫氧化磨損及疲勞剝落成為導衛(wèi)板的主要失效形式。導衛(wèi)板是中小型棒材廠消耗量很大的易損件之一，其使用壽命直接影響軋機的生產效率。

  對磨損的導衛(wèi)板進行修復，并提高其使用壽命具有重要的經濟價值。傳統(tǒng)修復方法如堆焊法存在熱輸入量大、堆焊層薄、易脫落及變形等缺點。激光增材制造技術，作為一種新的表面改性技術，是利用高能密度激光束，使基體表面和合金粉末同時熔化并快速凝固，形成與基體緊密結合的涂層，可顯著改善基體表面的耐磨、耐蝕、耐熱及抗氧化等性能。浙江至德鋼業(yè)有限公司采取激光增材制造技術，以M2作為合金粉末，在導衛(wèi)板基體上增加耐磨損、抗高溫氧化涂層，并對其組織及性能進行研究，對提高導衛(wèi)板的使用壽命具有一定的參考價值。

  激光增材制造系統(tǒng)如圖所示，主要由工業(yè)機器人、激光器、雙桶氣動送粉器和氬氣保護系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)中激光功率為1kW，掃描速度為15mm/s，送粉量為30g/min，光斑尺寸為φ2mm，搭接率為40%。試驗過程如下：導衛(wèi)板固定在工作臺上，高功率激光束從光纖體激光器輸出后由固定在機器人手臂末端工作頭整形、照射到導衛(wèi)板表面。在試驗過程中，激光束由機器人控制移動，并且一直通氬氣保護。磨損的導衛(wèi)板如圖所示。導衛(wèi)板存在因高溫軋件高速滑動而形成的劃痕和磨損，劃痕深度約為1mm，寬度為2mm，長度為60～100mm。修復時堆焊了1層厚度為1.5mm的重熔層。

   導衛(wèi)板材質為45鋼，經淬火工藝處理，表面硬度為42.0HRC。針對導衛(wèi)板的磨損情況，選用M2高速鋼合金粉末進行激光增材制造修復。45鋼及M2高速合金鋼成分如表所列。將熔覆層試樣用DK77型電火花數控切割成為10mm×10mm×20mm的試塊，研磨、拋光后，用王水進行腐蝕，再用酒精沖洗干凈，風機吹干，使用NANOSEM 430型掃描電鏡及D/MAX-2500型X衍射儀對熔覆層的顯微組織、能譜及物相進行觀察與分析。用DHV-1000型維氏數顯顯微硬度計對熔覆層硬度進行測試，在熔覆層的橫截面上，測試從基體垂直向上到熔覆層表層間不同位置的硬度。

   圖是經激光增材修復的M2高速鋼多道搭接熔覆層橫截面形貌圖。從圖可以看出，熔覆層厚度約為1.5mm，熔覆層整體光滑、平整，沒有氣孔、熔渣等缺陷。圖是M2熔覆層橫截面頂部區(qū)域不同放大倍數顯微組織。從圖可以看出，該區(qū)域組織晶粒細小，呈樹枝晶分布，具有一定生長方向，其中部分枝晶出現重疊現象，這是由于多道搭接、反復重熔導致的。圖是M2熔覆層橫截面中部區(qū)域不同放大倍數顯微組織?？梢钥闯鲈搮^(qū)域組織呈柱狀晶分布，生長方向雜亂無章。圖是M2熔覆層橫截面底部區(qū)域不同放大倍數顯微組織。從圖可以看出，熔覆層底部組織表現為垂直于界面生長的平面晶過渡到胞狀晶結構。從圖可以看出，熔覆層凝固組織特征為馬氏體及枝晶間分布的M2C碳化物及殘余奧氏體。這是因為熔覆層在發(fā)生凝固時，首先從液態(tài)相中析出樹枝狀δ鐵素體，當溫度進一步下降后形成奧氏體，當冷卻速度很快時，形成奧氏體這一反應受到抑制，隨溫度進一步下降，沒來得及轉變的液相生成萊氏體；在凝固組織后期冷卻過程中，由包晶相變得到奧氏體將進行馬氏體相變，但因枝晶間奧氏體含有大量W、V、Cr及Mo，穩(wěn)定性很好，所以未能發(fā)生馬氏體相變而保留至室溫，所以枝晶間組織為殘余奧氏體及碳化物。

  圖為M2熔覆層能譜分布，其中能譜點1～5是沿橫截面軸向方向，兩點間隔0.5mm，能譜點6、7在同一水平線上，間隔1.5mm。其EDS分析結果如表所列。從表可以看出，熔覆層不同區(qū)域元素含量基本一致。說明經激光多道搭接、重熔后，熔覆層具有較好的均勻性。根據熔覆層能譜分析結果可以看出熔覆層含有1.9%的V、6.6%的Cr及6%的W，與M2高速鋼元素成分基本一致，而V和Cr有助于使熔覆層組織細化，提高熔覆層耐磨性及穩(wěn)定性。圖為M2熔覆層顯微硬度分布。從圖可以看出，靠近熔凝線區(qū)域硬度為50.5HRC，隨著向熔覆層頂部靠近，熔覆層硬度逐漸增加，在距熔凝線1100μm時，熔覆層硬度最高為55.0HRC，相較于基體(42.0HRC)，熔覆層硬度提高1.3倍。

 將熔覆層試樣切割成為12.3mm×12.3mm×19.0mm的塊狀樣品，用丙酮清洗掉表面的金屬屑和油污后，分別用精確度為萬分之一克的電子天平稱量3次，取平均值作為試樣的初始質量。在MRH-200型高速環(huán)塊摩擦磨損試驗機上進行磨損試驗。試驗條件為載荷300N，轉速570r/min，干摩擦，試驗時間為60分鐘，摩擦副為GCr15。試驗結束后取下試樣，丙酮清洗后用電子天平稱量3次，取平均值作為磨損后的質量。初始質量與磨損后的質量差即為試樣的質量磨損量。試驗結果顯示，M2高速鋼熔覆層表面磨損形式主要表現為磨粒磨損，摩擦因數為0.4333，磨損量為0.0173g。采用激光增材再制造技術，選取M2高速鋼作為合金粉末，在45鋼導衛(wèi)板表面進行激光修復試驗。導衛(wèi)板修復后熔覆層光滑、組織致密、晶粒細小，與基體形成冶金結合，熔覆層最高硬度出現在距離熔覆層頂層1100μm處，為55.0HRC。經現場試驗，激光增材制造修復后導衛(wèi)板實際使用壽命提升了3倍。