张净宜,邱长军,贺沅玮,齐林森,朱茂葵

(南华大学机械工程学院,湖南衡阳 421001)

高聚物对不锈钢复合粉末激光熔覆层性能的影响*

张净宜,邱长军*,贺沅玮,齐林森,朱茂葵

(南华大学机械工程学院,湖南衡阳 421001)

采用高聚物包覆工艺制备了不锈钢复合粉末,侧向同步送粉激光快速成型技术制备熔覆层,使用显微硬度计、体视显微镜及拉伸疲劳试验机等分析和测试仪器对激光快速成型件表面质量、截面形貌及其力学性能进行表征。结果表明,采用高聚物包覆合金粉末工艺制备的激光熔覆层,在激光熔覆过程中,表面包覆的高聚物气化生成还原性保护气氛,隔绝大气氧化环境,有效抑制熔池氧化,熔覆层表面没有熔渣,截面没有气孔夹渣等缺陷,并且硬度值和拉伸强度值较高,综合力学性能好。

高聚物包覆工艺;激光快速成型;还原性保护气氛

0 引 言

激光熔覆技术是近年来新兴的表面改性方法之一,它是通过在基体材料表面添加熔覆材料,利用高能密度的激光束快速加热,使熔覆材料与基体材料表层发生熔化,并通过基体的激冷作用实现快速凝固,从而形成与基材冶金结合,并且稀释率极低的表面熔覆层[1-3]。具有较高的综合力学性能,并且激光束的能量密度高,加热速度快,对基材的热影响很小,引起工件的变形小;激光快速成型涂层与基材之间结合牢固,且熔覆层的显微组织细小[4]。该技术制造出的零件致密度很高,综合力学性能明显优于同样的常规铸造加工的零部件,更能满足不同服役环境对材料的性能要求[5-8]。在熔覆过程中,影响激光熔覆层成形质量与性能的因素很复杂,其中,激光熔覆所用的材料是一个主要因素,直接决定熔覆层的服役性能[9]。本试验主要探究粉末制备工艺对不锈钢熔覆层性能的影响。

1 试验材料及方法

本次试验分别制备了两组粉末,其中未添加高聚物的粉末,使用纯不锈钢粉末(真空熔炼气雾化制得,粒度为-150/325目),其成分如表1所示,将其直接放在干燥箱中保存即可。而添加高聚物的混合粉末,则是以纯不锈钢粉末作为主体粉末,高聚物作为包覆层,其具体配制工艺为,将高聚物充分溶解在溶剂中,按一定比例配制高聚物溶液,加热搅拌均匀后,将高聚物溶液添加到Fe基合金粉末中,充分混合搅拌后,放在65°的干燥箱内干燥10 h,使得混合粉末中的水分彻底蒸发,再利用振筛机将结块的粉末粉碎,过80目的筛后,再在保温箱中保温待用。

表1 不锈钢粉末化学成分(质量分数,%)

试验基体材料为Q235普通碳素结构钢,基材的尺寸为120 mm(长)×50 mm(宽)×15 mm(厚),其表面先用500号的砂纸打磨,然后用无水乙醇清洗,最后使用YS5060A喷砂机进行喷砂处理,将处理完后的基材放在干燥箱中保存。试验选用5 kW横流CO2激光器,采用侧向送粉,氩气保护,激光快速成形工艺参数为:激光平均功率为2.1～2.5 kW,椭圆光斑尺寸3.0 mm×4.0 mm,扫描速度7 mm/s,送粉速度为7.0 g/min,激光道与道之间的搭接系数为0.5,扫描层数为5层,熔覆层最终成形尺寸为90 mm×35 mm× 3 mm。使用TH320全洛氏硬度计测量熔覆层表面洛氏显微硬度,实验在室温下进行,实验力为150 kg,保压时间为6 s,每种试样取10个点进行测试。利用线切割将试样切成若干非标件,用无水乙醇清洗,喷砂机进行喷砂后,在PWS-E100型液压式疲劳试验机上进行拉伸性能测试。

2 试验结果及分析

2.1 熔覆层表面质量

图1为激光快速成型不锈钢试件宏观形貌图。其中,图1(a)为未添加高聚物的激光快速成型件,从图中可以看出,熔覆层表面没有光泽,完全被黑色的熔渣覆盖,说明激光熔覆的过程中,熔池氧化严重,表层有较厚的氧化皮产生。图1(b)为添加高聚物的激光快速成型件的宏观形貌图,从图中可以看出,熔覆层表面平整光亮,均匀连续,搭接处紧密,没有熔渣,表面质量好。试验结果表明,在激光熔覆的过程中,添加高聚物可使熔池周围形成还原性保护气氛,当还原保护气氛充满熔池表面时,可将空气中的氧化环境隔离,并且还原保护气氛可进一步消耗粉末中的氧,从而减少氧化层的形成,提高熔覆层的成型质量。

图1 激光快速成型不锈钢试件宏观形貌图

2.2 熔覆层截面形貌

采用磨床对图1中的2块激光快速成型件表面进行打磨,表面磨平后,再利用线切割机将打磨好的熔覆层切割成尺寸为10 mm×10 mm×2 mm的样块,然后用金相砂纸对其表面进行打磨,并在金相抛光机上抛光。抛光后,用无水乙醇对样块进行清洗,并用吹风机将样块吹干,最后在体视显微镜下观察其放大50倍的截面微观形貌。如图2所示。

图2 激光快速成型不锈钢试件截面形貌图

为了定量计算出图中缺陷占整个熔覆层的面积比例,定义:熔覆层的总面积用S1表示,缺陷所占面积的总和用S2表示,缺陷率用K表示。则缺陷率的计算公式为:

其中,用熔覆层或缺陷所占的小网格的个数来代替其面积,如图2所示。当熔覆层或缺陷占满整个小网格时,则计为一个网格;当熔覆层或缺陷边沿部分不满网格时,用四舍五入方式进行计数。

图2(a)为未添加高聚物的激光快速成型件截面微观形貌图,熔覆层内部布满气孔夹渣等缺陷,其缺陷率K1高达11%,而缺陷的产生在一定程度上导致熔覆层结构疏松,从而降低其强度,甚至引发熔覆层脱落,同时缺陷也是引起应力集中的重要因素,成为导致熔覆层开裂现象之诱因。图2(b)显示添加高聚物的激光快速成型件组织均匀致密,截面未发现任何缺陷。试验结果表明,粉末表层高聚物高温环境下气化形成还原性保护气体,阻止了空气中的氧进入熔池,也消耗了熔池中的氧,从而有效避免了气孔的形成。

2.3 熔覆层硬度测试

分别对未添加高聚物的试样和添加高聚物的试样进行硬度研究,硬度测试曲线如图3所示,未添加高聚物的试样a最大洛氏硬度值为58 HRC,最小洛氏硬度值为37.4 HRC,平均洛氏硬度值为51.6 HRC,硬度值的波动较大。添加高聚物的试样b最大洛氏硬度值为63 HRC,最小洛氏硬度值为54.3 HRC,平均洛氏硬度值为58.6 HRC,硬度值的波动较小。

试验结果表明,而未添加高聚物的熔覆层,由于气孔和夹渣的存在,造成测试结果波动大,对测试部分结果有较大影响,整体性能不稳定。而添加高聚物的熔覆层平均硬度值高于未添加高聚物熔覆层,而且硬度值波动小,能够满足高硬度粉末的使用要求。这是因为添加高聚物的熔覆层内部缺陷少,没有气孔和夹渣,组织均匀,进行硬度值测试时,每一点的值相对稳定,浮动较小,性能更加稳定。

图3 激光快速成型不锈钢试件洛氏硬度值

2.4 熔覆层强度测试

采用线切割机将添加高聚物熔覆层和未添加高聚物熔覆层分别切割成若干非标准的拉伸试样,具体尺寸如图4所示,利用自制的拉伸夹具,在PWSE100型液压式疲劳试验机上,对试件拉伸性能进行测试,测量出各组试样的拉伸强度值。

图4 拉伸试样示意图(mm)

表2 激光快速成型不锈钢试件的拉伸强度 /MPa

从表2可以看出:不添加高聚物的情况下,激光快速成型件的平均抗拉强度为1 394 MPa,当添加高聚物后,激光快速成型件的平均抗拉强度为1 500 MPa,提高了106 MPa,说明添加高聚物可以明显提升成型件的拉伸强度。

试验结果表明,在不锈钢粉末中添加定量的高聚物,能在一定程度上提高激光快速成形试件的硬度和抗拉强度,这是因为粉末中的高聚物抑制了熔覆过程中成形件中夹杂氧化物的形成,另一方面,高聚物在高温下燃烧,使粉末内的氧气被消耗,避免成形件中形成气孔,并且形成一层保护气体,隔绝空气,阻止外界气体的进入,从而改善了成形件的显微组织结构,提高了成形件的综合力学性能。

3 结 论

(1)在激光熔覆的过程中,添加高聚物可使熔池周围形成还原性保护气氛,当还原保护气氛充满熔池表面时,可将空气中的氧化环境隔离,并且还原保护气氛可进一步消耗粉末中的氧,从而减少熔渣的形成,提高不锈钢熔覆层的成型质量。

(2)采用高聚物包覆合金粉末制备的不锈钢熔覆层,平均洛氏硬度提高了13.6%,平均拉伸强度提高了7.4%,综合性能明显优于常规粉末。

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[9]尚晓峰,韩冬雪,于福鑫.金属粉末激光快速成形技术及发展现状[J].机电产品开发与创新,2010,23(5):14-16.

Effect of Super Polymer on the Properties of Laser Cladding Layer of Stainless Steel Composite Powder

ZHANG Jing-yi,QIU Chang-jun,HE Yuan-wei,QILin-sen,ZHU Mao-kui
(School ofMechanical Engineering,University of South China,Hengyang Hunan 421001,China)

The stainless steel composite powder is prepared by adopting the polymeric compound coating process,and the cladding layer is prepared by using the lateral synchronous powder laser rapid prototyping technology,then the surface quality,cross section morphology and mechanical properties of laser rapid prototyping parts are characterized with analysis and testing instruments such as the Rockwell hardness tester,stereomicroscope and tensile fatigue testingmachine.The results show that for the laser cladding layer which is prepared with the polymeric compound coating process,the polymeric compound gasification on the surface of the cladding layer could form the reducibility protective atmosphere in the process of laser cladding,and that could isolate the atmospheric oxidation environment,effectively inhibit the oxidation ofmolten pool,thus the surface of the cladding layer is without slag,the cross section has no defects such as pores and slag,the hardness and tensile strength value is very high,and the comprehensivemechanical property is good.

polymer coating technology;laser rapid prototyping;reducing protective atmosphere

TG156.99

A

1007-4414(2015)06-0076-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.027

2015-09-21

国家自然科学基金项目(51474130);湖南省市联合基金重点项目(13JJ8013);湖南省高校重点实验室(湘财教指[2014]85号);湖南省重点学科建设项目(湘教发[2011]76号);湖南省高校科技创新团队支持计划(湘教通[2012]318号)。

张净宜(1990-),男,湖北十堰人,硕士研究生,研究方向:激光再制造。

邱长军(1965-),男,湖南衡阳人,教授,主要从事激光再制造方面的工作。