鋼管廠導(dǎo)衛(wèi)板激光增材修復(fù)層的組織與性能研究

   利用激光增材再制造技術(shù)，以M2高速鋼作為合金粉末，在45鋼導(dǎo)衛(wèi)板表面進(jìn)行激光修復(fù)工藝試驗(yàn)，分別使用掃描電鏡、能譜儀、顯微硬度計(jì)對(duì)修復(fù)層的微觀組織、成分及硬度進(jìn)行分析，并對(duì)修復(fù)層進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。結(jié)果表明：導(dǎo)衛(wèi)板熔覆層組織均勻致密、晶粒細(xì)小，無(wú)裂紋、氣孔等缺陷，與基體結(jié)合良好；導(dǎo)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(jī)導(dǎo)衛(wèi)板是用于控制軋件進(jìn)入或離開軋輥的裝置，通常由鑄鐵制成，某些小型軋機(jī)則采用鋼制成。導(dǎo)衛(wèi)板工況條件惡劣，存在使用壽命短、更換頻繁等問(wèn)題。由于型材的軋制溫度超過(guò)1000℃，所以高溫氧化磨損及疲勞剝落成為導(dǎo)衛(wèi)板的主要失效形式。導(dǎo)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(jī)的生產(chǎn)效率。

  對(duì)磨損的導(dǎo)衛(wèi)板進(jìn)行修復(fù)，并提高其使用壽命具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。傳統(tǒng)修復(fù)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(diǎn)。激光增材制造技術(shù)，作為一種新的表面改性技術(shù)，是利用高能密度激光束，使基體表面和合金粉末同時(shí)熔化并快速凝固，形成與基體緊密結(jié)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(shù)，以M2作為合金粉末，在導(dǎo)衛(wèi)板基體上增加耐磨損、抗高溫氧化涂層，并對(duì)其組織及性能進(jìn)行研究，對(duì)提高導(dǎo)衛(wèi)板的使用壽命具有一定的參考價(jià)值。

  激光增材制造系統(tǒng)如圖所示，主要由工業(yè)機(jī)器人、激光器、雙桶氣動(dòng)送粉器和氬氣保護(hù)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(yàn)過(guò)程如下：導(dǎo)衛(wèi)板固定在工作臺(tái)上，高功率激光束從光纖體激光器輸出后由固定在機(jī)器人手臂末端工作頭整形、照射到導(dǎo)衛(wèi)板表面。在試驗(yàn)過(guò)程中，激光束由機(jī)器人控制移動(dòng)，并且一直通氬氣保護(hù)。磨損的導(dǎo)衛(wèi)板如圖所示。導(dǎo)衛(wèi)板存在因高溫軋件高速滑動(dòng)而形成的劃痕和磨損，劃痕深度約為1mm，寬度為2mm，長(zhǎng)度為60～100mm。修復(fù)時(shí)堆焊了1層厚度為1.5mm的重熔層。

   導(dǎo)衛(wèi)板材質(zhì)為45鋼，經(jīng)淬火工藝處理，表面硬度為42.0HRC。針對(duì)導(dǎo)衛(wèi)板的磨損情況，選用M2高速鋼合金粉末進(jìn)行激光增材制造修復(fù)。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(shù)控切割成為10mm×10mm×20mm的試塊，研磨、拋光后，用王水進(jìn)行腐蝕，再用酒精沖洗干凈，風(fēng)機(jī)吹干，使用NANOSEM 430型掃描電鏡及D/MAX-2500型X衍射儀對(duì)熔覆層的顯微組織、能譜及物相進(jìn)行觀察與分析。用DHV-1000型維氏數(shù)顯顯微硬度計(jì)對(duì)熔覆層硬度進(jìn)行測(cè)試，在熔覆層的橫截面上，測(cè)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(jīng)激光增材修復(fù)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(méi)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(shù)顯微組織。從圖可以看出，該區(qū)域組織晶粒細(xì)小，呈樹枝晶分布，具有一定生長(zhǎng)方向，其中部分枝晶出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，這是由于多道搭接、反復(fù)重熔導(dǎo)致的。圖是M2熔覆層橫截面中部區(qū)域不同放大倍數(shù)顯微組織?？梢钥闯鲈搮^(qū)域組織呈柱狀晶分布，生長(zhǎng)方向雜亂無(wú)章。圖是M2熔覆層橫截面底部區(qū)域不同放大倍數(shù)顯微組織。從圖可以看出，熔覆層底部組織表現(xiàn)為垂直于界面生長(zhǎng)的平面晶過(guò)渡到胞狀晶結(jié)構(gòu)。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?yàn)槿鄹矊釉诎l(fā)生凝固時(shí)，首先從液態(tài)相中析出樹枝狀δ鐵素體，當(dāng)溫度進(jìn)一步下降后形成奧氏體，當(dāng)冷卻速度很快時(shí)，形成奧氏體這一反應(yīng)受到抑制，隨溫度進(jìn)一步下降，沒(méi)來(lái)得及轉(zhuǎn)變的液相生成萊氏體；在凝固組織后期冷卻過(guò)程中，由包晶相變得到奧氏體將進(jìn)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(diǎn)1～5是沿橫截面軸向方向，兩點(diǎn)間隔0.5mm，能譜點(diǎn)6、7在同一水平線上，間隔1.5mm。其EDS分析結(jié)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(shuō)明經(jīng)激光多道搭接、重熔后，熔覆層具有較好的均勻性。根據(jù)熔覆層能譜分析結(jié)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(xì)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(shí)，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(wàn)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(zhì)量。在MRH-200型高速環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為載荷300N，轉(zhuǎn)速570r/min，干摩擦，試驗(yàn)時(shí)間為60分鐘，摩擦副為GCr15。試驗(yàn)結(jié)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(zhì)量。初始質(zhì)量與磨損后的質(zhì)量差即為試樣的質(zhì)量磨損量。試驗(yàn)結(jié)果顯示，M2高速鋼熔覆層表面磨損形式主要表現(xiàn)為磨粒磨損，摩擦因數(shù)為0.4333，磨損量為0.0173g。采用激光增材再制造技術(shù)，選取M2高速鋼作為合金粉末，在45鋼導(dǎo)衛(wèi)板表面進(jìn)行激光修復(fù)試驗(yàn)。導(dǎo)衛(wèi)板修復(fù)后熔覆層光滑、組織致密、晶粒細(xì)小，與基體形成冶金結(jié)合，熔覆層最高硬度出現(xiàn)在距離熔覆層頂層1100μm處，為55.0HRC。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，激光增材制造修復(fù)后導(dǎo)衛(wèi)板實(shí)際使用壽命提升了3倍。