Прах от сплав Ni60 беше лазерно покритие върху 42CrMo стоманена плоча за приготвяне на композитно покритие на основата на никел и морфология на повърхността, микроструктура, фаза, твърдост по Викерс, устойчивост на износване и якост на срязване на облицовъчен слой бяха анализирани. В същото време беше анализиран всеобхватният ефект на мощността на лазера и скоростта на сканиране върху организацията и свойствата на триене и износване на лазерния облицовъчен слой. Резултатите показват, че типовете фази на всеки облицовъчен слой Ni60 са последователни при различни специфични енергии. Когато специфичната енергия е твърде висока или твърде ниска, повърхността на облицовъчния слой ще произведе големи пръски или аблация; неговата микротвърдост е около 1.4 ~ 1.96 пъти по-висока от тази на субстрата и неговата твърдост постепенно се увеличава с намаляването на специфичната енергия, докато коефициентът на триене и количеството на износване постепенно намаляват с намаляването на специфичната енергия; облицовъчният слой има висока якост на срязване, която може да достигне 225 ~ 259 MPa; когато специфичната енергия е 4.8 kJ/cm2, повърхността на облицовъчния слой има малки пръски, моделът на рибените люспи е плътно подреден и дебелината е равномерна, а организацията е плътна, механичните свойства са отлични, а облицовъчният слой и субстратът е постигнал добро металургично свързване.

42CrMo стомана е вид стомана с висока якост и висока якост. Често се използва в металургията, минното дело, космическата промишленост и други области, като материал за цилиндър на бутална помпа. Буталната помпа е незаменима част от хидравличната система, в която буталото е основният компонент на плунжерната помпа. Течността може да се транспортира само чрез възвратно-постъпателното движение на буталото и цилиндъра. Поради естеството на движението между буталото и цилиндъра, тази непрекъсната работа с висок интензитет значително намалява експлоатационния живот на плунжерната помпа и тя често се поврежда поради повърхностно износване. Ако частите се сменят директно по време на поддръжката, това ще струва много, а използването на евтини имитационни части ще доведе до повече скрити опасности при използването на буталната помпа. Лазерното облицоване е нововъзникваща технология, която използва високоенергиен лазер като източник на топлина за бърз и ефикасен ремонт на повърхността на детайла. Покриването на повърхността на детайла с подходящ прах от сплав може значително да подобри повърхностната устойчивост на износване, устойчивост на корозия и други свойства. В сравнение с технологиите за повърхностна обработка като химическо покритие и отлагане на пари, лазерното покритие има предимства, които трудно могат да бъдат заменени с други технологии, като висока енергийна плътност, ниска скорост на разреждане, бърза скорост на охлаждане и малка зона, засегната от топлина. Li et al. използва лазерна облицовка за облицовка на смес от 30% SiC и 70% базирана на Ni сплав върху стоманена плоча, изследва микроструктурата и поведението на сухо плъзгане при износване на облицовката и установи, че нейният коефициент на триене и степента на износване са значително намалени и повърхността на стоманения субстрат е получила добра устойчивост на износване. Прахът от сплав Ni60 е прах от самофлюсваща сплав на основата на никел, равномерно смесен с Ni, Cr, B и Si. Сплавта има серия от предимства като добра устойчивост на износване, устойчивост на корозия, устойчивост на висока температура, висока твърдост и устойчивост на окисляване и се използва широко в технологията за укрепване на повърхността. Повърхностният слой на стомана 42CrMo може да бъде ремонтиран и подсилен чрез лазерно покритие Ni60, което дава пълноценно предимство на сплавите на основата на никел и подобрява повърхностните свойства на стоманата. Параметрите на процеса в процеса на облицовка ще повлияят пряко на микроструктурата и механичните свойства на облицовъчния слой, така че е изключително важно да се изследват параметрите на процеса. Хуанг и др. изследва ефекта от скоростта на сканиране върху микроструктурата и свойствата на триене на базирани на Ni3Al композити, съдържащи графенови нанолистове (NG). Резултатите показват, че NG пробите, синтезирани при скорост на сканиране от 450 mm/s, имат плътна и фина микроструктура, както и по-висока относителна плътност (98.6%), по-нисък коефициент на триене (0.23) и степен на износване (5.5 × 10-6 mm3/ (N·m). Оптимизирането на скоростта на сканиране може ефективно да контролира твърдостта на повърхността и относителната плътност на NG, както и ефективността на триене. Кобрин и др. изследва ефектите на мощността на лазера и страничната скорост върху микроструктурата, порьозността и височината на подреждане на лазерно отложен Ti-6Al-4V и установи, че ширината на колонните кристали намалява с увеличаване на скоростта на охлаждане, а некондензираните и порьозността намаляват с увеличаване на странично скорост и ниво на мощност. Qiu и др. изследва микроструктурата и свойствата на проби Invar36, селективно разтопени с лазер. Резултатите показват, че когато скоростта на лазера v е по-малка от 53.33 mm/min, порьозността е ниска (по-малко от 0.5%); v>53.33 mm/min Когато порьозността се увеличи значително. В допълнение към параметрите, споменати по-горе, се изследват и ефектите на фактори като предварително зададена дебелина на слоя, диаметър на петна и ширина на импулса върху облицовъчния слой. Освен това се изследват и комплексните ефекти на различни параметри, като например специфичната енергия на лазера (E), която е комплексен влияещ фактор, регулиран от мощността на лазера, скоростта на сканиране и диаметъра на петното, и е важен показател за оценка на процеса на лазерно плакиране.

Покритието Ni60 се приготвя върху повърхността на стомана 42CrMo, като се използва прах от сплав Ni60. Специфичната енергия се контролира чрез регулиране на лазерната мощност и скоростта на сканиране. Анализирано е влиянието на специфичната енергия върху качеството на формоване, микроструктурата, микротвърдостта, якостта на срязване и устойчивостта на износване на облицовъчния слой, за да се получи висококачествен облицовъчен слой.

1 Експериментални материали и методи

1.1 Експериментални материали
Експерименталният субстратен материал е структурна стомана от легирана 42CrMo с размер 150 mm × 100 mm × 10 mm. Преди теста повърхността се полира гладко с металографска шкурка и след това се използват ацетон и алкохол за отстраняване на повърхностните примеси. Прахът за облицовка беше сферичен Ni60 с размер на мрежата около 300. Неговата микроструктура е показана на Фигура 1, а химичният му състав е показан в Таблица 1.

1.2 Експериментален метод
Този тест използва метода на предварително втвърдяване на праха. Прахът от сплавта и алкохолът бяха равномерно смесени в хаван. Когато сместа е вискозна, тя се разстила върху повърхността на субстрата с помощта на разпределител за прах и се поставя в сушилня за предварително загряване при 120 ° С за 0.5, 1000 часа. Лазерът LWS-12 Nd:YAG беше използван за лазерно покритие в аргонова атмосфера с дебит на газа от 2 L/min. Схематичната диаграма на процеса на облицовка е показана на фигура XNUMX.

Специфичната енергия E е важен показател за процеса на лазерно покритие, който може да се изчисли по следната формула: E = P/v * D (1).

Където: E——специфична енергия, kJ/c㎡;

P——лазерна мощност, W;

v——скорост на сканиране, mm/s;

D——диаметър на петна, mm.

Пробите при различни специфични енергии бяха номерирани L1 ~ L6, а специфичните лазерни процеси са показани в таблица 2.

След облицовката, пробите бяха изрязани в посока, перпендикулярна на посоката на сканиране чрез използване на електрическо искрово рязане с тел, и пробите бяха шлифовани и полирани, а металографските проби бяха гравирани с царска вода с масов процент от 33%, и изследвани са микроструктурата и механичните свойства. Рентгеновият дифрактометър X´Pert PRO MPD беше използван за анализ на фазата на облицовъчния слой, сканиращият електронен микроскоп Regulus8230 беше използван за наблюдение на микроструктурата на облицовъчния слой, VTD401 дигитален микро-Викерс тестер за твърдост беше използван за измерване на твърдост на облицовъчния слой, за да се намери законът за разпределение, а електронната универсална машина за изпитване AGS-X беше използвана за извършване на тестове на срязване на пробите. Тестът за триене и износване беше извършен с помощта на универсален тестер за триене и износване MMW-1A. Размерът на пробата беше Φ4.8 mm × 12 mm цилиндър. Материалът на шлифовъчния пръстен беше стомана 45 след топлинна обработка. Скоростта на изпитване беше 100 r/min при стайна температура, натоварването беше 20 N, а времето за изпитване беше 30 минути.

2 Експериментални резултати и обсъждане

2.1 Макроскопска морфология на покритието
Фигура 3 показва морфологията на повърхността на лазерни облицовъчни слоеве с различни специфични енергии под стерео микроскоп. Може да се види от L1 до L6 на Фигура 3, че всички покрития, получени при различни специфични енергии, показват плътно подредена морфология на рибени люспи под действието на лазера и имат очевиден метален блясък под защитата на аргон. Когато специфичната енергия е малка (L1, L2), енергията на излъчване на единица площ е ниска и някои прахове не успяват да се стопят навреме, за да образуват пръски. С увеличаването на лазерната специфична енергия (L3, L4), енергията на облъчване е умерена, пръските са намалени и връзката между рибените люспи става компактна от разхлабена и дебелината е равномерна. Когато специфичната енергия се увеличи до 5.6 kJ/cm2 (L5), на повърхността се появяват някои изгаряния и пръски, моделът на рибените люспи постепенно става неравномерен и качеството на формоване се намалява. Това е така, защото с увеличаването на специфичната енергия, радиацията, получена на единица площ, става по-силна, докато скоростта на абсорбция на праха от лазера остава приблизително непроменена, което увеличава силата между лазера и праха и лесно причинява пръски, засягащи морфологията на повърхността . Освен това, когато специфичната енергия е голяма, единицата площ получава твърде много енергия, което води до аблация и окисляване на праха.

2.2 Фазов състав и микроструктура
Фигура 4 показва рентгеновите дифракционни модели на облицовъчните слоеве с три лазерни специфични енергии (L1, L4 и L6). Както е показано на фигура 4, когато лазерната специфична енергия е съответно 4.35 kJ/c㎡, 5.40 kJ/c㎡ и 5.80 kJ/c㎡, основните фази на облицовъчния слой са (Fe, Ni), аустенит и FeNi3 и интензитетът на дифракционния пик е висок. Тъй като специфичната енергия се увеличава, енергията на облъчване на единица площ се увеличава, кристалността на покритието се увеличава съответно и пиковият интензитет на дифракцията постепенно се увеличава. Може да се види, че пиковият интензитет нараства значително от L1 до L4 (специфичната енергия нараства от 4.35 kJ/c㎡ до 5.40 kJ/c㎡). Чрез сравняване на пиковите площи на рентгеновата дифракция на двете, може да се прецени, че L4 съдържа повече (Fe, Ni) и други фази от L1, докато специфичната енергия се променя от L4 на L6 (специфичната енергия се увеличава от 5.40 kJ/c ㎡ до 5.8 kJ/c㎡) и съответните промени в интензитета на пика на дифракцията са относително малки.

Фигура 5 показва микроструктурата на облицовъчния слой при различни специфични енергии. Целият облицовъчен слой няма пори, пукнатини и плътна структура. Според организационната морфология най-общо може да се раздели на три региона: горен, среден и долен. Резултатите показват, че микроструктурата на облицовъчния слой при различни лазерни специфични енергии се състои главно от паренхим, дендрити и колонни кристали (L1~L6). Поради характеристиките на бързото втвърдяване на лазерната облицовка, вторичните дендрити се отглеждат трудно, така че повечето от дендритите са къси първични дендрити. Обратно, колкото по-висока е лазерната специфична енергия, толкова по-сложна е неговата микроструктура. В облицовката L1 специфичната енергия е малка, абсорбираната енергия на единица площ е ниска и скоростта на втвърдяване на разтопения басейн е бърза, така че зърната се втвърдяват, преди да имат време да пораснат, образувайки фини паренхимни зърна (L1) в облицовката. Когато специфичната енергия се увеличи от 4.35 kJ/c㎡ (L1) до 4.64 kJ/c㎡ (L2) и 4.80 kJ/c㎡ (L3), абсорбираната енергия се увеличава и частичните облицовъчни кристали в средната област на покритието L2 се удължава в къси пръчки, клонящи към колоновидни зърна, а късите пръчковидни зърна в долната част на L3 се трансформират в тънки колоновидни зърна, които растат за предпочитане по вертикалната изотерма. Според теорията на Laxmanan за втвърдяване на сплавта, формулата в този момент е GL/R＜ΔT0/2DL (2)
Където: GL——температурен градиент на течната фаза в предната част на интерфейса, ℃;
R——скорост на втвърдяване, mm/h;
T0——температурна разлика на интерфейса твърдо-течно, ℃;
DL——коефициент на дифузия на разтвореното вещество в течната фаза;
Като цяло ΔT0 и DL на сплавите са константи. Ако GL се счита за непроменен, когато R е по-голяма от критичната скорост на втвърдяване на компонента, преохлаждането (Rc≈1.9 μm/s) е близо до 2 пъти, паренхимът постепенно се трансформира в дендрити и някои дендрити могат да се видят в пролуките между колонни кристали в средната област на L4. С нарастването на специфичната енергия колонните кристали постепенно навлизат в стадия на стабилен растеж и в средата могат да се видят голям брой колонни кристали. Когато скоростта на растеж е по-голяма от 20 пъти критичната скорост на втвърдяване Rc, тя преминава през етапа на стабилен растеж и някои къси вторични рамена (L6) постепенно се появяват от двете страни на колонните кристали.

2.3 Разпределение на твърдостта и характеристики на триене и износване
Фигура 6 показва разпределението на твърдостта на облицовъчния слой към субстрата при различни специфични енергии. Твърдостта се измерва точка по точка от повърхността на облицовъчния слой перпендикулярно на посоката на сканиране. Пет точки се измерват хоризонтално на интервали от 50 μm и средната стойност се приема като средна твърдост на тази дълбочина. Резултатите показват, че средната твърдост на 50 μm от повърхността на облицовъчния слой от L1 до L6 е 380.2HV0.1, 364.5HV0.1, 358.1HV0.1, 350.4HV0.1, 350.3HV0.1 и 348.1HV0.1 .4.35, съответно. Твърдостта на повърхността е най-висока, когато специфичната енергия е 2 kJ/cm1 (L42). В сравнение с матрицата 210CrMo (средна твърдост 0.1HV60), облицовъчният слой Ni1.4 показва по-висока микротвърдост, която е около 1.96~3 пъти по-голяма от твърдостта на матрицата, а законът за разпределение на микротвърдостта е подобен, тоест твърдостта на площта на облицовъчния слой е висока и твърдостта на матрицата постепенно намалява. По-високата твърдост на облицовъчния слой се дължи главно на комбинирания ефект от укрепването на твърдия разтвор на (Fe, Ni), дисперсионното укрепване на генерираната на място фаза FeNi6 в облицовъчния слой и финото укрепване на зърната, донесено от бързо нагряване и охлаждане на лазерна облицовка. От кривата на фигура 3 се вижда, че с увеличаването на специфичната енергия твърдостта на облицовъчния слой постепенно намалява. В същото време, както беше обсъдено по-горе, с увеличаването на специфичната енергия облицовъчната кристална структура постепенно се трансформира в колонни кристали и дендрити, а увеличаването на колонните кристали намалява нейната микротвърдост. Сред тях динамичното поведение на L5 и L1 разтопени басейни има определени разлики. Твърдостта на средната зона на структурна трансформация е по-висока от тази на повърхността. Това се дължи на пълната топлинна конвекция на разтопения басейн при тази специфична енергия. Средната микротвърдост на покритието на L3~L4 е по-висока от тази на L6~L6. От друга страна, увеличаването на специфичната енергия прави енергията на облъчване на единица площ по-висока, скоростта на разреждане на облицовъчния слой се увеличава и повече Fe елементи в основния материал навлизат в разтопения басейн, което намалява общата твърдост на покритието. Засегнати от характеристиките на бързото втвърдяване на лазерното облицоване, структурата на средната и долната област на облицовъчния слой е най-сложна. Когато специфичната енергия се увеличи, може да се види, че колонните кристали и дендритите се увеличават и се пресичат с облицовъчните кристали, което води до сложни промени в твърдостта на зоната на покритието, което съответства на разпределението на колебанията на твърдостта на покритието на Фигура XNUMX.

Фигура 7 показва кривата коефициент на триене-време на облицовъчния слой Ni60 при различни специфични енергии. Може да се види, че коефициентът на триене нараства бързо в началния етап на триене L1 ~ L6 и достига стабилен етап на триене при около 100 s. Когато специфичната енергия е 4.35 kJ/c㎡ (L1), средният коефициент на триене на облицовъчния слой е около 0.29, а когато специфичната енергия е 5.8 kJ/c㎡ (L6), средният коефициент на триене е около 1.3. Сравнявайки слоевете на облицовката при различни специфични енергии, може да се установи, че средният коефициент на триене на облицовката намалява с намаляването на специфичната енергия и общата тенденция на промяна е основно в съответствие с тенденцията на промяна на микротвърдостта със специфична енергия. Съгласно закона на Арчард устойчивостта на износване на облицовъчния слой е в положителна корелация с неговата микротвърдост. С увеличаването на специфичната енергия скоростта на разреждане на облицовъчния слой се увеличава, голямо количество Fe елементи се вливат в облицовъчния слой и съдържанието на твърдата фаза намалява, като по този начин се намалява твърдостта на облицовъчния слой. В същото време загрубяването на микроструктурата също оказва неблагоприятно влияние върху твърдостта. Това прави адхезията на покриващия материал относително повишена и повече пластична деформация и пренос на продукти от триене се появяват на повърхността по време на триене, което увеличава съпротивлението на триене между шлифовъчния пръстен и коефициента на триене. От сравнението на степента на износване на облицовъчния слой Ni60 (L1~L6) на фигура 8 може да се види, че степента на износване на облицовъчния слой е различна за различните специфични енергии. Количеството на износване е 0.8 mg, когато специфичната енергия е 4.35 kJ/c㎡ (L1), а количеството на износване е 1.9 mg, когато специфичната енергия е 5.8 kJ/c㎡ (L6). От L1~L6, тъй като специфичната енергия се увеличава, твърдостта на покритието намалява, продуктите на триене, генерирани на повърхността на триене, се увеличават и степента на износване постепенно се увеличава. Повърхността на триене и износване на покритието Ni60 се характеризира със SEM. Както е показано на фигура 9, на повърхността на покритието L1~L6 се появяват различни повреди, включително бразди, абразивни частици и частично обелени лепила. В L1 (4.35 kJ/c㎡) могат да се видят плитки и тесни бразди върху износващата се повърхност на облицовъчния слой. По това време облицовъчният слой има висока твърдост и най-добра устойчивост на износване, което е в съответствие с коефициента на триене и количеството на износване на облицовъчния слой при различни специфични енергии. В същото време могат да се видят някои разпръснати абразивни частици по повърхността на облицовъчния слой. Това са твърди частици, които падат по време на процеса на триене, което показва, че е настъпило абразивно износване в облицовъчния слой. Когато специфичната енергия се увеличи (L2~L4), броят на абразивните частици, които падат от повърхността, постепенно се увеличава и се получава малко количество отлепване (L3). Тъй като твърдостта на повърхността намалява, повърхността на триене се износва допълнително, продуктите на триене се увеличават и определена дебелина на трансферния филм се образува под действието на силата на срязване и прилепва към повърхността. Когато специфичната енергия е по-голяма от 5.6 kJ/cm2 (L5~L6), може да се види прозрачен трансферен филм, прикрепен към повърхността на износване при голямо увеличение, а количеството на износване достига до 1.9 mg. Въз основа на морфологията на триещия интерфейс при различни специфични енергии може да се види, че основното поведение на износване на облицовъчния слой при условия на сухо триене е комбинирано износване, съчетаващо абразивно износване и адхезивно износване.

2.4 Якост на срязване на облицовъчния слой
Фигура 10 показва кривата сила на срязване-време на облицовъчен слой Ni60 при различни специфични енергии на лазерна облицовка. От фигурата може да се види, че максималното натоварване, което облицовъчният слой и интерфейсът за свързване на субстрата могат да издържат с различни специфични енергии, е около
2500 N, а неговата якост на срязване може да достигне 225 ~ 259 MPa, което показва, че облицовъчният слой Ni60 и субстратът 42CrMo са постигнали добро металургично свързване. Когато специфичната енергия е 4.35 kJ/cm2 (L1), якостта на срязване е 234 MPa, докато когато е 4.46 kJ/cm2 (L2), тя е 259 MPa. След това, с увеличаването на специфичната енергия, якостта на срязване леко се колебае около 230 MPa. Поради разликата в енергията на облъчване на единица площ при различни специфични енергии, от една страна, облицовъчният слой има различни скорости на разреждане, което влияе върху разпределението на елементите на сплавта близо до линията на топене, а от друга страна, той има сложна микроструктура. Двете имат цялостно въздействие върху якостта на срязване на облицовъчния слой и основата.

3 Заключение

(1) Типовете фази на облицовъчния слой Ni60 са последователни при различни специфични енергии, което има голямо влияние върху качеството на формиране на повърхността и разпределението на структурата. Когато специфичната енергия е твърде висока или твърде ниска, повърхността ще произведе големи пръски или ще изгори. С увеличаването на специфичната енергия структурата на облицовъчния слой загрубява до известна степен и се променя от фини парцели кристали към колонни кристали; когато специфичната енергия е 4.8 kJ/c㎡, повърхността на облицовъчния слой има малки пръски, шарката на рибените люспи е плътно подредена и дебелината е равномерна, структурата е плътна и без дефекти и се постига добро металургично свързване.
(2) След лазерно покритие Ni60, микротвърдостта на облицовъчния слой е значително подобрена в сравнение със субстрата, което е около 1.4~1.96 пъти по-висока от твърдостта на субстрата. В облицовъчния слой, комбинираният ефект от (Fe, Ni) укрепване на твърд разтвор, in situ образуване на твърда фаза FeNi3 дисперсионно укрепване и укрепване на фините зърна на облицовъчния слой прави облицовъчния слой да има по-висока микротвърдост. Неговата стойност на твърдост постепенно се увеличава с намаляване на специфичната енергия. В същото време, повлияна от специфичната енергия и закона за разпределение на структурата на облицовката, нейната твърдост постепенно намалява от облицовъчния слой към основата.
(3) В съответствие със закона за промяна на микротвърдостта на облицовъчния слой при различни специфични енергии, коефициентът на триене и съответното количество на износване на облицовъчния слой ще намаляват с намаляването на специфичната енергия. Когато специфичната енергия намалява от 5.8 kJ/c㎡ до 4.35 kJ/c㎡, нейният коефициент на триене намалява от 1.3 на 0.29, а количеството на износване намалява от 1.9 mg на 0.8 mg; при условия на износване при сухо триене основното поведение на износване на облицовъчния слой е композитна форма на износване, комбинираща абразивно износване и адхезивно износване.
(4) The лазерно облицовка Покритието Ni60 има добра устойчивост на срязване, която може да достигне 225 ~ 259 MPa. Облицовъчният слой и субстратът постигат добро металургично свързване и специфичната енергия има малък ефект върху якостта на срязване. Като се има предвид ефектът на специфичната енергия върху формирането, микроструктурата и механичните свойства на облицовъчния слой, може да се види, че облицовъчният слой има по-добра производителност, когато специфичната енергия е 4.8 kJ/c㎡.