Pó de liga Ni60 foi revestido a laser em chapa de aço 42CrMo para preparar revestimento compósito à base de níquel, e a morfologia da superfície, microestrutura, fase, dureza Vickers, resistência ao desgaste e resistência ao cisalhamento do camada de revestimento foram analisados. Ao mesmo tempo, o efeito abrangente da potência do laser e da velocidade de varredura na organização e nas propriedades de atrito e desgaste da camada de revestimento do laser foi analisado. Os resultados mostram que os tipos de fase de cada camada de revestimento Ni60 são consistentes sob diferentes energias específicas. Quando a energia específica é muito alta ou muito baixa, a superfície da camada de revestimento produzirá grandes respingos ou ablação; sua microdureza é cerca de 1.4 a 1.96 vezes maior do que a do substrato, e sua dureza aumenta gradualmente com a diminuição da energia específica, enquanto o coeficiente de atrito e a quantidade de desgaste diminuem gradualmente com a diminuição da energia específica; a camada de revestimento tem uma alta resistência ao cisalhamento, que pode atingir 225 a 259 MPa; quando a energia específica é de 4.8 kJ/cm2, a superfície da camada de revestimento tem pequenos respingos, o padrão de escamas de peixe é organizado de perto e a espessura é uniforme, e a organização é densa, as propriedades mecânicas são excelentes, e a camada de revestimento e o substrato alcançaram uma boa ligação metalúrgica.

O aço 42CrMo é um tipo de aço com alta resistência e alta tenacidade. É frequentemente usado em metalurgia, mineração, aeroespacial e outros campos, como material de cilindro de bomba de êmbolo. A bomba de êmbolo é uma parte indispensável do sistema hidráulico, no qual o êmbolo é o componente central da bomba de êmbolo. O líquido pode ser transportado somente através do movimento alternativo do êmbolo e do cilindro. Devido à natureza do movimento entre o êmbolo e o cilindro, esse trabalho contínuo de alta intensidade reduz muito a vida útil da bomba de êmbolo, e ela frequentemente falha devido ao desgaste da superfície. Se as peças forem substituídas diretamente durante a manutenção, isso custará muito, e o uso de peças de imitação de baixo custo trará mais perigos ocultos ao uso da bomba de êmbolo. O revestimento a laser é uma tecnologia emergente que usa laser de alta energia como fonte de calor para reparar de forma rápida e eficiente a superfície da peça de trabalho. Revestir a superfície da peça de trabalho com pó de liga adequado pode melhorar significativamente a resistência ao desgaste da superfície, a resistência à corrosão e outras propriedades. Comparado com tecnologias de tratamento de superfície, como galvanoplastia química e deposição de vapor, o revestimento a laser tem vantagens que são difíceis de substituir por outras tecnologias, como alta densidade de energia, baixa taxa de diluição, rápida taxa de resfriamento e pequena zona afetada pelo calor. Li et ai. utilizou revestimento a laser para revestir uma mistura de 30% de SiC e 70% de liga à base de Ni em uma placa de aço, estudou a microestrutura e o comportamento de desgaste por deslizamento a seco do revestimento e descobriu que seu coeficiente de atrito e taxa de desgaste foram significativamente reduzidos, e a superfície do substrato de aço obteve boa resistência ao desgaste. O pó de liga Ni60 é um pó de liga autofundente à base de níquel, uniformemente misturado com Ni, Cr, B e Si. A liga tem uma série de vantagens, como boa resistência ao desgaste, resistência à corrosão, resistência a altas temperaturas, alta dureza e resistência à oxidação, e é amplamente utilizada na tecnologia de reforço de superfícies. A camada superficial do aço 42CrMo pode ser reparada e reforçada pelo revestimento a laser Ni60, aproveitando ao máximo as vantagens das ligas à base de níquel e melhorando as propriedades superficiais do aço. Os parâmetros do processo de revestimento afetarão diretamente a microestrutura e as propriedades mecânicas da camada de revestimento, por isso é extremamente importante explorar os parâmetros do processo. Huang et al. estudou o efeito da velocidade de varredura na microestrutura e nas propriedades de atrito de compósitos à base de Ni3Al contendo nanofolhas de grafeno (NGs). Os resultados mostram que as amostras de NG sintetizadas a uma velocidade de varredura de 450 mm/s apresentam uma microestrutura densa e fina, bem como uma maior densidade relativa (98.6%), um menor coeficiente de atrito (0.23) e uma taxa de desgaste (5.5×10-6 mm3/ (N·m). Otimizar a velocidade de digitalização pode controlar efetivamente a dureza da superfície e a densidade relativa do NG, bem como o desempenho de atrito. Kobryn e outros. estudaram os efeitos da potência do laser e da velocidade lateral na microestrutura, porosidade e altura de empilhamento do Ti-6Al-4V depositado a laser e descobriram que a largura dos cristais colunares diminuiu com o aumento da taxa de resfriamento, e a porosidade não fundida diminuiu com o aumento da velocidade lateral e do nível de potência. Qiu e outros. estudou a microestrutura e as propriedades de amostras de Invar36 fundidas seletivamente a laser. Os resultados mostraram que quando a velocidade do laser v era menor que 53.33 mm/min, a porosidade era baixa (menor que 0.5%); v>53.33 mm/min quando a porosidade aumenta significativamente. Além dos parâmetros mencionados acima, os efeitos de fatores como espessura de camada predefinida, diâmetro do ponto e largura de pulso na camada de revestimento também são estudados. Além disso, também são estudados os efeitos abrangentes de diferentes parâmetros, como a energia específica do laser (E), que é um fator de influência abrangente regulado pela potência do laser, velocidade de varredura e diâmetro do ponto, e é um importante índice de avaliação do processo de revestimento a laser.

O revestimento Ni60 foi preparado na superfície do aço 42CrMo usando pó de liga Ni60. A energia específica foi controlada ajustando a potência do laser e a velocidade de varredura. A influência da energia específica na qualidade de formação, microestrutura, microdureza, resistência ao cisalhamento e resistência ao desgaste da camada de revestimento foi analisada para obter uma camada de revestimento de alta qualidade.

1 Materiais e métodos experimentais

1.1 Materiais experimentais
O material do substrato experimental é aço estrutural de liga 42CrMo com um tamanho de 150 mm×100 mm×10 mm. Antes do teste, a superfície foi polida até ficar lisa com lixa metalográfica e, em seguida, acetona e álcool foram usados ​​para remover impurezas da superfície. O pó de revestimento era Ni60 esférico com um tamanho de malha de cerca de 300. Sua microestrutura é mostrada na Figura 1, e sua composição química é mostrada na Tabela 1.

1.2 Método experimental
Este teste adotou o método de pré-fixação de pó. O pó de liga e o álcool foram misturados uniformemente em um almofariz. Quando a mistura ficou viscosa, ela foi espalhada na superfície do substrato usando um espalhador de pó e colocada em um forno de secagem para pré-aquecimento a 120 °C por 0.5 h. O laser LWS-1000 Nd:YAG foi usado para revestimento a laser em uma atmosfera de argônio com uma vazão de gás de 12 L/min. O diagrama esquemático do processo de revestimento é mostrado na Figura 2.

A energia específica E é um indicador importante do processo de revestimento a laser, que pode ser calculada pela seguinte fórmula: E = P/v * D (1).

Onde: E——energia específica, kJ/c㎡;

P——potência do laser, W;

v——velocidade de varredura, mm/s;

D——diâmetro do ponto, mm.

As amostras sob diferentes energias específicas foram numeradas de L1 a L6, e os processos específicos do laser são mostrados na Tabela 2.

Após o revestimento, as amostras foram cortadas em uma direção perpendicular à direção de varredura usando corte de fio de faísca elétrica, e as amostras foram moídas e polidas, e as amostras metalográficas foram gravadas com água régia com uma porcentagem de massa de 33%, e a microestrutura e propriedades mecânicas foram estudadas. O difratômetro de raios X X´Pert PRO MPD foi usado para analisar a fase da camada de revestimento, o microscópio eletrônico de varredura Regulus8230 foi usado para observar a microestrutura da camada de revestimento, o testador de dureza micro-Vickers digital VTD401 foi usado para medir a dureza da camada de revestimento para descobrir a lei de distribuição, e a máquina de teste universal eletrônica AGS-X foi usada para realizar testes de cisalhamento nas amostras. O teste de atrito e desgaste foi realizado usando um testador universal de atrito e desgaste MMW-1A. O tamanho da amostra foi um cilindro de Φ4.8 mm × 12 mm. O material do anel de moagem foi aço 45 após tratamento térmico. A velocidade do teste foi de 100 r/min à temperatura ambiente, a carga foi de 20 N e o tempo do teste foi de 30 min.

2 Resultados experimentais e discussão

2.1 Morfologia macroscópica do revestimento
A Figura 3 mostra a morfologia da superfície de camadas de revestimento a laser com diferentes energias específicas sob um estereomicroscópio. Pode ser visto de L1 a L6 na Figura 3 que os revestimentos obtidos sob diferentes energias específicas mostram uma morfologia de escamas de peixe firmemente organizada sob a ação do laser e têm um brilho metálico óbvio sob a proteção de argônio. Quando a energia específica é pequena (L1, L2), a energia de irradiação por unidade de área é baixa e alguns pós não derretem a tempo de formar respingos. Com o aumento da energia específica do laser (L3, L4), a energia de irradiação é moderada, os respingos são reduzidos e a conexão entre as escamas de peixe se torna compacta de solta e a espessura é uniforme. Quando a energia específica aumenta para 5.6 kJ/cm2 (L5), algumas queimaduras e respingos aparecem na superfície, o padrão de escamas de peixe gradualmente se torna irregular e a qualidade de formação é reduzida. Isso ocorre porque com o aumento da energia específica, a radiação recebida por unidade de área se torna mais forte, enquanto a taxa de absorção do pó do laser permanece aproximadamente inalterada, o que aumenta a força entre o laser e o pó e facilmente causa respingos, afetando a morfologia da superfície. Além disso, quando a energia específica é grande, a área unitária recebe muita energia, o que leva à ablação e oxidação do pó.

2.2 Composição de fases e microestrutura
A Figura 4 mostra os padrões de difração de raios X das camadas de revestimento com três energias específicas de laser (L1, L4 e L6). Conforme mostrado na Figura 4, quando a energia específica do laser é 4.35 kJ/c㎡, 5.40 kJ/c㎡ e 5.80 kJ/c㎡, respectivamente, as principais fases da camada de revestimento são (Fe, Ni), Austenita e FeNi3, e a intensidade do pico de difração é alta. À medida que a energia específica aumenta, a energia de irradiação por unidade de área aumenta, a cristalinidade do revestimento aumenta de acordo e a intensidade do pico de difração aumenta gradualmente. Pode-se ver que a intensidade do pico aumenta significativamente de L1 para L4 (a energia específica aumenta de 4.35 kJ/c㎡ para 5.40 kJ/c㎡). Ao comparar as áreas de pico de difração de raios X dos dois, pode-se julgar que L4 contém mais (Fe, Ni) e outras fases do que L1, enquanto a energia específica muda de L4 para L6 (a energia específica aumenta de 5.40 kJ/c㎡ para 5.8 kJ/c㎡) e as mudanças de intensidade de pico de difração correspondentes são relativamente pequenas.

A Figura 5 mostra a microestrutura da camada de revestimento sob diferentes energias específicas. A camada de revestimento inteira não tem poros, nem rachaduras, e tem uma estrutura densa. De acordo com a morfologia organizacional, ela pode ser geralmente dividida em três regiões: superior, média e inferior. Os resultados mostram que a microestrutura da camada de revestimento sob diferentes energias específicas do laser é composta principalmente de parênquima, dendritos e cristais colunares (L1~L6). Devido às características de solidificação rápida do revestimento a laser, os dendritos secundários são difíceis de crescer, então a maioria dos dendritos são dendritos primários curtos. Em contraste, quanto maior a energia específica do laser, mais complexa é sua microestrutura. No revestimento L1, a energia específica é pequena, a energia absorvida por unidade de área é baixa, e a velocidade de solidificação da poça fundida é rápida, de modo que os grãos se solidificam antes de terem tempo de crescer, formando grãos finos de parênquima (L1) no revestimento. Quando a energia específica aumenta de 4.35 kJ/c㎡ (L1) para 4.64 kJ/c㎡ (L2) e 4.80 kJ/c㎡ (L3), a energia absorvida aumenta, e os cristais de revestimento parcial na área média do revestimento L2 são alongados em hastes curtas, tendendo a grãos colunares, e os grãos curtos em forma de haste na área inferior de L3 são transformados em grãos colunares delgados, que crescem preferencialmente ao longo da isoterma vertical. De acordo com a teoria de solidificação da liga de Laxmanan, a fórmula neste momento é GL/R＜ΔT0/2DL (2)
Onde: GL——gradiente de temperatura da fase líquida na frente da interface, ℃;
R——taxa de solidificação, mm/h;
T0——diferença de temperatura da interface sólido-líquido, ℃;
DL——coeficiente de difusão do soluto na fase líquida;
Geralmente, ΔT0 e DL de ligas são constantes. Se GL for considerado inalterado, quando R é maior que a taxa de solidificação crítica do super-resfriamento do componente (Rc≈1.9 μm/s) é próximo de 2 vezes, o parênquima gradualmente se transforma em dendritos, e alguns dendritos podem ser vistos nas lacunas entre cristais colunares na área média de L4. À medida que a energia específica aumenta, os cristais colunares entram gradualmente no estágio de crescimento estável, e um grande número de cristais colunares pode ser visto no meio. Quando a taxa de crescimento é maior que 20 vezes a taxa de solidificação crítica Rc, ela rompe o estágio de crescimento estável, e alguns braços secundários curtos (L6) aparecem gradualmente em ambos os lados dos cristais colunares.

2.3 Distribuição de dureza e desempenho de atrito e desgaste
A Figura 6 mostra a distribuição de dureza da camada de revestimento para o substrato sob diferentes energias específicas. A dureza é medida ponto por ponto da superfície da camada de revestimento para a direção de varredura perpendicularmente. Cinco pontos são medidos horizontalmente em intervalos de 50 μm e o valor médio é tomado como a dureza média nesta profundidade. Os resultados mostram que a dureza média a 50 μm da superfície da camada de revestimento de L1 a L6 é 380.2HV0.1, 364.5HV0.1, 358.1HV0.1, 350.4HV0.1, 350.3HV0.1 e 348.1HV0.1, respectivamente. A dureza da superfície é mais alta quando a energia específica é 4.35 kJ/cm2 (L1). Comparado com a matriz 42CrMo (dureza média 210HV0.1), a camada de revestimento Ni60 exibe maior microdureza, que é cerca de 1.4~1.96 vezes a dureza da matriz, e a lei de distribuição de microdureza é semelhante, ou seja, a dureza da área da camada de revestimento é alta e a dureza da matriz diminui gradualmente. A maior dureza da camada de revestimento é atribuída principalmente ao efeito combinado do fortalecimento da solução sólida de (Fe, Ni), o fortalecimento da dispersão da fase gerada in situ FeNi3 na camada de revestimento e o fortalecimento de grãos finos trazido pelo rápido aquecimento e resfriamento do revestimento a laser. Pode ser visto na curva da Figura 6 que com o aumento da energia específica, a dureza da camada de revestimento diminui gradualmente. Ao mesmo tempo, conforme discutido acima, com o aumento da energia específica, a estrutura cristalina do revestimento gradualmente se transforma em cristais colunares e dendritos, e o aumento de cristais colunares reduz sua microdureza. Entre eles, o comportamento dinâmico das poças de fusão L3 e L5 tem certas diferenças. A dureza da zona de transformação estrutural do meio é maior do que a da superfície. Isso se deve à convecção térmica completa da poça de fusão sob essa energia específica. A microdureza média do revestimento de L1~L3 é maior do que a de L4~L6. Por outro lado, o aumento da energia específica torna a energia de irradiação por unidade de área maior, a taxa de diluição da camada de revestimento aumenta e mais elementos de Fe no material original entram na poça de fusão, o que reduz a dureza geral do revestimento. Afetada pelas características de solidificação rápida do revestimento a laser, a estrutura das regiões média e inferior da camada de revestimento é a mais complexa. Quando a energia específica aumenta, pode-se ver que os cristais colunares e dendritos aumentam e se intercalam com os cristais de revestimento, resultando em mudanças complexas na dureza da área de revestimento, o que corresponde à distribuição de flutuação da dureza do revestimento na Figura 6.

A Figura 7 mostra a curva do coeficiente de atrito-tempo da camada de revestimento de Ni60 sob diferentes energias específicas. Pode-se observar que o coeficiente de atrito aumenta rapidamente no estágio inicial de atrito L1~L6 e atinge um estágio de atrito estável em cerca de 100 s. Quando a energia específica é 4.35 kJ/c㎡ (L1), o coeficiente de atrito médio da camada de revestimento é cerca de 0.29, e quando a energia específica é 5.8 kJ/c㎡ (L6), o coeficiente de atrito médio é cerca de 1.3. Comparando as camadas de revestimento sob diferentes energias específicas, pode-se descobrir que o coeficiente de atrito médio do revestimento diminui com a diminuição da energia específica, e a tendência geral de mudança é basicamente consistente com a tendência de mudança da microdureza com energia específica. De acordo com a lei de Archard, a resistência ao desgaste da camada de revestimento está positivamente correlacionada com sua microdureza. Com o aumento da energia específica, a taxa de diluição da camada de revestimento aumenta, uma grande quantidade de elementos Fe flui para a camada de revestimento e o conteúdo da fase dura diminui, reduzindo assim a dureza da camada de revestimento. Ao mesmo tempo, o engrossamento da microestrutura também tem um efeito adverso na dureza. Isso aumenta relativamente a adesão do material de revestimento, e mais deformação plástica e transferência de produtos de atrito ocorrem na superfície durante o atrito, o que aumenta a resistência ao atrito entre o anel de moagem e o coeficiente de atrito. A partir da comparação da quantidade de desgaste da camada de revestimento Ni60 (L1~L6) na Figura 8, pode-se observar que a quantidade de desgaste da camada de revestimento é diferente para diferentes energias específicas. A quantidade de desgaste é de 0.8 mg quando a energia específica é de 4.35 kJ/c㎡ (L1), e a quantidade de desgaste é de 1.9 mg quando a energia específica é de 5.8 kJ/c㎡ (L6). De L1 a L6, à medida que a energia específica aumenta, a dureza do revestimento diminui, os produtos de atrito gerados na interface de atrito aumentam e a quantidade de desgaste aumenta gradualmente. A superfície de atrito e desgaste do revestimento Ni60 foi caracterizada por MEV. Conforme mostrado na Figura 9, diferentes danos apareceram na superfície do revestimento L1~L6, incluindo sulcos, partículas abrasivas e adesivos parcialmente descascados. Em L1 (4.35 kJ/c㎡), sulcos rasos e estreitos podem ser vistos na superfície de desgaste da camada de revestimento. Neste momento, a camada de revestimento tem alta dureza e a melhor resistência ao desgaste, o que é consistente com o coeficiente de atrito e a quantidade de desgaste da camada de revestimento sob diferentes energias específicas. Ao mesmo tempo, algumas partículas abrasivas espalhadas podem ser vistas na superfície da camada de revestimento. São partículas duras que caem durante o processo de atrito, indicando que ocorreu desgaste abrasivo na camada de revestimento. Quando a energia específica aumenta (L2~L4), o número de partículas abrasivas que caem da superfície aumenta gradualmente e ocorre uma pequena quantidade de descascamento (L3). À medida que a dureza da superfície diminui, a superfície de atrito fica ainda mais desgastada, os produtos de atrito aumentam e uma certa espessura de filme de transferência é formada sob a ação da força de cisalhamento e adere à superfície. Quando a energia específica é maior que 5.6 kJ/cm2 (L5~L6), uma película de transferência transparente pode ser vista presa à superfície de desgaste sob alta ampliação, e a quantidade de desgaste atinge até 1.9 mg. Com base na morfologia da interface de fricção sob diferentes energias específicas, pode-se observar que o principal comportamento de desgaste da camada de revestimento em condições de desgaste por fricção seca é um desgaste composto que combina desgaste abrasivo e desgaste adesivo.

2.4 Resistência ao cisalhamento da camada de revestimento
A Figura 10 mostra a curva força de cisalhamento-tempo da camada de revestimento de Ni60 sob diferentes energias específicas de revestimento a laser. Pode ser visto na figura que a carga máxima que a camada de revestimento e a interface de ligação do substrato podem suportar com diferentes energias específicas é de cerca de
2500 N, e sua resistência ao cisalhamento pode atingir 225~259 MPa, indicando que a camada de revestimento Ni60 e o substrato 42CrMo alcançaram uma boa ligação metalúrgica. Quando a energia específica é 4.35 kJ/cm2 (L1), a resistência ao cisalhamento é 234 MPa, enquanto quando é 4.46 kJ/cm2 (L2), é 259 MPa. Depois disso, com o aumento da energia específica, a resistência ao cisalhamento flutua ligeiramente em torno de 230 MPa. Devido à diferença na energia de irradiação por unidade de área sob diferentes energias específicas, por um lado, a camada de revestimento tem diferentes taxas de diluição, o que afeta a distribuição de elementos de liga perto da linha de fusão e, por outro lado, tem uma microestrutura complexa. Os dois têm um impacto abrangente na resistência ao cisalhamento da camada de revestimento e do substrato.

Conclusão 3

(1) Os tipos de fase da camada de revestimento Ni60 são consistentes sob diferentes energias específicas, o que tem uma grande influência na qualidade da formação da superfície e na distribuição da estrutura. Quando a energia específica é muito alta ou muito baixa, a superfície produzirá grandes respingos ou queimaduras. Com o aumento da energia específica, a estrutura da camada de revestimento engrossa até certo ponto e muda de cristais de parcelas finas para cristais colunares; quando a energia específica é de 4.8 kJ/c㎡, a superfície da camada de revestimento tem pequenos respingos, o padrão de escamas de peixe é organizado de perto e a espessura é uniforme, a estrutura é densa e livre de defeitos, e uma boa ligação metalúrgica é alcançada.
(2) Após o revestimento a laser Ni60, a microdureza da camada de revestimento é significativamente melhorada em comparação com o substrato, que é cerca de 1.4 a 1.96 vezes a dureza do substrato. Na camada de revestimento, o efeito combinado do fortalecimento da solução sólida (Fe, Ni), formação in situ de fortalecimento da dispersão de FeNi3 em fase dura e fortalecimento de grãos finos da camada de revestimento faz com que a camada de revestimento tenha uma microdureza maior. Seu valor de dureza aumenta gradualmente com a diminuição da energia específica. Ao mesmo tempo, afetada pela energia específica e pela lei de distribuição da estrutura de revestimento, sua dureza diminui gradualmente da camada de revestimento para o substrato.
(3) Consistente com a lei da mudança de microdureza da camada de revestimento sob diferentes energias específicas, o coeficiente de atrito e a quantidade de desgaste correspondente da camada de revestimento diminuirão com a diminuição da energia específica. Quando a energia específica diminui de 5.8 kJ/c㎡ para 4.35 kJ/c㎡, seu coeficiente de atrito diminui de 1.3 para 0.29, e a quantidade de desgaste diminui de 1.9 mg para 0.8 mg; sob condições de desgaste por atrito a seco, o principal comportamento de desgaste da camada de revestimento é uma forma de desgaste composta combinando desgaste abrasivo e desgaste adesivo.
(4) A revestimento a laser O revestimento Ni60 tem boa resistência ao cisalhamento, que pode atingir 225~259 MPa. A camada de revestimento e o substrato alcançam boa ligação metalúrgica, e a energia específica tem pouco efeito na resistência ao cisalhamento. Considerando o efeito da energia específica na formação, microestrutura e propriedades mecânicas da camada de revestimento, pode-se ver que a camada de revestimento tem melhor desempenho quando a energia específica é de 4.8 kJ/c㎡.