Ni基合金激光熔覆层组织特征及凝固过程的研究

　　近年来，激光熔覆技术在材料表面强化中越来越多的受到重视，显示出良好的应用前景。该项技术采用高能激光与材料相互作用，在一般材料表面上熔覆特种复合层。众多资料报道[1～3 ]，激光熔覆技术可显着提高材料表面的耐磨性、抗蚀性和耐热性等。虽然有众多学者对基合金激光熔覆层的组织特征进行了研究[4， 5 ]，但结合数值模型对其形成规律进行系统研究较少。因此，对这方面研究具有比较重要的意义。

　　1实验材料和方法实验用基材是45号钢，尺寸为70 mm×27 mm×10 mm.激光熔覆合金粉末选用自熔Ni基合金粉激光熔覆试验所用激光器为2 kW横流CO激光器，额定输出功率为2. 0 kW，光束模式为多模。工作台为XY两坐标精密机床，由单片机控制步进电机驱动。

　　将试样用丙酮清洗，烘干。在试样表面多道搭接激光熔覆Ni基合金。工艺参数为：功率P为2 kW光斑直径D为3 mm扫描速度u量为20 mg /mm搭接率为50.将试样表面打磨平整后进行不同扫描速度的单道激光熔覆。其工艺参数为：激光功率为2 kW光斑直径D为4 mm扫描速度在试样中间部位切取横向截面作为金相试样，用王水深腐蚀后，在JSM35型扫描电镜（ SEM ）下观察组织形貌。为了获取显微组织特征尺寸，在低倍（×50）扫描电镜下确定熔覆层最大高度方向。在熔覆层高度方向上，从结合界面至熔覆层表面每移动0. 15或0. 2 mm的距离，选定视场拍照。并且采用线分析法来测量颗粒相的平均截线长度L和平均自由程λ。利用Buech lerⅢ显微硬度计测量熔覆层硬度。

　　同时利用电子探针对熔覆层典型组织进行面分析。

　　2实验结果材与多道搭接熔覆层结合界面存在白亮带，为稳定界面（见图1a）而多道搭接熔覆层与单道熔覆层结合界面不存在白亮带，显微组织为亚共晶组织（见图1b） ，为不稳定界面，且界面达到了良好的冶金结合单道熔覆层不同部位组织有着共同特点，初生枝晶基底上离散分布着形状各异（块状、条状、针状、羽毛状、菊花状和树枝状等）的碳化物共晶组织（见图1c～图稀有金属材料与工程属博士点基金资助（批准号： 96048708）和校基金资助项目联系人：曾大文，男， 32岁，讲师，华中理工大学材料学院，武汉430074，电话： 02787590 1e）。Xray分析结果表明， Ni基合金粉末激光熔覆层共晶组织构成加，初生枝晶和共晶碳化物尺寸发生明显变化，由大变小，表现出不均匀性同时共晶碳化物组织还表现出组织多样性在靠近熔覆层自由表面处，出现了树枝状共晶碳化物，这可能与熔覆层表面冷却速度极大有关。

　　出：共晶碳化物贫Ni，为富Cr相同时不同形状共晶稀有金属材料与工程29卷碳化物的化学成分不同，黑色块状共晶碳化物贫Fe，而深灰色的针状和条状碳化物的Fe元素含量和基体相同（其成分） ，说明共晶碳化物的形态由化学成分决定。

　　沿熔覆层最大高度方向上离不稳定结合界面0. 2 mm处的显微组织SEM照片。图3表明，随着扫描速度的增加，熔覆层组织明显变细。

　　均截线长度L和平均自由程λ）随离不稳定结合界面距离变化曲线。结果表明：随着离不稳定结合界面距离的增加，扫描速度2 mm /s时，熔覆层显微组织特征尺寸随之减小，变化趋势比较陡峭，表现出明显的组织不均匀性扫描速度11 mm /s时，显微组织特征尺寸变化规律不明显，组织比较均匀，即随着扫描速度提高，共晶碳化物特征尺寸变小，组织更加均匀细小，改善了熔覆层组织不均匀性。

　　着扫描速度的提高，熔覆层硬度值显着增大，当扫描速度为11 mm /s时，随离不稳定结合界面距离增加，硬度值波动较小，说明组织比较均匀而扫描速度为2 mm /s时，随离结合界面距离增加，硬度值波动性比较大，说明组织不均匀。以上硬度分布情况与显微组织形貌和定量金相的结果一致。平行于结合界面，随着离熔覆层中心距离的增加，硬度值没有呈现明显的变化规律（如图5b）。

　　熔覆层部位3分析与讨论为了分析实验结果，必须确定局部凝固特性（界2期曾大文等： Ni基合金激光熔覆层组织特征及凝固过程的研究面形状因子和冷却速率在解析模型基础上，我们通过对其修正，开发出计算激光熔覆温度场分布和凝固特性的软件（有关激光熔覆解析模型见文献[6]）。依据解析模型，可以计算出熔覆层特征凝固参数（具体计算方法见文献[7 ]）。由于缺乏Ni基合金粉末的热物性参数，通过查阅Ni和Fe的热物性参数，采用调和平均的方法，计算出Ni基合金粉末热物性参数，熔点T由相图查得。

　　实验结果表明基材与多道熔覆层结合界面存在白亮带，而单道与多道熔覆层结合界面为亚共晶组织。显然，前者为稳定界面，后者为不稳定界面。对于扫描速度为5 mm /s的试样，单道与多道激光熔覆工艺条件是基本相同，传热条件也基本相同，但结合界面化学成分相差很大，通过电子探针分析，前者为后者为依据成分过冷理论，凝固组织不稳定性生长的判据为： G /V为浓度梯度）。依据FeNi相图，可计算出稳定界面的浓度梯度G　2，不稳定界面的浓度梯度G　2.图6为形状因子随离结合界面距离的变化。图6可清楚地表明，稳定界面的白亮层厚度为4. 32μm，与实验值在同一数量级上。而不稳定结合界面则满足不稳定生长条件，不存在白亮带。因此化学成分是影响界面形状稳定性的主要因素。

　　化的曲线。结果表明，离结合界面距离的增加，冷却速率随之增加。依据凝固理论，熔覆层V（ Ni， Fe）初生枝晶组织和条块状共晶碳化物组织特征尺寸随之减小，产生组织不均匀性。提高扫描速度，凝固速率R也随之提高，条块状共晶碳化物组织特征尺寸随之减小，熔覆层硬度提高，并且熔覆层组织均匀性得到改善。

　　稀有金属材料与工程29卷4结论基激光熔覆层组织由初生枝晶碳化物共晶组织构成。共晶碳化物呈条状、块状、针状或菊花状分布在基体上，存在组织多样性，共晶碳化物其具体形态由化学成分决定。

　　2）单道熔覆层与多道搭接熔覆层间结合界面组织为一种细小的亚共晶组织。说明化学成分是决定结合界面组织形态的重要因素。

　　3）随离结合界面距离的增加，熔覆层组织逐渐变细，垂直于结合界面方向存在一定程度的组织不均匀性。

　　4）随着扫描速度的提高，熔覆层组织明显细化，硬度提高，组织不均匀性得到明显改善。