摘 要：在不同激光功率下对Q235B钢表面进行了激光熔覆，观察分析了不同功率下熔覆层的宏观表面形貌，测试了熔覆层的硬度，并进行了拉伸和冲击性能试验，所选用的合金粉末为Ni60+15%WC。研究结果表明，不同激光功率对熔覆层的表面质量有很大影响，随着激光功率的提高，熔覆层表面开裂的几率会增大；熔覆后的试件表面硬度和力学性能较基材都得到了提高，且激光功率P=3.0kW时提高程度最大，即硬度提高了227%，抗拉强度提高了14%～39%，冲击韧度提高了近50%。
关键词：Q235B；激光熔覆；合金粉末；硬度；力学性能
引言
金属表面激光熔覆强化技术是近年来发展起来的一种新型表面处理工艺，可有效地改善金属表面性能[1-3]。激光熔覆可以在廉价的基材表面得到具有耐磨、耐热和耐腐蚀等优良性能的熔覆层，在许多领域已得到了广泛的应用[4-5]。目前激光熔覆材料主要有Fe基、Co基、Ni基粉末和金属陶瓷粉末等，其中Ni基自熔合金具有良好的韧塑性、耐磨性、抗冲击性、润湿性和抗氧化性等[6-7]。
影响激光熔覆层质量的因素很多，但多数研究主要集中在以下几个主要因素：激光功率、扫描速度、搭接率等。文章采用激光熔覆技术在Q235B钢表面制备Ni60+15%WC合金熔覆层，对比研究了不同激光功率下熔覆层的表面宏观形貌、硬度及熔覆后试件的抗拉性能和抗冲击性能。
1 实验
1.1 实验材料
实验基材选用Q235B钢，其抗拉强度为375～460MPa，屈服强度为235MPa，洛氏硬度为18.2HRC，化学成分见表1。将金属基材加工成200mm×300mm×5mm的钢板试样，用金相砂纸打磨表面，再用无水乙醇清洗待用。试验选用自熔合金Ni60与WC混合的合金粉末作为熔覆层材料。Ni60为粘结相，粒度为140～320目，Ni60合金粉末的化学成分如表2所示。WC为硬质相，粒度为200～300目。将Ni60+15%WC粉末用混粉器混合均匀，加热200℃烘干2h待用。
1.2 激光熔覆试验
利用DL-HL-T5000B型横流CO2激光器对Q235B钢板试样进行熔覆试验，激光功率分别为2.5kW，3.0kW，3.5kW，3.8kW，扫描速度800mm/min，光斑直径5mm，搭接率为50%。激光器工作气体为CO2、N2和Ar，气体比例CO2：N2：Ar=1：8：7，气体纯度99.99%。
1.3 力学性能测试
待熔覆好的试板充分冷却后，将不同功率下的试板用线切割机分别切出10mm×10mm×6.5mm的试件，用HR-150DT型电动洛氏硬度计测量熔覆层的硬度；切出60mm×10mm×6.5mm的拉伸试件，用型号为WDW-100的微机控制电子式万能试验机对不同激光功率的试件做拉伸试验；切出55mm×10mm×6.5mm、V型开口的冲击试件，用JBS-300型摆锤式冲击试验机对不同激光功率的试件做冲击试验。试件切割完毕后，将其用无水乙醇在超声波清洗机中洗净。
2 实验结果与分析
2.1 熔覆层表面宏观形貌
待熔覆好的试板充分冷却后，观察不同功率下熔覆层表面形貌，如图1所示。
当激光功率为2.5kW时，未充分熔化的覆层材料冷却时在表面张力的作用下凝结成不连续的熔滴，这是由于功率太小而使功率密度太低，出现熔不透或者不能使合金粉末完全熔化的现象，造成表面不连续，熔覆效果差；当功率为3.0kW时熔覆效果比较理想，熔覆层表面平整光滑，连续性比较好；功率为3.5kW时，表面有少量裂纹；当功率继续升高到3.8kW时，功率过高，表面有较多裂纹，这是由于激光功率增大，合金熔化量增加，气孔产生的几率增加，涂层深度也随之增大，周围金属液体不断从气孔流入使气孔减小或消除，而当涂层深度达到极限深度后，随功率增大，等离子体也正比增大，基材表面温度迅速升高，熔覆层变形开裂程度加剧。
2.2 熔覆层硬度
从图2可知，随着激光功率的增加，洛氏硬度出现先增后减的趋势，当激光功率P=3.0kW时平均硬度值最大，为59.5HRC。熔覆层的平均硬度在57～59.5HRC之间变化，是基体平均硬度的3.1～3.3倍，相对于基体，熔覆层的硬度得到了显著提高，最大提高了227%。这是由于激光功率增加，作用于熔覆层材料的激光功率密度增大，单位时间内激光束提供给覆层材料的能量加大，熔覆层内的硬质相充分溶解以形成更多的金属碳化物、硼化物，使得熔覆层的显微硬度增大。但当激光功率超过一定程度后，熔覆层的稀释率加大，覆层中含有基体硬度低的元素的分量增大，且晶粒变粗大，WC硬质相烧损率加大，使得熔覆层的硬度开始降低。
2.3 拉伸试验
当P=2.5kW时，熔覆层的宏观形貌较差，没有形成连续的激光熔覆层组织而不再进行分析。由拉伸试验得到各试件的试验力-位移曲线如图3所示，各试件抗拉强度如表3所示。
由表3可知，熔覆后的试件较基材Q235B钢的抗拉性能有明显的提高。熔覆后的试件的抗拉强度最大为522.17MPa，是基材的1.14～1.39倍，抗拉强度提高了14%～39%；并且功率过高和过低均会不同程度的降低熔覆层的抗拉强度，这是由于功率较低时，合金粉末熔化不够充分，而功率过大则会使熔覆粉末出现烧损。
2.4 冲击试验
冲击试验机最大冲击能量为150J，摆锤预扬角为150°，摆轴中心至打击中心的距离750 mm。由表4可以看出，熔覆后的试件的冲击韧度相对于熔覆前有明显的提高，是基材冲击韧度的1.2～1.5倍，尤其当功率为3.0kW时，提高了近50%。
3 结束语
选择合适的激光熔覆功率，可以获得表面质量较好、力学性能较强的熔覆层表面。当熔覆Ni60+15%WC复合粉末时，功率为3.0kW，激光熔覆层的表面质量最好，显微硬度是基材的3.3倍，熔覆后试件的抗拉强度和冲击韧性分别是基材的1.14～1.39倍和1.5倍。
参考文献
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