30CrMnSiNi2A表面激光熔敷不同粉末涂层组织与性能对比研究

30CrMnSiNi2A 表面激光熔敷不同粉末涂层组织与性能对比研究 Comparative Study on the Organization and Properties of Different Powder Coatings by Laser Melting on the Surface of 30CrMnSiNi2A first-author 程宗辉（1978—），男，硕士，高级工程师，主要从事激光熔覆、激光3D打印、气雾化制粉领域的研究。E-mail：13625535177@139.com。 程宗辉（1978—），男，硕士，高级工程师，主要从事激光熔覆、激光3D打印、气雾化制粉领域的研究。E-mail：13625535177@139.com。 13625535177@139.com 国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241007 国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241007 State-owned Wuhu Machinery Factory，Wuhu 241007，China State-owned Wuhu Machinery Factory，Wuhu 241007，China 超高强度低合金钢30CrMnSiNi2A被广泛应用于航空装备领域，在长期服役过程中经常面临因损伤和磨损导致的性能退化问题，严重影响航空装备的安全服役。为达到或超过原服役性能要求，提高服役寿命，采用激光熔覆技术在30CrMnSiNi2A基体表面分别制备0.3 mm厚超高强度高合金钢AF1410与不锈钢1Cr15Ni4Mo3N熔覆层，表征和分析对比研究两种不同熔覆层的微观组织形貌、弹性模量、显微硬度和摩擦磨损性能。两种粉末制备的熔覆层与基体之间均为冶金结合，AF1410 熔覆层组织更致密，无明显气孔；相对于熔覆层1Cr15Ni4Mo3N与基体30CrMnSiNi2A，熔覆层AF1410有着更高的显微硬度与弹性模量，更好的摩擦磨损性能；三者磨损机理均以磨粒磨损和氧化磨损为主。该研究将为在超高强度低合金钢30CrMnSiNi2A上激光制备耐磨涂层应用提供理论指导。 Ultra high strength low alloy steel 30CrMnSiNi2A is widely used in the field of aviation equipment. In the process of long-term service， it often faces the problem of performance degradation caused by damage and wear， which seriously affects the safe service of aviation equipment. In order to meet or exceed the original service performance requirements and improve service life， laser cladding technology was used to prepare 0.3 mm thick ultra-high strength high alloy steel AF1410 and stainless steel 1Cr15Ni4Mo3N cladding layers on the surface of 30CrMnSiNi2A substrate respectively.The microstructure， elastic modulus， microhardness and friction and wear properties of the two different cladding layers were characterized and analyzed. The metallurgical bond between the clad layer and the substrate was observed for both powders， with the AF1410 clad layer being more dense and free of significant porosity. Compared to the clad layer 1Cr15Ni4Mo3N and the matrix 30CrMnSiNi2A， the clad layer AF1410 has higher microhardness and elastic modulus， and better frictional wear properties； the wear mechanisms of all three are mainly abrasive and oxidative wear. The research work will provide theoretical guidance for the application of laser preparation of wear-resistant coating on ultra-high strength low alloy steel 30CrMnSiNi2A. 激光熔覆 AF1410 1Cr15Ni4Mo3N 摩擦磨损 laser cladding AF1410 1Cr15Ni4Mo3N frictional wear 前言 1 随着新型航空装备向着智能化、长效化、轻量化方向发展，大量先进复合材料及特种合金被应用于高端航空零部件制造领域 ［ 1 1 - 2 2 1-2 ］ 。30CrMnSiNi2A是一种超高强度低合金钢，拥有极佳的静力强度、冲击韧性和抗疲劳性能，被广泛用于关键航空零部件如轴类、连接件和起落架等的制造 ［ 3 3 ］ 。然而，在长期使用过程中因飞行环境恶劣、机械负荷复杂及工作强度高，30CrMnSiNi2A钢极易产生损伤或失效，导致性能退化，严重威胁航空装备的飞行安全。　　近年来激光熔覆修复航空零件发展迅速。激光能量密度高，加热速度快，对基材的热影响较小，引起工件的变形小，是一种高效的表面强化、快速修复及再制造手段，在高强钢构件表面熔覆同种成分或近似成分的铁基涂层材料，可获得晶粒细化、高位错密度的修复层，从而实现修复层高强度、高韧性的力学性能，因此在高强钢构件表面修复上具有潜在的优势 ［ 4 4 - 7 7 4-7 ］ 。30CrMnSiNi2A钢对缺口和氢脆（包括环境氢脆）较敏感，在激光热循环作用下极易产生裂纹，学者们对此进行了大量的研究。孙兵兵等 ［ 8 8 ］ 采用激光熔覆技术对30CrMnSiNi2A钢工艺件进行再制造，结果表明熔覆试样的室温拉伸性能达到母材的92%，冲击韧性超过了母材，耐磨性能与母材相关，耐蚀性优于母材；周潇等 ［ 9 9 ］ 采用激光送丝堆焊技术对预置缺陷的30CrMnSiNi2A超高强度钢进行修复，结果显示在最佳工艺参数下，修复件的抗拉强度达到原件设计标准，断口出现在堆焊层，预置缺陷临界修复尺寸为板厚的30%。徐采星 ［ 10 10 ］ 开展了基于30CrMnSiNi2A钢的飞机起落架激光熔覆再制造工艺研究，结果表明在30CrMnSiNi2A钢表面制备20% WC-Ni复合涂层组织致密，与基体结合良好，其硬度为基体材料的1.24倍，耐磨减磨性能优异，可以达到修复工件的目的。　　本文采用激光熔覆技术在30CrMnSiNi2A钢基体表面分别制备AF1410与1Cr15Ni4Mo3N熔覆层，对比研究两种不同熔覆层的微观组织、显微硬度、弹性模量和摩擦磨损性能，以期为30CrMnSiNi2A熔覆材料的选择提供参考。 试验材料与设备 1 试验材料 2 试验用基体材料为调制态30CrMnSiNi2A，热处理工艺为900 ℃淬火+200 ℃回火，其组织为马氏体组织，形貌如图如 图1a 图1a 所示。熔覆层材料分别为AF1410和1Cr15Ni4Mo3N合金粉末，其化学成分如 表1 表1 所示。两种熔覆粉末的表面形貌如图 1b 1b 、 1c 1c 所示，可以看出，两种合金粉末均为球形颗粒且相对均匀，AF1410粉末粒径约为200~300 μm，1Cr15Ni4 牌号 C Si P Mo N Cr Ni Mn Co 30CrMnSiNi2A 0.11~0.16 ≤0.7 ≤0.03 2.3~2.8 0.05~0.10 14~15.5 4.0~5.0 — — 1Cr15Ni4Mo3N 0.09~0.14 0.10~0.93 — 2.2~2.7 0.03~0.08 13.2~15.2 4.1~5.3 0.47~0.98 — AF1410 0.13~0.17 0.15-0.2 — 0.9-1.1 0.05~0.10 1.8~2.2 9.5~10.5 — 13.5~14.5 Mo3N粉末粒径约为50~100 μm。AF1410为二次硬化超高强度钢，具有高强度、高断裂韧性以及良好的抗应力腐蚀性能；1Cr15Ni4Mo3N为半奥氏体沉淀硬化型不锈钢，具有高强度、高韧性、优良的纵横向性能和耐腐蚀性能，可在300 ℃长期工作，工艺性能良好。这两种材料与基体30CrMnSiNi2A都具有良好的冶金结合性能，但是其组织与性能存在一定的差别 ［ 11 11 - 12 12 11-12 ］ 。 1,2,3; 试验用激光熔覆设备型号为LFR-M-Ⅱ，如 图2 图2 所示。熔覆时粉末由送粉器送出，经过同轴送粉喷嘴送进激光熔池，熔覆过程中采用氩气保护，以减少熔覆层缺陷的形成。激光熔覆参数如 表2 表2 所示，采用多道搭接熔覆，搭接率40％~50%，单道熔覆层高度不大于0.5 mm。熔覆前需对熔覆粉末进行烘干并在真空干燥箱中保存待用，同时清理基材待熔覆区域的表面，以减少表面缺陷对激光熔覆工艺造成的影响 ［ 14 14 ］ 。 激光功率 P /W 扫描速度 v /（m·s -1 ） 光斑直径 Φ /mm 送粉速率 v /（g·min -1 ） 保护气流量 Q /（L·h -1 ） 1 200 0.01 2 8 400 摩擦磨损试验机 2 摩擦磨损试验采用球盘线性往复运动模式，摩擦磨损试验机型号为美国RTEC公司的MFT-5000，上试样是WC（碳化钨）、SiN（氮化硅）或钢球（直径 Φ 12.7 mm），下试样为处理好的熔覆层试样和基体试样。磨损试样以及摩擦磨损试验机原理如 图3 图3 所示。实验在室温环境下进行，过程为基体和熔覆层的干摩擦，实验载荷和速度分别为100 N和20 mm/s，钢球往复运动距离1 mm，摩擦时间30 min。摩擦实验完成后，试样无需清洗，直接保存。 1,2; 试验结果与分析 1 微观组织形貌 2 采用Olympus GX41金相显微镜观察微观组织形貌（金相腐蚀剂为4%的硝酸酒精溶液），图 4a 4a 、 4c 4c 分别为熔覆AF1410和1Cr15Ni4Mo3N试样的横截面形貌，图 4b 4b 、 4d 4d 分别为其熔覆层显微组织金相。由图 4a 4a 、 4c 4c 可知，AF1410熔覆层组织致密，为回火马氏体+回火索氏体组织，没有组织偏析，与基体冶金结合良好，未出现气孔、裂纹等缺陷。由 图4d 图4d 可知，1Cr15Ni4Mo3N熔覆层组织由柱状晶构成，熔覆层搭接区域明显，在搭接区有较大的重熔比，使柱状晶由下一层向上一层持续生长。此外，熔覆层出现少量气孔，可能对其力学性能产生一定的影响。 熔覆层的晶体结构 2 使用BmkerD8X射线衍射仪进行Ｘ射线衍射分析，Cu靶，Ｋα射线，Ｘ射线衍射角度分别为30°~100°。熔覆层AF1410和1Cr15Ni4Mo3N的 XRD 图谱如 图5 图5 所示。可以看出，熔覆层AF1410和1Cr15Ni 1;2;3;4; 4Mo3N都有4个明显的特征峰。通过Made Jade6.0软件中与PDF-06-0696对比，熔覆层在2 θ 分别为44.6°、65.02°、82.3°时为Fe的特征峰，AF1410熔覆层在2 θ 为50.07°时为Co的特征峰，1Cr15Ni4Mo3N熔覆层在2 θ 为43.47°时为FeNi的特征峰。对于其他出现的特征峰峰值不明显，且难以比较出合适的2 θ 。通过对比还发现，熔覆层AF1410的半高宽明显小于熔覆层1Cr15Ni4Mo3N，说明AF1410的结晶性能更好。此外，从其组织结构也可以看出，相对于1Cr15Ni4Mo3N熔覆层， AF1410熔覆层组织更致密，缺陷更少，这不仅有利于提高其结晶性能，同时可提高其耐磨性。在后续研究中，对其耐磨性也进行了研究，实验结果与分析一致。 基体及熔覆层的纳米压痕 2 基体及熔覆层的纳米压痕载荷-位移曲线如 图6 图6 所示。可以看出，熔覆层AF1410的最大压痕深度和面积最小，基体30CrMnSiNi2A次之，熔覆层1Cr15Ni4Mo3N最大。由此可见熔覆层AF1410硬度最大，基体次之，熔覆层1Cr15Ni4Mo3N硬度最低。原因在于AF1410碳当量最大，其通过激光急冷急热循环形成的马氏体含量最多，叠加激光热加工硬化，其熔覆层硬度最高；30CrMnSiNi2A碳当量次之，马氏体含量次之，同时未经过激光热急冷急热循加工硬化，故其硬度次之；1Cr15Ni4Mo3N碳当量最低，且其激光急冷急热循环过程中存在残余奥氏体组织，马氏体含量最低，故其硬度最低。此外，分别从曲线中取5个点并作出材料各区域的弹性模量及显微硬度的平均值，结果如 表3 表3 所示。由表可知，熔覆层AF1410的显微硬度和弹性模量最高，熔覆层1Cr15Ni4Mo3N的显微硬度和弹性模量最差。根据 H / E 的值可初步判断熔覆层及基体材料的耐磨性， H / E 值越大其耐磨性越好，故熔覆层AF1410的耐磨性远大于熔覆层1Cr15Ni4Mo3N的耐磨性。 基体及熔覆层 弹性模量 E /GPa 显微硬度 H /GPa H / E 30CrMnSiNi2A 260 7.5 0.028 8 AF1410 277 8.3 0.029 9 1Cr15Ni4Mo3N 254 6.3 0.024 8 基体及熔覆层的摩擦磨损性能 2 基体与熔覆层的摩擦系数曲线如 图7 图7 所示，基体和熔覆层摩擦曲线变化基本一致。在起始阶段（即磨合期），基体与熔覆层的摩擦系数在短时间内迅速增加。这是由于摩擦面的保护膜与不锈钢开始接触时起到润滑作用，因此摩擦系数低。随着摩擦运动的进行，基材与摩擦表面直接接触使摩擦系数快速上升，并且这一阶段中，摩擦系数波动幅度较大，可能与摩擦过程中的磨屑、硬质物的剥落及材料粘着等因素有关。经过一段不稳定时期后，摩擦系数基本趋于稳定，这是由于摩擦过程中随着材料表面温度不断升高，材料表面出现了氧化磨损，磨屑产生和溢出的基本平衡导致摩擦系数稳定。由 图7 图7 可知，熔覆层AF1410的摩擦性能最好，基材30CrMnSiNi2A次之，熔覆层1Cr15Ni4Mo3N最差，这也与其纳米压痕的测试结果一致。对于熔覆层AF1410，最大摩擦系数为0.48，平均摩擦系数为0.32；对于熔覆层1Cr15Ni4Mo3N，最大摩擦系数为0.59，平均摩擦系数为0.47；对于基材30CrMnSiNi2A，最大摩擦系数0.47，平均摩擦系数0.4。 为研究基体及熔覆层的磨损机制，对其磨损形貌进行表征分析。 图8 图8 为基材30CrMnSiNi2A、熔覆层AF1410、熔覆层1Cr15Ni4Mo3N经过1 800 s的磨损扫描电镜形貌。可以看出，在相同摩擦时间内，熔覆层AF1410摩擦磨损面积最小，熔覆层1Cr15Ni4 1;2;3; Mo3N摩擦磨损面积最大。所有磨损区域都伴有氧化膜层的开裂及剥落，氧化层剥落区域中可以看到一些磨屑颗粒，并且磨痕表面有大量密集而较深的犁沟，熔覆层1Cr15Ni4Mo3N及基材30CrMnSiNi2A的这种现象更为明显 ［ 15 15 - 16 16 15-16 ］ 。且摩擦磨损过程中，基体和熔覆层以磨粒磨损和氧化磨损为主。这是因为随着磨损时间的增加，摩擦热增加，氧化膜层不断产生，其膜层开始开裂、剥落，促使磨粒、磨屑增加，进而导致表面粗糙度增加，使得氧化磨损机制占主要地位。 熔覆层的塑韧性 2 将AF1410与1Cr15Ni4Mo3N合金粉体经激光成形为长方形实体，经机械加工制备成标准拉伸试样与冲击试样并进行测试，其结果如 表4 表4 所示。由表可知，熔覆态的AF1410抗拉强度高于熔覆态的1Cr15Ni4Mo3N，但其塑韧性低于1Cr15Ni4Mo3N，原因是AF1410碳当量以及合金含量较高，合金元素对熔覆层结构有着非常强烈的固溶强化作用，故其抗拉强度较高；1Cr15Ni4Mo3N材料中含有的Ｎｉ能够大幅提高1Cr15Ni4Mo3N材料的塑韧性，故1Cr15Ni4Mo3N熔覆层塑韧性较高。 材质 抗拉强度 R m /MPa 延伸率 δ /% 冲击韧性 Akv /（J·cm -2 ） AF1410 1 650 12.5 48.9 1Cr15Ni4Mo3N 1 490 17.3 53.8 结论 1 （1）激光熔覆制备的AF1410 熔覆层与1Cr15Ni 4Mo3N熔覆层与基体之间结合均为冶金结合，AF1410熔覆层组织更致密，无明显气孔。 （2）AF1410熔覆层弹性模量和显微硬度均优于1Cr15Ni4Mo3N熔覆层，但AF1410熔覆层的塑韧性低于1Cr15Ni4Mo3N。 （3）AF1410熔覆层抗磨损性能优于1Cr15Ni4Mo3N熔覆层，三者磨损机理均以磨粒磨损和氧化磨损为主。 （4）该研究工作将为在超高强度低合金钢30CrMnSiNi2A上激光制备耐磨涂层应用提供理论指导，下一步将开展激光制备耐磨涂层组织机理研究。 参考文献 苏亚东 ， 吴斌 ， 王向明 . 增材制造技术在航空装备深化应用中的研究 ［J］. 航空制造技术 ， 2016 （ 12 ）： 42 - 48 . 增材制造技术在航空装备深化应用中的研究 Su Yadong ， Wu Bin ， Wang Xiangming . 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