激光熔覆EA4T钢热影响区组织转变及力学性能研究
Study on Microstructure Transformation and Mechanical Properties of Heat Affected Zone of Laser Cladding EA4T Steel
- 2022年52卷第8期 页码:72-80
DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2022.08.10
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以EA4T钢车轴为研究对象,利用铁基粉末Fe314对EA4T车轴进行激光熔覆再制造试验,采用光学显微镜和扫描电镜分析热影响区的相组成,讨论了激光熔覆EA4T钢热影响区微观组织转变,并测试了界面区域合金元素分布和界面微观力学性能。研究结果表明:激光熔覆EA4T钢热影响区组织主要为板条马氏体组织,在接近界面区域奥氏体匀质化和碳化物的溶解过程很不充分,晶粒粗大;在热影响区的细晶区,其微观组织主要为马氏体和少量索氏体组织,且呈一定的方向性;另外在激光熔覆工艺条件下,EA4T钢热影响区所经历的最高温度对组织演变及力学性能起决定性作用,在结合区位置合金元素出现突变,晶粒取向明显,热影响区的抗剪切强度增加,但压入率降低。
Laser cladding of EA4T steel,the phase composition of the heat affected zone was analysed by optical microscopy and scanning electron microscopy. The effect of laser cladding on the microstructure transformation of the heat affected zone of EA4T steel was discussed. The distribution of alloying elements and the micromechanical properties of the interface were measured. The results showed that the microstructure of the heat affected zone (HAZ) of laser cladding EA4T steel was mainly lath martensite. Near the interface area, the homogenization of austenite and the dissolution of carbides were not sufficient, and the grains were coarse. In addition, under laser cladding process conditions, the highest temperature experienced in the heat affected zone of EA4T steel played a decisive role in organizational evolution and mechanical properties. With abrupt changes in alloying elements at the location of the bonding zone, significant grain orientation, shear strength in the heat affected zone increased, but indentation rate reduced.
EA4T钢为低碳合金钢,具有强度高、韧性和抗疲劳强度性能好等优点,是目前高速列车空心车轴广泛采用的一种低碳高合金钢材料。车轴材料要求具有较高的强度、塑性和良好的抗疲劳性能,国内外目前仍将C、Mn含量较高或含Cr、Mo的合金钢材料作为车轴材料的首选。由于随着C含量的增加,合金钢的屈服强度和抗拉强度增加,但塑性和韧性相对降低,因此C在车轴钢中的含量至关重要,国外用于车轴的优质碳素钢中C含量基本控制在0.4%左右。在性能方面,多种合金元素的联合加入可以使材料由单一性能到具有优良的综合性能,从而满足车辆在不同受负荷状态下的工况需要[
激光熔覆技术是利用高能激光冲击材料表面,使基体表面薄层与熔覆材料共同熔化并快速凝固,形成冶金结合层,有效修复损伤,改善疲劳性能,是维修和冶金行业的研究重点。激光熔覆是一个极快速的动态熔化与结晶过程,因此在基体熔化边界处,熔覆层组织在部分熔化的基体金属上非均质形核,熔覆层中的元素易产生稀释作用,导致结合界面缺陷、力学性能匹配困难等问题[
试验用激光熔覆系统如
图1 试验用激光熔覆系统
Fig.1 Cladding equipment
对于一定的基体材料,选择适当的熔覆材料是获得良好表面、内在质量以及优异性能熔覆层的关键。从熔覆层成形和应力控制角度来说,熔覆材料与基体材料的热膨胀系数应相近,以减小热应力和开裂;熔点相近,可以减小稀释率,保证冶金结合,避免熔点过高或过低造成熔覆层表面粗糙、气孔和夹杂;熔覆材料对基体材料应有良好的润湿性,可改善熔覆层成形。从满足性能要求的角度来说,应该根据零件工作条件选择具有相应性能的材料,包括耐磨、耐蚀、抗氧化和高硬度等。基于以上要求,本研究选用北矿新材料有限公司生产的适合激光熔覆且热膨胀系数与EA4T车轴钢相近的Fe314合金粉末(见
材料牌号 | 温度范围T/℃ | 平均线膨胀系数(1/℃) |
---|---|---|
Fe314 EA4T钢 |
20~600 20~600 |
14.34×10-6 14.14×10-6 |
图2 Fe314合金粉末颗粒形貌
Fig.2 Morphology of Fe314 alloy powder
材质 | C | Mn | Cr | Si | Ni | Mo | Fe | O | B |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Fe314 | 0.10 | — | 17.50 | 0.12 | 10.50 | — | Bal. | 0.048 | 0.65 |
EA4T | 0.26 | 0.74 | 1.04 | 0.34 | 0.26 | 0.25 | Bal. | — | — |
激光功率 P/kW | 扫描速度 v/(mm·min-1) | 送粉电压 U/V | 保护气流量 q/(L·min-1) | 送粉气流量 q/(L·min-1) |
---|---|---|---|---|
2.4 | 280 | 3.0 | 22 | 5 |
采用FeCl3(5 g)+HNO3(10 mL)+HCl(3 mL)+无水乙醇(87 mL)对熔覆后试样进行深度腐蚀,采用SN3400型扫描电子显微镜观察其组织形貌,利用D2500型X射线衍射仪(XRD)对试样进行物相和半定量化分析,测试前磨平、抛光试样,以保证测试数据的可靠性,采用CuKa靶材,步长为0.03°/s,角度为20°~100°。
为了研究熔覆后试样的界面特性,采用微型剪切试验方法对基体和熔覆层之间的结合强度进行评价。剪切试样的进给量由端部固定的螺旋测微仪推进,剪切间距可精确控制到0.01 mm,剪切速度设置为1 mm/min。微剪切试验试样尺寸为1.5 mm×1.5 mm×50 mm,如
图3 带熔覆层的微型剪切宏观试样形状及尺寸
Fig.3 Shape and size of macro shear sample with cladding layer
对剪切试样的表面精细抛光,然后采用4%硝酸酒精腐蚀,在体视显微镜下测量出结合区的位置,结合区距离熔覆层表面2.8 mm。热影响区宽度通过硬度试验确定。
激光能量密度和稀释率是影响熔覆层成形质量的重要因素。能量密度采用激光功率和扫描速度共同表征,其表达式为[
激光能量密度=激光功率光斑直径×扫描速度 | (1) |
激光线能量=激光功率扫描速度 | (2) |
试样 编号 | 激光功率 P/W | 扫描速度 v/(mm·s-1) | 熔深 h/mm | 熔高 H/mm | 熔宽 b/mm |
---|---|---|---|---|---|
0 | 1 800 | 5.0 | 0.36 | 0.96 | 3.07 |
1 | 2 100 | 5.0 | 0.54 | 1.04 | 3.34 |
2 | 2 400 | 5.0 | 0.63 | 1.21 | 3.72 |
3 | 2 400 | 5.3 | 0.65 | 1.22 | 3.90 |
4 | 2 400 | 4.7 | 0.51 | 1.27 | 3.38 |
5 | 2 400 | 4.0 | 0.47 | 1.42 | 3.32 |
图4 激光功率和扫描速度对高宽比和深宽比的影响
Fig.4 Effects of laser power and scanning speed on aspect ratio and depth-width ratio
微型剪切强度可以用来表征熔覆区与基体的结合强度。载荷-位移曲线上的载荷峰值虽然从一定程度上反映试样的抗剪切能力,但是由于每个试样在加工和细磨后,其横截面尺寸存在差异,所以引入剪切强度能够更加准确地表征熔覆层每个微区的抗剪切能力。在微型剪切中引入剪切截面压入率α来表征材料的塑性变形能力[
剪切强度为:
τ=FmaxA0 | (3) |
式中 Fmax为断裂时的最大剪力;A0为试样原始横截面积。
剪切截面压入率为:
α=A0-A1A0 | (4) |
式中 A0为原始横截面积;A1为断裂后最小截面积。
基体和Fe314粉末再制造试样的载荷-位移曲线如
图5 基体和熔覆试样的微剪载荷-位移曲线
Fig.5 Microshear load-displacement curves of matrix and remanufactured samples
Fe314熔覆试样熔覆层的剪切强度和压入率如
图6 F314粉末再制造试样熔覆层的剪切强度和压入率
Fig.6 Shear strength and pressureability of F314 powder remanufactured sample cladding layer
测量热影响区和结合区的热循环温度所用测温系统由热电偶和USB-9211A数据采集模块组成。首先在待熔覆工件的背面采用储能式点焊机将镍铬-镍硅热电偶的一端点焊固定,然后通过自动采集模块采集基体热影响区、结合区在激光熔覆过程中的温度变化,并进行数据处理,热循环曲线如
图7 热影响区和结合区的热循环曲线
Fig.7 Thermal cycle curve of heat affected zone and binding zone
热影响区分为粗晶区、细晶区和基体,其微观组织如
图8 激光熔覆热影响区的微观组织
Fig. 8 Microstructure of laser cladding heat-affected zone
在激光熔覆时,热影响区升降温速率普遍较高,高温停留时间短,因此,热影响区组织特征主要受热循环最高温度影响,它决定热影响区马氏体是否发生奥氏体相变,微观组织和析出相是否长大,是否溶解,晶粒取向等,最终决定热影响区的性能。激光熔覆EA4T钢后其界面的剪切强度增加但是压入率减小,激光熔覆后界面的抗塑性变形能力降低。文献[
图9 结合区域线扫描
Fig.9 Combine zone line scan
另一方面,激光熔覆过程冷却速率极快,故元素过饱和度越大,缺陷密度越大,热影响区强度均增加,塑韧性略有降低。对样品同一位置采用EBSD取向成像技术进行观察,熔覆层和界面的EBSD测试结果如
图10 界面部位EBSD
Fig.10 EBSD for interface parts
(1)随着扫描速度的增加,激光能量密度降低,熔覆层的高宽比减小,深宽比增大;随着激光功率的增加,激光能量密度增加,熔覆层的高宽比变化不再明显,深宽比增加较明显。激光熔覆应在保证熔覆层成形良好的基础上采用较小的线能量。
(2)激光熔覆EA4T钢热影响区组织均为板条马氏体组织,在接近界面区域奥氏体匀质化和碳化物的溶解过程也很不充分,晶粒粗大;在热影响区的细晶区,其微观组织主要由马氏体和少量的索氏体组织组成,且呈一定的方向性。
(3)激光熔覆工艺条件下,EA4T钢热影响区经历的最高温度对组织及力学性能演变起决定性的作用,在结合区位置合金元素出现突变,晶粒取向明显,结合界面处的强度增加而韧性降低,热影响区的抗剪切强度增加,压入率降低。
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