钛合金粉末激光熔敷
WEN Jialing NIU Quanfeng XU Yanmin
摘要：这篇文章旨在如何通过利用B，Si和Cr等元素提高硬度和耐磨性，利用稀土元素提高合金性能。基于铁基合金（Fe-Cr-Ni-B-Si-Re）的实验，通过一系列的实验和综合分析，包括表面质量、频谱复合、显微硬度、显微扫描和综合评价，得到最优方案。结果，Fe-Cr-Ni-B-Si-Re涂覆材料具有很好的性能。
关键字：激光熔敷；微观结构；合金；硬度
1 前言
激光熔敷是目前最具发展前景的表面改性技术之一，它能花费很小的代价在一种普通材料表面形成很好的性能。从而节约稀有材料和贵重材料。其应用前景极其广阔。作为一种表面硬化材料，Fe-Cr-Ni-B-Si-Re是自溶性合金，在正常温度范围之内和400℃以下，它的耐磨性比WC-Ni基合金、钴基合金以及其他铁基合金都要好。考虑到下列因素，同钴基合金、镍基合金、陶瓷相比铁合金在激光熔覆方面的优越性能，稀有元素的节约，与基体熔覆的可比性，与其他合金相比更低的成本，利用铁基进行激光熔敷具有战略性意义和重要的经济价值。
2 实验
2.1 设计目的
本文目的在于找到每种合金的最佳比例，以优化经济方案，提高激光熔敷技术，活的光滑的非氧化熔覆表面，更好的湿度效果和适当的稀释率。用做实验的熔融包层不能有宏观和微观缺陷且耐磨硬度应大于58HRC.
2.2 样品和尺寸
实验所用样品是Q235B钢，这种钢在工业上广泛应用。考虑到激光熔敷的特点，更大的功率密度和简便的操作，样品的尺寸定为40mm×30mm×10mm.
2.3 激光技术参数
用于实验的技术参数如下：
的最大输出功率：2KW)；焦点直径：3mm；扫描速率：14.3mm/s；熔覆功率：1800W(CO
2
层厚度：0.5mm；保护气体：氩气.
2.4 合金系列，因素和建议
选择合金系列的原则：保证熔覆层的整体性能，避免破裂。另外还需考虑成本。
合金系列选定为：Fe-Cr-Ni-B-Si-Re.
为保证实验效果，铁基合金的含碳量约为0.7%.
为保证耐磨性和硬度，需要适当加些微量元素，如B,Si,Cr.出于廉价和高性能的目的，指导和水准的选择取决于共同部件，如活塞环、汽缸盖、铰刀、模具、阀门等。
为提高合金熔覆层的韧性和合金性能，需适量添加稀土元素。
根据正交设计理论，B,Si,Cr,Re是用于调节的。在含量选择上，可采用等差阵列。实验采用“有四个变量和三个阶段的正交试验”。实验根据L9(34)做九次，每种元素的含量如下：
B(1. 5%, 3%, 4. 5%), Si (2.5%,3.5%,4.5%), Cr(13%, 16.5%,20%),Re （1%,3%,5%）,Ni(9%),C(约0.7%)，其余是铁。
3 结果与讨论
3.1 表面质量分析
根据上面提到的实验结果，可以得到如下结论：纤维是激光熔敷中的理想粘结材料。尽管纤维用作粘结材料会带来诸如小斑点和氧化等弊端，但是它能提高表面平整度。在熔融的过程中，碳氢元素是引起小斑点和氧化的主要因素。由于存在碳和氢，难免会产生气体。气体在表面聚集和放大，并偏离熔池，破坏了氩气保护氛围，同时，导致金属液滴飞溅。通过查找参考书，我们发现如果将粘结材料的含量提高到2%，激光熔覆质量将会更好。为减少氧化和熔层飞溅，预先制好的涂层会受到影响。
3.2 样品分析
激光熔敷样品检测旨在了解合金变化规律以及在熔覆过程中引起变化的原因，包括快速加热和快速冷却。碳元素的含量约为0.7%.通过使用能谱分析装置测定熔覆层成分，熔覆近似成分和涂层表明合金的转变率很高但稀释率很低。
3.3 硬度分析
用HVS-1000显微硬度测试仪进行硬度测试。力为：2.94N(300g),持续时间：20s.测试点之间距离：0.08mm.
样品8和9的平均硬度超过1000HV.实验数据表明，尽管熔覆层厚度只有0.5mm，但是铁基合金激光熔敷的熔覆层硬度达到了一个很高的水平。这种高硬度、无裂纹的熔覆层能高效地提高合金耐磨性。
运用公式 2.1和公式 2.2，微硬度可转换为洛氏硬度：
相关转换数据列于表1.洛氏硬度和图表所列硬度差小于HRC2.
表1 洛氏硬度
从表1可以看出，样品7,8,9的硬度超过了62HRC，超出预测硬度58HRC.另外，样品3,4,6,7,8,9也都超出了预测值。实验结果证明，B元素在激光熔覆中显著影响硬度。
硬度测试数据表明B元素对应度的影响是最显著的，在以Fe-Cr-Ni-B-Si-RE作为粘结材料在铁基上进行激光熔敷的实验中，元素Si的影响是次要的，且Re和Cr的影响不明显。分离出的具有高硬度的FeB相是因为B元素的重要影响。
3.4 显微结构分析
由于激光热处理温度迅速升高和降低的特性，金属在熔池中经历很短的时间就会凝固，这就造成了铁基激光熔敷的不平衡组织。铁基激光熔敷的熔覆层中最为典型的结构
就是马氏体和残余奥氏体。奥氏体的转化和成长决定结构的基本形状。在液相熔池中，奥氏体首先去核。由于快速冷却和大冷却度，核心比很高。在激光熔覆过程中，熔池的持续时间变短，由奥氏体转变为马氏体所形成的核心形状将会提前。结果是得到的颗粒将会非常好。见图1,2.
图1 样品8的熔覆层组织
图2 样品9的熔覆层组织
4 结论
通过实验和一系列对在铁基表面进行激光熔敷Fe-Cr-Ni-B-Si-RE的理论分析，包括表面质量，光谱结构，显微硬度以及电镜扫描等，可得出如下结论：
a)表面质量分析表明，尽管用作粘结材料的纤维会带来诸如小斑点和氧化之类的
弊端，但它却能提高表面平整度。关于这一点，一个很好的例子就是具有高含
