文章简介
原位热处理对激光熔覆420涂层的影响
  

要:本文利用光纤激光器在Q235基材表面,分别采用连续扫描(continuous scanning, 0 s)和间断扫描(idle scanning, 210 s)两种方式制备了420马氏体不锈钢涂层。采用先进材料表征技术对比研究了所得涂层的组织和力学性能。结果表明,间断扫描显著提高420涂层的力学性能。连续扫描试样显微组织分布均匀,其抗拉强度1368 MPa,然而,断后伸长率仅为3.91%;间断扫描试样由于产生了原位回火效应,组织明显得到细化,其抗拉强度和断后延伸率分别为1500 MPa10%

关键词:激光熔覆;420;显微组织;力学性能

Effect of in-situ heat treatment on laser-cladded 420 coatings

HU-Jipeng

School of Mechanical Engineering, University of South China,

Hengyang, Hunan 421001, China

ABSTRACT: In this work,a fiber laser was utilized to prepare 420 MSS coatings on Q235 steel substrate by continuous scanning and idle scanning (the laser was switched off 210s between each layers), respectively. The microstructure and mechanical properties of the coating were investigated by using advanced material characterization techniques. The results show that the mechanical properties of the laser-cladded 420 MSS coating can be significantly improved by idle scanning way. The microstructure of the continuous scanning sample was distributed uniformly, which tensile strength of 1368 MPa and elongation of only 3.91%. The microstructure of idle scanning specimen was refined significantly due to the in-situ tempering effect. The idle scanning sample possesses the tensile strength of 1500 MPa and elongation up to 10%.

Key words: laser cladding, 420, microstructure, mechanical properties

0 引言

激光熔覆作为一种新型激光增材制造技术所制备的涂层与基体呈冶金结合、小的热影响区、低稀释率等优势[1-3],可在低成本的合金表面制备高性能涂层。因此,激光熔覆技术受到了学术界和工业应用的广泛关注。420马氏体不锈钢(Martensitic Stainless SteelMSS)由于具有较好的力学性能已被广泛应用于制造具有高机械性能和中等机械性能的部件[4]。因此,本研究采用激光熔覆在Q235基材上制备420马氏体不锈钢涂层,研究不同激光层间停留时间的熔覆层的组织和性能,对激光增材制造力学性能优异的420涂层有指导意义。

1 试验

尺寸为110 mm×60 mm×16 mmQ235作为基体材料涂层材料为420 MSS粉末平均的涂层粉末材料直径大约75 μm同时,表1中列举出了基体和粉末的化学成分。本研究采用的是光纤激光器作为热的发射源。同时,采用同轴送粉的方式、多道搭接(搭接率为50%)模式激光熔覆制备多层涂层。激光工艺参数如下:激光能量密度为430 W/mm2,扫描速度为480 mm/min,送粉量为8g/min,另外,激光熔覆过程中的保护气体和送粉气体均为氩气且气流量为8 L·min-1。在上述的激光工艺参数下,采用激光熔覆层层间不停留(0s)和激光熔覆每层间停留210s的不同扫描方式分别制备出了420马氏体不锈钢激光熔覆层。并且对熔覆层最表层磨削约1 mm以便获得较平整的试样。

1 420MSS粉末的化学成分(wt.%

Table 1 Chemical compositions of 420 MSS powders (wt.%)


Element

C

Cr

Ni

Si

Mn

Fe

420 MSS

0.19

13.2

0.51

0.80

0.91

Bal.

采用扫描电镜(Scanning Electron MicroscopeSEM对比观察截面涂层的显微组织和拉伸断口形貌。熔覆层的拉伸力学性能是通过万能材料试验机进行测试

2 试验结果与分析

2.1 显微组织

1为采用两种方式制备涂层SEM图。通过对比两种组织发现,采用间断扫描方式试样的显微组织得到了明显细化。这主要是由于层间停留210s,有足够的时间使得前一熔覆层温度降至Ms点以下,当后一层熔覆时,相当于对前一层进行了一次原位回火热处理。从马氏体中析出了过饱和的碳元素,从而降低了马氏体的过饱和度,因此形成了较为细小的回火马氏体[5]

1 不同扫描方式制备的涂层试样SEM

a)连续扫描试验;(b)间断扫描试样

Fig.3 SEM images of samples by different scanning modes

(a) continuous scanning sample; (b) idle scanning sample

2.2 力学性能

采用两种方式所制备的涂层的力学性能曲线和断口形貌如图2所示对比图2a可以清楚得知,采用间断扫描方式所制得涂层的抗拉强度和延伸率均优于连续扫描方式制备涂层。其中,采用间断扫描的方式所制得的涂层的抗拉强度和延伸率分别为1500 MPa10%。然而,采用连续扫描的方式制备的涂层的抗拉强度为1368 MPa,但延伸率仅为3.91%这主要是因为细小的回火马氏体的形成同时提高了强度和韧性[6]。从断口形貌图2b2c,连续扫描试样的断口表现为较为平整的表面可以看出存在撕裂棱和解理面,并且可以看到断口中存在些许微裂纹,为脆性断裂的特征形貌;而间断扫描试样颈缩现象可以被明显地观察到且伴随有剪切唇,此外,在高倍的断口形貌图发现大量的韧窝,为韧性断裂的特征形貌

2 激光熔覆试样的力学性能a和断口形貌b-c

(a) 拉伸曲线;(b)连续扫描涂层;(c)间断扫描涂层

Fig.2 Mechanical properties (a) and fracture morphology (b-c) of laser-cladded coatings

(a) tensile curves; (b) continuous scanning sample; (c) idle scanning sample

3 结论

研究是采用激光在每一层熔覆层之间停留210s的方式激光熔覆制备420马氏体不锈钢涂层,同时,对比研究了两种不同方式下所制备的涂层的的显微组织、力学性能,得出的结论为:间断扫描由于产生原位回火效应,从而提高了涂层的抗拉强度和韧性。

参考文献:

[1] Tamanna N,Crouch R, Naher S. Progress in numerical simulation of the laser cladding process[J]. Optics and lasers in engineering,2019,122:151-163.

[2] 王志文,庄宿国,刘海青,. 激光熔覆自润滑复合涂层研究进展及发展趋势[J]. 表面技术,2018,47(5):104-112.

[3] 练国富,姚明浦,陈昌荣,. 激光熔覆多道搭接成形质量与效率控制方法[J]. 表面技术,2018,47(9):229-239.

[4] Mahmoudi B, Torkamany M J, Aghdam A R S R, et al. Laser surface hardening of AISI 420 stainless steel treated by pulsed Nd:YAG laser[J]. Materials & Design, 2010, 31(5):2553-2560.

[5] Zhu H , Li Y , Li B , et al. Effects of Low-Temperature Tempering on Microstructure and Properties of the Laser-Cladded AISI 420 Martensitic Stainless Steel Coating[J]. Coatings, 2018, 8(12).

[6] SUN S D,FABIJANIC D,BARR C,et al. In-situ quench and tempering for microstructure control and enhanced mechanical properties of laser cladded AISI 420 stainless steel powder on 300M steel substrates[J]. Surface & Coatings Technology, 2018,333: 210-219.



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