35卷 从而形成颗粒增强金属基复合材料层的过程1 末的加热作用,实验采用负离焦,激光束加工斑点尺 激光熔注技术发展初期是在真空条件下进行寸为3.5m 的,实验设备复杂,实验难度较大。近年来,由于激 将激光熔注试样沿着横截面和纵截面切开,做 光表面处理技术和同步送粉技术的发展,激光熔注成金相试样,采用D/ masrI12kW旋转阳极X射 技术得到迅速发展。200年, Reeling等采用激线衍射(XRD)仪和S4700型扫描电镜(SEM)对激 光熔注技术在预热铝合金表面注入SC颗粒,研究光熔注层微观组织结构进行分析。 了预热温度和氧化膜对熔注过程的影响。2002年 reeling等采用激光熔注技术在T+6A4V表3实验结果与分析 面注入WC颗粒制备金属基复合材料层,对WC颗3.1激光熔注工艺特性 粒与金属基体界面反应机制进行了研究。在此基础 激光熔注过程与同步送粉式激光熔覆过程极为 上,Ps等采用激光熔注技术在T+6A+4V表面相似。激光熔注工艺与激光熔覆工艺最大差别在于 制备了SiC颗粒梯度分布的金属基复合材料层,通激光熔注过程中要严格控制粉末的熔化。工艺上的 过对粉末注入位置的控制,实现了增强颗粒的梯度差异导致结果的不同。由于将增强颗粒注入到基体 分布。目前激光熔注基体材料的选择主要集中在的熔池中,激光熔注层和基体之间的化学成分呈平 钛、铝等高比强度材料,而关于碳钢作为基体材料的缓过渡,从而避免了激光熔覆工艺出现的熔覆层与 研究较少。本文采用激光熔注技术,在Q235钢表基体之间由于化学成分剧烈变化而导致熔覆层开裂 面注入WC颗粒制备金属基复合材料层。在分析倾向大的问题。另外,由于激光熔注控制粉末的熔 Q235钢激光熔注工艺特性的基础上,对激光熔注层化,能够降低激光熔注层中脆性相的数量和增强颗 以及wC/Q235钢界面反应层的微观组织结构进行粒与金属基体反应层的尺寸。通过分析不同工艺参 研究 数下熔注层宏观成形以及横截面形貌来获得合适的 工艺参数较为理想的工艺参数范围是:激光功率密 2实验材料及方法 度P=291~364W/mm2,扫描速度n=0.3 激光熔注实验采用铸造WC陶瓷粉末作为注0.6m/min,送粉速度m=85-135mg/s 入材料,平均尺寸为80ψm,呈不规则多边形状,由 3.2激光熔注层宏观特征 WC和W2C两相组成。基体材料为正火态Q235 图2为熔注层横截面背散射(BSE)形貌。WC 钢,试样尺寸为5mm×40mm×150mm 颗粒在熔注层表层数量较少而在熔注层底部数量较 激光熔注实验系统包括D-HI-T5000型5kW 多,但整体上分布比较均匀,未出现明显团聚或沉底 横流CO2激光器、四轴CNC数控系统、平面工作台现象。 和PEL-1A型送粉器。激光熔注示意图如图1所 示。WC粉末由熔池中后部注入,注入方向与激光 扫描方向相同,与基体表面的角度为55。WC粉末 先被送入送粉喷嘴的气粉分离器,大部分载粉气由 气粉分离器上部出口溢出,而粉末被送入熔池中,实 图2激光熔注层横截面背散射形貌 验过程中采用同轴氩气保护。为了降低激光束对粉 ig 2 BSE micrograph of the crosssection of the MMC layer produced by LMI 为了分析WC颗粒在熔注层整体分布情况, beam scanni 将熔注层沿着平行于基体表面磨平、抛光后进行 direction 扫描电镜观察。图3为熔注层水平面局部区域 WC颗粒分布背散射形貌。可以看出,WC颗粒在 ubstrate 熔注层水平面均匀分布,说明激光熔注工艺具有较 好的稳定性 图1激光熔注过程示意图 增强颗粒的含量是影响复合材料性能的重要因 t he LMI proces 素,为了对熔注层内部WC颗粒分布进行定量分 994-2012ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net从而形成颗粒增强金属基复合材料层的过程 [ 8] 。 激光熔注技术发展初期是在真空条件下进行 的, 实验设备复杂, 实验难度较大。近年来, 由于激 光表面处理技术和同步送粉技术的发展, 激光熔注 技术得到迅速发展。2000 年, Vreeling 等 [ 9] 采用激 光熔注技术在预热铝合金表面注入 SiC 颗粒, 研究 了预热温度和氧化膜对熔注过程的影响。2002 年, Vreeling 等[ 10] 采用激光熔注技术在 T-i 6A-l 4V 表 面注入 WC 颗粒制备金属基复合材料层, 对 WC 颗 粒与金属基体界面反应机制进行了研究。在此基础 上, Pei 等[ 11] 采用激光熔注技术在 T-i 6A-l 4V 表面 制备了 SiC 颗粒梯度分布的金属基复合材料层, 通 过对粉末注入位置的控制, 实现了增强颗粒的梯度 分布。目前, 激光熔注基体材料的选择主要集中在 钛、铝等高比强度材料, 而关于碳钢作为基体材料的 研究较少。本文采用激光熔注技术, 在 Q235 钢表 面注入 WC 颗粒制备金属基复合材料层。在分析 Q235 钢激光熔注工艺特性的基础上, 对激光熔注层 以及 WC/ Q235 钢界面反应层的微观组织结构进行 研究。 2 实验材料及方法 激光熔注实验采用铸造 W C 陶瓷粉末作为注 入材料, 平均尺寸为80
m, 呈不规则多边形状, 由 WC 和 W2C 两相组成。基体材料为正火态 Q235 钢, 试样尺寸为5 mm
40 mm
150 mm。 图 1 激光熔注过程示意图 Fig . 1 Schematic diag ram of t he LMI pro cess 激光熔注实验系统包括 DL-HL-T5000 型 5kW 横流 CO2 激光器、四轴 CN C 数控系统、平面工作台 和 PEL-1A 型送粉器。激光熔注示意图如图 1 所 示。WC 粉末由熔池中后部注入, 注入方向与激光 扫描方向相同, 与基体表面的角度为 55
。WC 粉末 先被送入送粉喷嘴的气粉分离器, 大部分载粉气由 气粉分离器上部出口溢出, 而粉末被送入熔池中, 实 验过程中采用同轴氩气保护。为了降低激光束对粉 末的加热作用, 实验采用负离焦, 激光束加工斑点尺 寸为3. 5 mm。 将激光熔注试样沿着横截面和纵截面切开, 做 成金相试样, 采用 D/ max-rB 12 kW旋转阳极 X 射 线衍射( XRD) 仪和 S4700 型扫描电镜( SEM ) 对激 光熔注层微观组织结构进行分析。 3 实验结果与分析 3. 1 激光熔注工艺特性 激光熔注过程与同步送粉式激光熔覆过程极为 相似。激光熔注工艺与激光熔覆工艺最大差别在于 激光熔注过程中要严格控制粉末的熔化。工艺上的 差异导致结果的不同。由于将增强颗粒注入到基体 的熔池中, 激光熔注层和基体之间的化学成分呈平 缓过渡, 从而避免了激光熔覆工艺出现的熔覆层与 基体之间由于化学成分剧烈变化而导致熔覆层开裂 倾向大的问题。另外, 由于激光熔注控制粉末的熔 化, 能够降低激光熔注层中脆性相的数量和增强颗 粒与金属基体反应层的尺寸。通过分析不同工艺参 数下熔注层宏观成形以及横截面形貌来获得合适的 工艺参数, 较为理想的工艺参数范围是: 激光功率密 度 P = 291 ~ 364 W/ mm 2 , 扫描速度 v = 0. 3 ~ 0. 6 m/ min, 送粉速度 m = 85~ 135 mg / s。 3. 2 激光熔注层宏观特征 图 2 为熔注层横截面背散射( BSE ) 形貌。WC 颗粒在熔注层表层数量较少而在熔注层底部数量较 多, 但整体上分布比较均匀, 未出现明显团聚或沉底 现象。 图 2 激光熔注层横截面背散射形貌 Fig. 2 BSE micr og raph o f the cr oss- section of the MMC layer pr oduced by LMI 为了分析 WC 颗粒在熔注层整体分布情况, 将熔注层沿着平行于基体表面磨平、抛光后进行 扫描电镜观察。图 3 为熔注层水平面局部区域 WC 颗粒分布背散射形貌。可以看出, WC 颗粒在 熔注层水平面均匀分布, 说明激光熔注工艺具有较 好的稳定性。 增强颗粒的含量是影响复合材料性能的重要因 素, 为了对熔注层内部 WC 颗粒分布进行定量分 1084 中 国 激 光 35 卷