40CrNiMo钢表面激光熔覆层力学性能研究

李育森，刘志鹏，邱长军

（南华大学机械工程学院，湖南 衡阳 421001）

0 引言

40CrNiMo钢是一种中铬镍钼调质钢，广泛用于航空航天、汽车和冶金等制造领域，主要用于制造高载荷、大截面、冲击载荷的构件，如航空发动机轴、大型发电机转子、喷气涡轮机轴及飞机起落架等零部件[1-3]。而这些零部件服役时在应力集中的作用下易产生微裂纹，降低材料的强度和伸长率，使材料发生失效。为了解决这一问题，许多学者对提高40CrNiMo钢力学性能进行了大量的研究，孔德军等[4]使用激光淬火发现40CrNiMo钢的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别提高了25.3%、24.4%和7.1%，而断面收缩率降低了7.6%，有效改善了基体的性能。Chen Huan等[5]研究了多次激光喷丸对40CrNiMo钢力学性能和组织的影响，结果表明：经过3次激光喷丸冲击，40CrNiMo表面显微硬度、压残余应力、强度和塑性均有显著提高。同时，还诱发了表面层的亚晶粒、碳化物析出和位错等微观组织。

激光熔覆作为新型的表面改性技术，具有热影响区小、冷却速度快、熔覆层稀释率低等优点，已经成为近年来的研究热点[6-7]。但是目前针对40CrNiMo钢表面激光熔覆的研究报道较少，本文采用激光熔覆方法在40CrNiMo钢基体上制备了铁基熔覆层，对熔覆层的显微组织、显微硬度、拉伸性能进行了表征和分析，为提升40CrNiMo力学性能提供实验基础。

1 实验材料及方法

实验基体材料采用40CrNiMo钢板，基体尺寸为100 mm×60 mm×15 mm，熔覆前将基体去除氧化层，酒精超声波清洗后烘干待用。粉末为自配经真空气雾化制备的铁基球形粉末，粒度为48～180 μm，实验前置于干燥箱中烘干处理，温度为50 ℃，时间为8 h。

表1 粉末与40CrNiMo的化学成分质量分数%

使用XL-F1000型连续光纤激光器，采用同轴送粉在40CrNiMo钢表面进行激光熔覆，熔覆过程如图1（a）所示。激光工艺参数：激光功率为480 W，扫描速度为480 mm/min、光斑直径为2 mm，搭接率为50%，送粉率为6 g/min，保护气体为氮气。图2为制备的铁基熔覆层宏观形貌，可以看出表面平整、无气孔、开裂等缺陷。

图1 激光熔覆及试样

图2 熔覆层表面宏观形貌

使用线切割制备试样，并将切好的试样用砂纸打磨和抛光，采用王水腐蚀，时间为3～5 s。使用XRD-7000型X射线衍射仪进行物相分析；使用JSM-6490LA型扫描电镜进行微观分析；使用HXD-1000B型显微硬度计依次测量基体至熔覆层横截面方向的显微硬度；测试3次取平均值，方式如图3。采用WDW-20E 材料万能试验机测试熔覆层室温拉伸性能；取样位置如图1（b）所示，试样尺寸如图1（c）所示。

图3 显微硬度测试示意图

2 实验结果与分析

2.1 熔覆层显微组织分析

熔覆层的XRD衍射结果如图5（a）所示，可见熔覆层主要由M相和少量的M23C6相组成，由于熔覆过程中使用高纯氮气保护，因此检测未出现其他氧化物。图5（b）、图5（c）为熔覆层的OM和SEM图，其中EDS结果如表2所示。从中可以看出基体与熔覆层之间存在明显过渡区域，区域组织主要以细小的等轴晶为主，熔覆层中部则以柱状晶和少量的树枝晶为主。从线扫描结果可以看出，Cr、Fe元素在结合处存在一定波动，但未发生突变，结合表2点扫描结果同样可以看出各元素并没有突变，而是有一个平稳的过渡区域[8]，这是因为基体在激光束作用下与熔覆层之间元素发生了相互扩散，使基体与熔覆层之间的元素含量平稳过渡。

表2 图5中A～F点化学成分质量分数%

图5 熔覆层显微组织分析

2.2 显微硬度

图6（a）为基体、过渡区和熔覆层之间的截面显微硬度分布曲线，从图中可以看出熔覆层的显微硬度为415～450 HV0.2，约为基体（328～340 HV0.2）的1.28倍。显微硬度从基体到熔覆层呈现增加的趋势，这是由于激光熔覆过程中冷却速度快产生的细晶强化，以及马氏体的形成和位错密度的增加，提高了显微硬度[9-11]。

图6 拉伸性能分析

2.3 拉伸性能

图6（b）为基体与熔覆层的室温拉伸曲线，拉伸试样分别取自激光熔覆层3个不同区域。从图中可以看出，熔覆层的抗拉强度为（1250±30）MPa，屈服强度为（1020±20）MPa，断后伸长率为（14±1）%，相比于基体分别提升了21.4%（抗拉强度）、22.9%（屈服强度）和16.7%（断后伸长率）。而熔覆层强度更高的原因一方面是因为Ni、Cu的含量高于基材，提高了熔覆层强度，改善了韧性；另一方面是因为激光熔覆修复零件时的激冷作用，使晶粒细小，产生细晶和弥散强化，进一步提高熔覆层的抗拉强度和屈服强度[12-13]。

3 结论

本文采用激光熔覆方法在40CrNiMo钢基体表面上制备铁基熔覆层，所制备的激光熔覆层表面平整，基体与熔覆层之间存在明显的过渡区域，结合界面无气孔、裂纹等缺陷，与基体形成了良好的冶金结合，熔覆层显微组织主要由马氏体和少量的M23C6碳化物组成。熔覆层性能优异，抗拉强度为（1250±30）MPa，屈服强度为（1020±20）MPa，断后伸长率为（14±1）%，显微硬度为415～450 HV0.2，约为基体（328～340 HV0.2）的1.28倍，均优于基体。