Studie zur Risskontrolle von Ni60-Legierungsbeschichtungen durch Laserauftragschweißen

Beim Laserauftragschweißen handelt es sich um eine Technologie, die einen hochenergetischen Laserstrahl als Wärmequelle nutzt, um das auf der Oberfläche des Substrats aufgetragene Füllmaterial zu schmelzen und zu verfestigen, eine metallurgische Verbindung zwischen beiden herzustellen und anschließend die Oberflächeneigenschaften zu verbessern. Im Vergleich zu anderen Oberflächenverstärkungstechnologien bietet das Laserauftragschweißen eine Reihe von Vorteilen wie schnelle Abkühlgeschwindigkeit, einfache metallurgische Verbindung zwischen Beschichtung und Substrat, kleine Wärmeeinflusszone, geringe Verdünnungsrate, geringe Verformung des Substrats, einfache Automatisierung und keine Umweltverschmutzung. Daher hat die Technologie breite Anwendungsaussichten in der Luft- und Raumfahrt, im Bergbaumaschinenbau, in der Petrochemie, in der Automobil-, Schiffs-, Elektrizitäts-, Eisenbahn- und anderen Industriezweigen.

Beim Laserauftragschweißen handelt es sich jedoch um einen schnellen Aufheiz- und Abkühlprozess. Der Temperaturgradient des Substrats und der Hüllschicht, die ungleichmäßige Verteilung der Hartphase in der Hüllschicht und der Unterschied in den physikalischen Eigenschaften zwischen der Hüllschicht und dem Matrixmaterial haben einen gewissen Einfluss auf die Dimensionsstabilität und die mechanischen Eigenschaften der Hüllschicht , was zur Entstehung und Ausbreitung von Rissen führt. Die Bildung von Rissen in der Beschichtungsschicht hat einen großen Einfluss auf die Lebensdauer von Teilen, was ein dringendes Problem darstellt, das bei der industriellen Anwendung der Laserbeschichtungstechnologie gelöst werden muss.

Das Laserauftragschweißen ist ein Prozess des schnellen Erhitzens und Abkühlens und einer komplexen metallurgischen Reaktion. Derzeit konzentriert sich die Forschung zu Rissen in Mantelschichten hauptsächlich auf eine einzige Kontrollmethode, und es mangelt an systematischer Forschung. In dieser Studie wurde eine Ni60-Legierungsplattierungsschicht auf einer 42CrMo-Stahloberfläche durch vorab aufgetragene Pulverlaserplattierungstechnologie hergestellt. Zunächst wurden der Rissbildungsmechanismus und die Rissempfindlichkeit analysiert, und dann wurde der Einfluss unterschiedlicher Laserleistung und Vorwärmtemperatur auf den Riss untersucht, um eine Referenz für die Risskontrolle von Ni-basierten Legierungen zum Laserauftragen zu liefern.

1. Testmaterial

Bei diesem Test wird 42CrMo-legierter Stahl als Matrixmaterial im Laserauftragstest ausgewählt, und die runde Plattengröße beträgt Φ150 mm × 10 mm. Schleifen Sie die 42CrMo-Stahloberfläche vor dem Laserauftragen mit Schleifpapier ab und reinigen Sie sie mit Alkohol und Aceton, um sicherzustellen, dass sich keine anderen Verunreinigungen auf dem Untergrund befinden. Das Beschichtungspulver wurde aus einer Ni60-Legierung ausgewählt und die Partikelgröße betrug 53–150 μm. Die chemische Zusammensetzung der Ni60-Legierung ist in Tabelle 1 aufgeführt.

                                                                         Tabelle 1 Chemische Zusammensetzung der Ni60-Legierung                                                 %

2. Testmethoden

Der LWS-1000 Nd:YAG-Laser wurde für das Laserauftragschweißen durch Vorschichten von Pulver und einen Mehrschichtprozess ausgewählt. Die Probenvorbereitungsparameter sind wie folgt: Laserleistung 270–300 W, Scangeschwindigkeit 300 mm/min, Vorheiztemperatur 170–270 Grad, Überlappungsrate 50 %. Nach dem Laserbeschichtungstest wurde das Stereoskop Zeiss Stemi305 verwendet, um die Oberflächenmorphologie der Beschichtungsschicht zu beobachten. Die vorbereitete Mantelschicht wird in eine Probengröße von 5 mm × 10 mm × 10 mm geschnitten und anschließend wird eine HCl+HNO3-Lösung mit einem Volumenverhältnis von 3 ∶ 1 verwendet, um den polierten Mantelschichtquerschnitt zu korrodieren. Mit dem metallografischen Mikroskop Jiangnan MR5000 und dem Rasterelektronenmikroskop Regulus8230 wurde die Mikrostruktur der Ni60-Mantelschicht beobachtet, und mit EDS wurde die Verteilung von Elementen in der Nähe und ohne Risse in der Mantelschicht qualitativ und quantitativ analysiert. Der digitale Mikro-Vickers-Härteprüfer VTD401 wurde zur Messung der Mikrohärte des Querschnitts der Mantelschicht verwendet. Die Belastung betrug 50 g und die Haltezeit 10 s. Die Phase wurde mit dem rotierenden Target-Röntgendiffraktometer D/MAX2500VL/PC analysiert.

1. Die Mikrostruktur der Mantelschicht besteht hauptsächlich aus - (Fe, Ni), Fe0.64Ni0.36 und M23C6. Bei den Rissen in diesem Test handelt es sich grundsätzlich um durchgehende Risse, die im Allgemeinen von der Oberfläche der Hüllschicht ausgehen und sich bis zur Verbindungsstelle zwischen Hüllschicht und Matrix erstrecken. Die meisten Risse erstrecken sich direkt durch die gesamte Hüllschicht. Der Unterschied der thermischen Eigenschaften zwischen der Matrix und der Hüllschicht, der Temperaturgradient und die Segregation der Hartphase in der Hüllschicht haben einige Auswirkungen auf die Rissempfindlichkeit.

2. Mit zunehmender Laserleistung wird das Rissversagen in der Mantelschicht offensichtlich verbessert. Bei einer Leistung von 290 W entstehen nur wenige Risse in der Mantelschicht und die guten mechanischen Eigenschaften bleiben erhalten. Wenn die Leistung weiter erhöht wird, ist die Verdünnungsrate der Mantelschicht zu groß, was zu einer Verringerung ihrer Leistung führt.

3. Mit zunehmender Vorwärmtemperatur nimmt das Rissversagen in der Mantelschicht allmählich ab. Wenn die Vorwärmtemperatur 270 Grad beträgt, bleiben nur wenige Risse in der Mantelschicht zurück, aber eine zu hohe Vorwärmtemperatur zerstört die Leistung des Substrats und der Mantelschicht, sodass kein Vorwärmen bei höherer Temperatur durchgeführt wird.

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