采用不同激光功率（1000，1200，1400，1600，1800 W）在42CrMo鋼表面激光熔覆錫青銅粉末制備銅-鐵復(fù)合偏晶合金熔覆層，研究了激光功率對(duì)熔覆層顯微組織、硬度和摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明：不同激光功率下，熔覆層與42CrMo鋼基體均產(chǎn)生良好的冶金結(jié)合，熔覆層組織由鐵相和銅相混合構(gòu)成；隨著激光功率增加，熔覆層內(nèi)鐵相含量增加，銅相含量減少，組織由以富銅相為主夾雜“散球狀”富鐵相轉(zhuǎn)變?yōu)橐愿昏F相為主夾雜“板條狀”富銅相；隨著激光功率增加，熔覆層顯微硬度和摩擦因數(shù)增大，主要磨損機(jī)制由磨粒磨損轉(zhuǎn)向黏著磨損，當(dāng)激光功率為1 200 W時(shí)，熔覆層硬度適中，摩擦因數(shù)顯著低于基體，磨損質(zhì)量損失最小，磨損表面平整，元素分布均勻，未發(fā)生明顯局部氧化，綜合摩擦磨損性能最優(yōu)。
論文標(biāo)題：
激光功率對(duì)42CrMo鋼表面銅-鐵復(fù)合偏晶合金熔覆層組織及耐磨性能的影響
論文作者：
陳占威，羅善明，黃瀚林，吳明杰
作者單位：
集美大學(xué)海洋裝備與機(jī)械工程學(xué)院
01研究背景
42CrMo鋼具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、淬透性、抗蠕變性能以及較好的焊接性和可加工性，廣泛用于制造大型齒輪、軸承、液壓缸和汽車傳動(dòng)軸零部件等。這些零部件多服役于中載高速環(huán)境，承受著高速摩擦與局部升溫作用，易產(chǎn)生磨損、疲勞破壞、膠合變形等損傷。通過(guò)表面工程技術(shù)修復(fù)損傷部件是一種高效、經(jīng)濟(jì)的方法。激光熔覆技術(shù)具有冶金結(jié)合、熱影響區(qū)窄、加工方便快捷、二次損傷小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于零部件的損傷修復(fù)。
錫青銅基熔覆材料是零部件再制造領(lǐng)域常用的激光熔覆修復(fù)材料，具有價(jià)格低廉、耐磨耐腐、傳熱性能優(yōu)異、易加工等優(yōu)勢(shì)。當(dāng)在鐵基合金表面激光熔覆錫青銅基材料時(shí)形成的熔覆層為亞穩(wěn)態(tài)銅-鐵復(fù)合偏晶合金，其中銅元素具有潤(rùn)滑功能且質(zhì)軟，鐵元素則質(zhì)硬易氧化，兩元素的質(zhì)量比會(huì)顯著影響熔覆層的顯微組織、硬度及耐磨性。如何通過(guò)調(diào)整激光熔覆工藝來(lái)改變?nèi)鄹矊映煞謴亩{(diào)控力學(xué)性能，是目前鋼構(gòu)件表面制備錫青銅熔覆層所面臨的難題。作者采用同軸送粉激光熔覆技術(shù)在42CrMo鋼表面熔覆錫青銅粉末，研究了激光功率對(duì)熔覆層顯微組織、硬度和摩擦磨損性能的影響。
02研究亮點(diǎn)
1 試樣制備與試驗(yàn)方法
本章節(jié)重點(diǎn)介紹了試樣制備與試驗(yàn)方法，主要包括以下內(nèi)容：
1. 基體與熔覆材料：基體為42CrMo鋼板，熔覆材料為45~100 μm錫青銅粉末，粉末經(jīng)干燥處理以減少缺陷。
2. 激光熔覆參數(shù)：采用同軸送粉激光熔覆技術(shù)，激光功率梯度設(shè)置（1000~1800 W），固定掃描速度（15mm/s）、送粉速率（11.69g/min）、光斑直徑（2mm）及搭接率（40%），保護(hù)氣體為高純氮?dú)狻?nbsp;
3. 試樣加工與表征：熔覆層經(jīng)線切割制樣后，通過(guò)顯微鏡觀察截面形貌，計(jì)算孔隙率和稀釋率（公式η=A1/(A1+A2)），并分析顯微組織（SEM、EDS）及物相（XRD）。
4. 性能測(cè)試：包括維氏硬度測(cè)試（載荷2 N）、摩擦磨損試驗(yàn)（載荷100 N，對(duì)磨45鋼環(huán)）及磨損質(zhì)量損失測(cè)定，結(jié)合顯微鏡和EDS分析磨損形貌與成分。 關(guān)鍵參數(shù)與設(shè)備均明確列出，試驗(yàn)流程系統(tǒng)完整。
不同激光功率制備熔覆層的截面宏觀形貌
2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
本章節(jié)重點(diǎn)研究了激光功率對(duì)42CrMo鋼表面銅-鐵復(fù)合熔覆層的影響。主要結(jié)論包括：
1. 熔覆層質(zhì)量：激光功率1,200W時(shí)熔覆層無(wú)裂紋、氣孔少；1,000W時(shí)氣孔多；1,800W時(shí)裂紋明顯。
2. 組織特征：熔覆層為富銅相（FCC）和富鐵相（BCC）雙相混合，功率升高使鐵相增多、銅相減少。 1,000W時(shí)富銅相呈網(wǎng)狀，富鐵相為散球狀；1,800W時(shí)富銅相為板條狀，富鐵相呈片狀。
3. 元素分布：銅向基體擴(kuò)散極少，熔覆層含鐵元素；高功率（1,800W）下元素分布更均勻。
4. 性能變化：硬度隨功率增加而上升，1,200W時(shí)硬度接近基體。 - 耐磨性最優(yōu)為1,200W（銅含量高，摩擦因數(shù)和磨損損失最低），1,800W時(shí)因氧化和黏著磨損導(dǎo)致性能下降。
5. 磨損機(jī)制：低功率以磨粒磨損為主，高功率（≥1,400W）氧化磨損加劇，1,800W出現(xiàn)顯著剝落。
核心結(jié)論：1,200W激光功率下熔覆層綜合性能最佳。兼顧低孔隙率、良好冶金結(jié)合及優(yōu)異耐磨性。
不同激光功率制備熔覆層的磨損表面形貌
不同激光功率制備熔覆層磨損表面的元素面掃描位置和結(jié)果
03結(jié)束語(yǔ)
（1）不同激光功率下的熔覆層與42CrMo鋼基體均形成良好的冶金結(jié)合，熔覆層組織由鐵相和銅相混合構(gòu)成。
（2）隨著激光功率增加，熔覆層孔隙率減小，稀釋率增大，熔覆層組織中富鐵相占比增大，由以富銅相為主夾雜“散球狀”富鐵相轉(zhuǎn)變?yōu)橐愿昏F相為主夾雜“板條狀”富銅相。
（3）隨著激光功率增加，熔覆層顯微硬度增大，摩擦因數(shù)增大，主要磨損機(jī)制由磨粒磨損轉(zhuǎn)向黏著磨損。當(dāng)激光功率為1200W時(shí)，熔覆層組織以富銅相為主，硬度適中，摩擦因數(shù)顯著低于基體，磨損質(zhì)量損失最小，磨損表面平整，元素分布均勻，無(wú)顯著局部劇烈氧化，綜合摩擦磨損性能最優(yōu)。
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