H13钢表面激光熔覆的研究现状_赵宇擎.pdf

第 43卷第1期辽宁工业大学学报(自然科学版)Vol.43,No.12023 年 2 月Journal of Liaoning University of Technology(Natural Science Edition)Feb.2023收稿日期：2022-11-02基金项目：国家自然科学基金项目(51601086)；辽宁省自然科学基金计划面上项目(2022-MS-381)；辽宁工业大学大学生创新创业训练计划项目（X2022126）作者简介：赵宇擎(1999-)，男，辽宁朝阳人，硕士生。赵作福(1978-)，男，辽宁锦州人，教授级高级实验师，博士。DOI:10.15916/j.issn1674-3261.2023.01.003H13 钢表面激光熔覆的研究现状赵宇擎，赵作福，潘忠旭，陈美旭，张文思琦（辽宁工业大学 材料科学与工程学院，辽宁 锦州121001）摘要：综述了国内外 H13 钢表面激光熔覆的研究现状，从影响激光熔覆层组织和性能的角度着手，详细阐述了激光工艺参数、熔覆粉末对熔覆层性能的影响，介绍了激光熔覆技术的优化措施：仿真模拟技术、超声辅助技术、后热处理技术，并在文末提出了 H13 钢表面激光熔覆技术存在的问题及未来发展方向。关键词：H13 钢；激光熔覆；组织和性能中图分类号：TG178文献标识码：A文章编号：1674-3261(2023)01-0011-04Research Status of LaserCladding on the H13 Steel SurfaceZHAO Yu-qing,ZHAO Zuo-fu,PAN Zhong-xu,CHEN Mei-xu,ZHAN Wen-si-qi（College of Mechanical Engineering andAutomation,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China）Abstract:This paper summarizes the research status of laser cladding on the surface of H13 steelat home and abroad.From the perspective of influencing the structure and performance of laser claddinglayer,it elaborates the influence of laser process parameters and cladding powder on the performance ofthe cladding layer,introduces the optimization measures of laser cladding technology:simulationtechnology,ultrasonic assisted technology,post heat treatment technology,and puts forward the existingproblems and future development direction of laser cladding technology on the surface of H13 steel atthe end of the paper.Key words:H13 steel;laser cladding;structure and performanceH13(4Cr5MoSiV1)热作模具钢因其具有良好的淬透性、红硬性、耐热疲劳性，在锻模、挤压模和压铸模中应用十分广泛。模具在使用过程中，不仅要受到冲击负荷，还要经受骤冷骤热的温度变化，产生磨损、变形、断裂等多种形式的失效，严重降低了模具使用寿命和服役时间1。通常模具钢失效都是由表面开始，因此通过激光熔覆技术改善模具钢表面组织及性能，可有效延长模具服役时间。激光熔覆技术是将熔覆粉末预先涂覆在基体表面，通过高能密度的激光束扫描辐照，将熔覆粉末与基体表层同时熔化，并快速凝固，发生冶金结合，形成组织致密的熔覆层2。该技术具有冷却速度快、加工效率高、热影响区小、稀释率可控等特点，且熔覆后的模具钢表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性明显提高，使用寿命可延长 2 倍以上3。1H13 钢表面激光熔覆层的影响因素1.1激光参数对熔覆层的影响送粉速度、激光功率、光斑直径、扫描速度、涂层厚度等，都是影响激光熔覆层性能的重要参数4-5。合理的设计激光工艺参数，可以有效克服激光技术自身缺陷，防止裂纹、气孔等缺陷。12辽宁工业大学学报(自然科学版)第 43 卷为了得到性能优良的熔覆层，国内外科研工作者通过大量的实验研究，分析了激光工艺参数对熔覆层形貌的影响。Marzban 等6在激光熔覆实验时，通过调节激光工艺参数发现，增加激光功率可以增大熔层宽度，熔覆层高度、宽度、厚度随扫描速率的增加而增加。王岳亮等7以 H13 钢为基材研究激光熔覆工艺参数对熔池形貌的影响，结果表明，当激光功率为 2 kW 时，熔池宽度、高度和深度均随激光光斑直径的增加而减小。张德强等8通过 H13钢激光熔覆实验分析了激光工艺参数与熔覆层形貌的关系，实验发现，增大激光功率，熔池的深度、厚度都会增大；激光功率为 800 W 时，增大送粉电压，熔覆层高度会增加，熔池深度反而减少。在熔覆过程中，熔覆层的组织及性能也会随参数的变化而变化。叶四友等9研究了激光工艺参数的变化对熔覆层硬度的影响，结果表明，当激光功率达到 1.3 kW、扫描速度 22 mm/s、送粉率 21 g/min时，熔覆层与 H13 基体结合牢固，熔覆层内部无裂纹，断面处显微硬度由 233 HV-291 HV 升高到 600HV-699 HV，是 H13 基体的 2.43.0 倍。段明伟等10通过激光熔覆技术在 H13 钢表面熔覆高镍铁粉，研究了激光参数与熔覆层质量的关系，当扫描速度为2 mm/s，涂层厚度为 0.5 mm 时，得到了组织均匀致密且无明显气孔和裂缝的熔覆层。2022 年，陈路林 等11以 H13 钢 为 基 体 在 其 表 面 熔 覆 了Co1.5CrFeNi1.5Ti0.75 高熵合金涂层，研究表明，当激光功率为 200 W，扫描速度为 300 mm/min 时，熔覆层平均磨痕深度最低为 0.082 m，质量损失量最低为 0.004 g，熔覆层平均硬度提高的同时，其耐磨性能也增强。姚爽等12在 H13 钢表面激光熔覆了Ti/Cr3C2复合粉末，通过调节激光参数来控制复合熔覆层的质量，研究发现，当激光功率密度为 24.38kW/cm2时，熔覆层内无气孔裂纹缺陷，组织均匀，且最高平均显微硬度达到 931.9 HV0.2，是基体（约422.5 HV0.2）的 2.21 倍，最低磨损失重仅为基材（磨损失重为 18.23 mg）的 27.2%。激光熔覆工艺参数的变化将直接影响熔覆层的几何形貌、微观组织及力学性能。因此，合理的设计激光工艺参数，对得到组织致密、性能优良的熔覆层至关重要。1.2熔覆粉末对熔覆层的影响随着激光熔覆技术不断的应用与发展，熔覆粉末的研究也倍受关注。在粉末的选用规则上，只要在激光照射下不发生变化或分解的粉末均适用于激光熔覆，因此纯金属、合金、陶瓷及复合材料等都满足这个条件，均可作为激光熔覆材料。(1)镍基粉末是一种高强度、耐冲击、低应力磨损的材料。Huang 等13在 H13 钢表面熔覆 WC/Ni基合金粉末，研究发现，基体表面平均硬度从 260HV0.5提高到 650 HV0.5，且抗磨损系数是 H13 钢基体的 510 倍，硬度和耐磨性都有所提高。贺海燕14在 H13 热作模具钢表面熔覆了 Ni60A 合金粉末，结果表明，熔覆层的最高显微硬度达到 900 HV0.2，约为 H13 钢基体（430 HV0.2）的 2.1 倍。叶宏等15在H13 钢基体表面熔覆 Ni 基合金，研究发现，熔覆层的晶粒细小，且熔覆层的平均硬度为708.4 HV0.2，是 H13 钢淬火回火状态下的 1.60 倍。牛伟等16在H13 钢表面制备不同含量的 Ni+h-BN 熔覆层，研究发现，随 h-BN 含量增加，熔覆层显微硬度最高达1 200 HV，耐磨性增强。陈锋17在 H13 钢表面进行了激光熔覆处理，结果表明，在不同负载情况下，Ni60A 层磨损量在负载 1 200 1 600 g 之间显著增加，当负载超过 1 600 g 时，其磨损量基本上保持不变。(2)钴基合金具有良好的耐磨、耐蚀和耐热疲劳等特性。张春华等18在 H13 钢表面熔覆了钴基粉末，结果表明，熔覆后的模具钢在高温下的耐蚀性和耐磨性都有所提高，其使用寿命是基体的 3 倍。钱星月等19在 H13 钢上进行了 Co 基合金熔覆层研究，发现熔层与基体的粘结区为粗大的柱状晶和细长的共晶结构，中间为典型的亚共晶结构，表层是细密的亚共晶结构，如图 1 所示，H13 钢基体的表面平均硬度由 500 HV0.5提高到 1 140 HV0.5。王井等20通熔覆 Co 基合金修复 H13 钢表面常见缺陷，结果表明，熔覆层内部组织为 Co-Cr 固溶体枝晶和共晶组织，硬度由 490 HV10N提高到 605 HV10N。张（a）涂层全貌（b）结合区第 1 期赵宇擎等：H13 钢表面激光熔覆的研究现状13（c）涂层中部（d）表层图 1激光熔覆涂层 SEM 形貌群莉等21在 H13 钢表面制备了 Co 基合金涂层，研究发现，Co 元素在高温作用下生成氧化物具有润滑作用，使基体的高温耐磨性提高了 3 倍。(3)陶瓷复合粉末具有高硬度、高熔点、低韧性等特点。李班22采用激光熔覆技术在 H13 钢表面制备 NiCr-Cr3C2复合熔覆层，对熔覆层的显微组织和性能进行研究，并确定了当 NiCr-Cr3C2含量为15%时，熔覆层与基体结合牢固，熔覆层的平均显微硬度为 920 HV0.2，约为基体的 2 倍。Jiang 等23在 H13 钢表面制备了不同粒度 TiC 粉末涂层，所得到的熔覆层与基体冶金结合良好，且熔覆层内部成分均匀无裂纹，与经热处理后的 H13 钢相比其硬度、耐磨性和耐蚀性能显著提高。郭绍义等24在H13 钢表面熔覆了 WC-Ni/TiC 粉末，结果表明，当加入 30%的 TiC 颗粒时，熔覆层的平均硬度可达到1 500 HV；且熔覆层耐磨性提高了 815 倍。(4)铁基粉末具有较低的开裂敏感性，但其抗氧化性较差，常与其他合金混合使用。王新洪等25采用激光熔覆技术在碳钢表面熔覆 Ti/Fe、Mo/Fe和石墨粉末，结果表明，随着原材料中 Ti/Fe 的加入量增加，熔覆层的显微组织发生了马氏体转变，增强了基体的显微硬度和耐磨性。Zhang26以 H13钢为基体在其表面熔覆了 Fe 基合金粉末，实验发现，熔覆层由过饱和固溶体、Fe3C 和细小分散碳化物颗粒组成，熔覆层硬度达 900 HV0.2，约为基体的2 倍。2H13 钢表面激光熔覆优化工艺2.1仿真模拟技术激光熔覆工艺实质上是激光、熔覆材料和基体的交互作用，其物理和化学现象十分复杂，是一种动态的熔化过程，难以对温度、应力场、流场进行实时、准确的测量和控制。利用数值仿真技术可以准确的了解熔覆过程中的温度场、应力场和流场分布，并且有效地预测熔覆层的裂纹、气孔、夹杂以及层间的粘结力27。此外，还要进一步研究激光熔覆工艺的最佳设计，确保激光熔覆质量。2.2超声辅助技术激光熔覆工艺因其快热速冷的特性，在熔覆层中易产生裂纹，成为其发展的主要技术障碍。为了提高熔覆层的质量，采用超声振动、电和磁相结合的方法是今后的发展趋势。采用超声对熔覆层成分进行均匀化处理，细化晶粒，减小残余应力，从而解决了工艺中存在的问题。激光熔覆过程中加超声振动的作用是由多种因素叠加而成，如空化效应、声流效应、机械效应等，这些效应相互作用、相互影响28。在实际应用中，如果可自行研制出温度闭环控制系统，对超声波功率和