高速激光熔覆锡青铜与合金钢基体结合性能研究

时间：2024-05-22

□ 王新波 □ 方孝红

1.上海电气风电集团股份有限公司上海 200233 2.浙江长盛滑动轴承股份有限公司浙江嘉兴 314100

1 研究背景

锡青铜作为摩擦磨损件的基础材料之一在工业领域应用广泛,该材料特别适合于低速重载工况,应用于滑动轴承的主要形式有单金属轴套与推力轴承、粉末烧结双金属轴套与推力轴承、离心浇铸双金属轴套与推力轴承、旋压单金属轴套、粉末冶金单金属轴套等。激光熔覆是一种高效的表面强化与再制造修复技术,具有与基体结合效果好、稀释率低、热影响区小等优点。激光熔覆是多参数耦合的复杂过程,激光功率、激光扫描速度、送粉速度、光斑直径等参数对熔覆层的质量非常重要,国内外已经对激光熔覆增材制造进行了多方面的研究。但是,对于常规激光熔覆而言,粉末吸收20%的能量,能量利用率低,稀释率为5%～15%,并且熔覆完成后后续加工量较大,加工成本高。对于高速激光熔覆,粉末可吸收80%的能量,能量利用率高,稀释率可小于3%,并且熔覆完成后后续加工量较小,加工成本低。高速甚至超高速激光熔覆技术优化了粉体的熔凝形式和能量吸收比例,提高了材料沉积速度,获得高效、无缺陷、高结合强度、低稀释率的熔覆层,比传统激光熔覆更有优势。应用高速激光熔覆制备工艺将锡青铜合金层制备在钢轴基体上,可解决轴套与钢基体长时间过盈配合产生蠕变而导致的跑圈问题。并且锡青铜合金层出现失效后,可以将其加工去除后重新熔覆,从而实现再制造。目前,对锡青铜粉末在钢轴基体上的高速激光熔覆研究还比较少,笔者应用高速激光熔覆工艺将CuSn12Ni2锡青铜粉末熔覆在42CrMo合金钢基体上,研究材料的微观成分和组织、宏观结合强度对双层金属材料的结合情况。研究结果证明,CuSn12Ni2锡青铜与42CrMo合金钢基体已经达到了冶金结合。

2 试样准备

为了对材料的结合强度进行充分的研究,首先制备研究试样,包括测试材料缺陷和材料结合面附近的化学成分采用的平面试样,测试材料结合强度采用的圆形试样。

2.1 粉末制备

高速激光熔覆所用粉末的粒径越集中、球形越好、成分分布越均匀,粉末的流动性就越好,熔覆之后缺陷也就越少,特别对于结合面而言,缺陷会更少。笔者所用CuSn12Ni2锡青铜粉末采用气雾化工艺获得,原理是采用高速气流将铜合金液体击碎形成微小液滴,然后快速冷却形成球形金属颗粒。颗粒的粒径主要集中在50～150 μm,并且球形度较好,如图1所示。锡青铜粉末内部金相晶粒较细,图2(a)所示为大部分等轴晶,图2(b)所示为小部分树枝晶。此外,锡青铜粉末截面能谱分析显示,铜、锡、镍元素分布较为均匀,未出现偏析现象。

▲图1 CuSn12Ni2锡青铜粉末颗粒

▲图2 CuSn12Ni2锡青铜粉末金相组织

2.2 试样制备

试样制备采用高速激光熔覆工艺,其中激光熔覆设备的光源为光纤激光器,激光波长约为1.06 μm,最大功率为6 kW,激光从光纤接头射出后,经过准直透镜变为平行光,然后经过聚焦透镜实现聚焦,将能量集中于一点,在焦点处将金属熔化实现激光熔覆加工。采用同轴环形气载送粉,送粉均匀,送粉气体为氩气,同时氩气作为保护气体,可减少激光熔覆过程中材料的氧化。为带走激光器在电能转换为光能过程中产生的多余热量,同时带走外光路的镜片反射激光束所吸收的部分热量,为激光器提供了水冷冷却系统。

笔者在研究中的熔覆层厚度为1.2 mm,熔覆速度为60～100 mm/s,光斑直径为2 mm,送粉量为40～50 g/min,激光功率为4 500 kW～4 800 kW。

高速激光熔覆工艺制备的平面试样如图3所示,用于对CuSn12Ni2锡青铜与42CrMo合金钢基体结合面附近区域进行材料表征和分析,具体操作时需从平面试样上取样,然后制样进行金相组织分析和能谱分析。高速激光熔覆工艺制备的法向结合强度测试试样如图4所示,用于测定CuSn12Ni2锡青铜与42CrMo合金钢基体之间的结合强度。

▲图3 高速激光熔覆工艺制备的平面试样样件

▲图4 高速激光熔覆工艺制备的法向结合强度测试试样

3 高速激光熔覆材料表征与分析

3.1 金相组织

对试样进行金相分析,分析设备采用超景深显微镜,图5所示为试样未腐蚀显微组织形貌,图6所示为试样腐蚀后金相组织。腐蚀试样所采用的溶液由三种物质混合组成:10 g FeCl3·6H2O、2 mL密度为1.16 g/mL的盐酸溶液、98 mL体积分数为95%的乙醇溶液。通过观察图5可以看出,高速激光熔覆工艺制备后的CuSn12Ni2锡青铜仍存在一定的气孔,较大的气孔直径为97.14 μm。由图6可以看出,试样腐蚀后的金相组织,靠近结合面附近,CuSn12Ni2锡青铜以树枝晶为主,越靠近CuSn12Ni2锡青铜表层,以等轴晶为主。主要原因是越靠近表层,过冷度越大,越容易形成等轴晶粒,越靠近结合面,过冷度越小,越利于树枝晶晶粒的形成。

▲图5 试样未腐蚀显微组织形貌▲图6 试样腐蚀后金相组织

3.2 能谱分析

在激光熔覆过程中,CuSn12Ni2锡青铜中会有一定量的元素渗透到42CrMo合金钢基体中,在结合面附近形成冶金结合。在结合面处进行能谱分析的目的是检测CuSn12Ni2锡青铜中元素在高速熔覆过程中渗透入基体材料中的情况如何,即CuSn12Ni2锡青铜的稀释率如何。如果CuSn12Ni2锡青铜的稀释率低,可以保证CuSn12Ni2锡青铜化学成分相对较稳定,能够更好地保持材料原有的机械性能。在平面试样上取样,进行结合面的能谱扫描分析,如图7所示,主要关注元素有铜、铁、锡、铬、镍。由图7可以看出,所关注元素分布在结合面处较为分明,说明高速激光熔覆工艺对CuSn12Ni2锡青铜的稀释率不高,因而该工艺对锡青铜成分和机械性能的影响较小。尽管稀释率不高,但有少量元素进入合金钢基体,说明结合面附近产生了冶金结合。

▲图7 结合面附近能谱扫描分析结果

4 结合强度试验

CuSn12Ni2锡青铜材料通过高速激光熔覆工艺熔覆在42CrMo合金钢基体上后,作为滑动轴承减摩耐磨层服役时,需要与基体间具有较高的结合强度,可通过调整高速激光熔覆工艺参数获得。笔者根据国家标准GB/T 12948—1991《滑动轴承双金属结合强度破坏性试验方法》制备结合强度试验的试样,进行结合强度测试。CuSn12Ni2锡青铜材料屈服强度为140 MPa～150 MPa,抗拉强度为260 MPa～300 MPa。当结合强度小于屈服强度时,将会在结合面处发生断裂。当结合强度位于屈服强度和抗拉强度之间时,仍然将会在结合面处发生断裂,但CuSn12锡青铜本体已经产生屈服。当结合强度大于抗拉强度时,将在CuSn12Ni2锡青铜材料本体发生断裂。法向结合强度试验如图8所示,试验结果如图9所示。由图9可以看出,试验后两试样的法向结合强度分别为429.5 MPa、326.6 MPa,均大于材料的抗拉强度,说明结合面的结合强度超过CuSn12Ni2锡青铜的抗拉强度。试样断裂面由测试可知均为CuSn12Ni2锡青铜本体,如图10所示,也印证了结合面的结合强度超过CuSn12Ni2锡青铜的抗拉强度。结合强度试验结果同时说明,CuSn12Ni2锡青铜与42CrMo合金钢基体产生了冶金结合。

▲图8 法向结合强度试验

▲图9 法向结合强度试验结果

▲图10 法向结合强度试验断裂后试样

在结合面附近,CuSn12Ni2锡青铜以枝晶为主。在靠近CuSn12Ni2锡青铜表层的地方,以等轴晶为主。说明结合面附近过冷度较小,表层过冷度较大。

高速激光熔覆工艺对CuSn12Ni2锡青铜稀释率不是很高,因而该工艺对锡青铜成分和机械性能的影响较小。