摘要:激光熔覆作为一种新型的表面加工处理技术，能够得到最佳性能要求的表面熔覆层是研究的关键，而良好的熔覆层的获得是多种工艺因素共同作用的结果。本文研究了在材质为42CrMo钢齿轮轴表面采用激光熔覆镍基合金粉末，通过正交试验设计方法，分析不同工艺参数条件下对熔覆层性能影响，得到了熔覆层硬度和耐磨性能优良的加工工艺参数。
关键词：激光熔覆 转轴 正交试验 工艺参数
中图分类号：TG161 文献标志码：A
Research on process parameters of the surface laser cladding of nickel based powder on 42CrMo steel gear-axle
ZHANG Haomin
（CRRC ZHUZHOU ELECTRIC CO.,LTD. Zhuzhou，Hunan 412000,China)
Abstract：As a new type of surface processing technology, laser cladding can obtain the surface cladding layer with the best performance requirements is the key to research, and the acquisition of a good cladding layer is the result of a combination of various process factors. In this paper, the laser cladding of nickel-based alloy powder on the surface of 42CrMo steel gear shaft was studied. The orthogonal test design method was used to analyze the effect of different process parameters on the performance of the cladding layer.and the processing parameters with excellent hardness and wear resistance of cladding layer were obtained.
Keywords: laser cladding spindle 0rthogonal experiment technological parameter
0 引言
激光熔覆是一种快速熔凝过程的修复技术，有着对基体的热影响小，热变形量小，结合强度高等诸多优良特点，是改善金属表面性能的有效手段之一，近年来得到了迅猛的发展[1~3]。42CrMo钢属于一种超高强度钢，具有较高韧性、良好的综合力学性能和工艺性能，被广泛用于工程机械的各类核心零部件。这些零部件在服役的过程中面临着恶劣的工况条件，工作过程中极易产生磨损、疲劳破坏等失效形式。零件失效后，若直接报废将导致使用成本增高，因此，在不改变材料性能的基础上，采用激光熔覆技术修复或是强化表面性能是近年来广大学者一直在研究的课题，具有重大的经济效益和社会意义[4~6]。
1 试验材料和实验方法
1.1 实验材料
试验基材为42CrMo钢齿轮轴，化学成分(质量百分比)见表1，材料表面硬度为45~53HRC(450~560
HV)。
表1 42CrMo钢化学成分（质量分数%）
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熔覆层合金为-110~320目的镍基合金粉末，其成分见表2：
表 2 镍基合金粉末成分（质量分数%）
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1.2 实验设备与实验方法
实验采用TFL-H6000连续横流CO2激光器进行激光熔覆，送粉方式采用自动送粉方式，实验过程中采用Ar气进行保护，图1为激光熔覆时的现场照片。实验前先用乙醇、丙酮清洗齿轮轴表面，采用单层单道熔覆。
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图1 激光熔覆现场照片
在调节不同工艺参数熔覆后的齿轮轴试样用线切割加工成20×15×15的小样品，在小样品沿垂直于熔覆方向的表面上依次用600#、800#、1200#的砂纸进行表面打磨，然后在抛光转速为800转/分的PG-2B抛光机上进行抛光，以保证横截面的平整度。用JSM-6360LV型扫描电镜观察分析组织结构和形貌；用HV-1000型显微硬度计测试熔覆层显微硬度值，选取熔覆层硬度曲线上下降最快的那个点之前的数据通过求和平均得到硬度均值；用MMW-1立式摩擦磨损试验机进行耐磨性实，用感应量为±10-4g的分析天平称量各试样磨损前后的质量并计算磨损量和相对耐磨性。熔覆层相对耐磨性表示为：
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为45CrMo钢样品失重；为各熔覆试样失重[7]。
2 正交试验设计
2.1 设计原理
正交试验设计，它是通过设计多个因素和多个水平的试验表，来研究参数变化引起结果改变的这样一种设计方法。一般影响试验结果的参数是很多的，选用正交试验一般是挑选出比较有代表性的组合来进行研究。通过对选出的这一部分组合参数进行分析，从结果中了解所有试验的大体趋势走向，它是一种高效、经济的试验设计方法[8-9]。
2.2 工艺参数的选择
激光熔覆过程中，熔覆层的质量通常会受到激光功率P、扫描速度V、送粉速率VS、离焦量L等一系列工艺条件的影响，通过采用正交试验这种快捷有效的方法，保证试验结果科学的前提下，本文试验选取激光功率P、扫描速度V、离焦量L三个因素作为研究对象，采用L9(33)正交表。
2.3 正交试验结果
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通过对样品进行数据采集，试验结果如表3所示：
表3：熔覆层正交试验结果分析
根据数据计算极差R值，确定影响熔覆层显微硬度的激光工艺参数主次顺序。极差R是反映相应的元素变化时对试验指标的影响程度，根据计算出的极差值大小，可以确定各因素对试验结果影响的主次方面。
通过设计正交试验表，以平均显微硬度和相对耐磨性为测定指标，计算激光功率、扫描速度和离焦量三个因素的极差值R1、R2、R3。极差R的计算公式为：Rj=max(k1j,k2j,k3j)-min(k1j,k2j,k3j)；式中kij是把第j列中水平i所对应的试验指标值求和（i=1、2、3）[10]。
通过试验数据发现：在研究的三种工艺参数中，影响熔覆层显微硬度和耐磨性能的主要因素是扫描速度，其次是激光功率，离焦量对其性能影响较小。样品编号4平均显微硬度最高，达到804.9HV，约是基体的1.5倍，同时相对耐磨性也是几种组合中最优，相对耐磨性值为3.17。因此，综合考虑最佳的工艺参数选择为：激光功率P=1.5kW，扫描速度V=5mm/s，离焦量L=20mm。
3 试验结果分析
3.1 加工工艺参数对熔覆层显微硬度的影响
选用各工艺参数加工完成后，将样件制成小样品，在熔覆层1mm以上纵向截面选取10个点测量显微硬度值求和平均，绘制出图2、图3、图4工艺影响曲线图。
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由图可知，在扫描速度和离焦量保持不变的情况下，熔覆层的硬度随激光功率的增加会呈现先提高后降低的情况，这是因为功率增加时，熔覆粉末能得到良好的融合，硬质的碳化物能充分熔解，形成更多的金属碳化物及硼化物，显微硬度随之提高。但随着激光功率的不断增加，熔覆粉末的熔化量也会越多，对基体产生的稀释作用也会增加，另外功率过高会造成熔覆材料的过烧和蒸发，导致形成的熔覆层性能降低，硬度随之下降[11]。
在激光功率和离焦量保持不变的情况下，扫描速度对熔覆层硬度的影响呈现出先提升后降低的趋势。这是因为当扫描速度较慢时，激光作用在熔覆粉末时间过长，有足够的能量被形成的熔池所吸收，导致熔覆层组织凝固时间更长，造成所形成的晶粒粗大，熔覆层的显微硬度下降。而当扫描速度过高时，熔覆层粉末与激光相互作用时间会减少，熔池中吸收的能量也会降低，导致结晶时间过长促进晶粒的长大[12]。
在激光功率和扫描速度保持不变的情况下，随着离焦量增大，对熔覆层硬度影响不是很大，呈现出略有降低的趋势。这是因为离焦量增大，虽然光斑直径增大了，但是相对激光功率的密度就会有所降低，单位面积上吸收的能量减少，对熔池流动和晶体结晶形态产生影响，使得熔覆层中所形成的组织不够致密，硬度值降低[13]。
3.2 加工工艺参数对熔覆层耐磨性的影响
选用各工艺参数加工完成后，同工艺条件下分别制作10个小样品，计算出平均耐磨性，绘制出图5、图6、图7工艺影响曲线图。
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由图可知：各工艺参数的变化对耐磨性的影响和显微硬度呈现出一致性，熔覆层显微硬度的提高，能够降低其磨损率。
4 结论
(1) 通过设计正交试验分析，在研究的激光功率、扫描速度、离焦量三种工艺参数中，影响熔覆层显微硬度和耐磨性能的主要因素是是扫描速度，其次是激光功率，离焦量对其性能影响较小。
(2) 综合比较各种工艺参数条件下熔覆层显微硬度和耐磨性数值，42CrMo钢齿轮轴表面激光熔覆镍基粉末选择激光功率P=1.5kW，扫描速度V=5mm/s，离焦量L=20mm能有效提升熔覆层表面性能。
(3) 熔覆层的显微硬度和耐磨性随着激光功率和扫描速度的增加呈现出先提高后降低的趋势，离焦量的改变对熔覆层性能影响不大，呈现略微下降的趋势。
(4)熔覆层的显微硬度和耐磨性表现出一致性。
参考文献
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[作者简介：张浩敏（1989-），男，湖南湘潭人，硕士研究生，从事轨道交通工作。E-mail：zhanghaomin1989@126.com]