CN113293371A - 一种基于阶梯回火的激光熔覆方法 - Google Patents

一种基于阶梯回火的激光熔覆方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于阶梯回火的激光熔覆方法，属于激光表面强化处理领域，其利用基体表面激光熔覆层的热循环过程对基体表面的马氏体区进行不同温度的阶梯回火，逐渐将所述马氏体转变为回火索氏体，具体的，根据马氏体区底部出现稳定回火区所需的温度基准值为判断标准，再根据需要进行熔覆次数的要求，调整激光熔覆的工艺参数，进而实现对单次熔覆层的厚度的调整，使得马氏体区底部和马氏体区表面均能完成稳定回火。本发明制定的工艺规范稳定性好，工艺适应性强，熔覆界面强度高、韧性好。

Description

一种基于阶梯回火的激光熔覆方法
技术领域
本发明属于激光表面强化处理领域，更具体地，涉及一种基于阶梯回火的激光熔覆方法。
背景技术
通过激光熔覆方法在钢轨表面制备优质合金层，可以延长钢轨的使用寿命。这类激光熔覆合金材料的性能优良，不会出现脆性组织。然而，激光熔覆时含碳量较高(0.6C％wt以上)的钢轨材料，容易在钢轨的基体表面产生高硬度的马氏体组织。如何去除激光熔覆时钢轨表面的脆性马氏体组织，保证熔覆钢轨在使用中不开裂、不掉块，是需要解决的重要问题。
钢轨的基体组织是硬度为300HV-400HV的珠光体，将马氏体再转变为珠光体，可以通过回火过程实现。其基本原理是：固溶在马氏体中的碳原子经过扩散析出，形成铁素体+碳化物组成的珠光体。在多层激光熔覆过程中，进行第一层激光熔覆时，激光熔覆的热作用会对工件基体表面产生加热作用，这种热循环过程使工件基体表面的温度高于材料的熔点温度，基体表面将发生奥氏体相变，冷却后产生马氏体区。进行第二层激光熔覆时，所述马氏体区底部经历温度按照阶梯降低的形式的热循环作用，当这种加热的温度低于基体材料的相变温度Ta时，被加热的组织不会发生奥氏体相变，其加热作用表现为回火效应。由于激光熔覆时的加热和冷却过程都很快，有效的回火温度值要求比较高。
上述的阶梯回火过程中，第一次阶梯回火的温度最高，随着熔覆层厚度的增加，后续阶梯回火的峰值温度逐渐降低，将高硬度的马氏体转变为低硬度的珠光体，需要经过多次接续的阶梯回火过程。
通常，激光熔覆层的厚度越小，基体表面形成的马氏体区越浅。反之，激光熔覆层的厚度越大，基体表面形成的马氏体区越深，通过上述阶梯回火方法消除马氏体区就越困难。第一层激光熔覆对工件基体表层的加热作用，产生马氏体。第二层激光熔覆的热循环过程对基体中马氏体区产生回火加热作用，所述回火加热作用称作称作一次阶梯回火，其对马氏体区底部的加热的温度低于相变温度Ta。以此类推，第N层激光熔覆的热循环过程对基体中马氏体区的回火加热作用称作N-1次阶梯回火，阶梯回火层级数越高，回火温度越低。经过多次阶梯回火后，基体中马氏体区转变为索氏体的回火过程称作稳定回火阶段。
但是，具体的回火工艺该如何制定和实现，不得而知，因此，需要开发一种基于阶梯回火的激光熔覆方法及其工艺规范制定方法。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于，提供一种基于阶梯回火的激光熔覆方法，利用表面熔覆层的热循环过程对基体表面的马氏体区进行不同温度的阶梯回火，并逐渐将所述马氏体转变为回火索氏体，其工艺稳定好，熔覆界面强度高、韧性好，工艺适应性强。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于阶梯回火的激光熔覆方法，其利用基体表面激光熔覆层的热循环过程对基体表面的马氏体区进行不同温度的阶梯回火，逐渐将所述马氏体转变为回火索氏体，具体的，根据马氏体区底部出现稳定回火区所需的温度基准值为判断标准，再根据需要进行熔覆次数的要求，调整激光熔覆的工艺参数，进而实现对单次熔覆层的厚度的调整，使得马氏体区底部和马氏体区表面均能出现稳定回火区。
进一步的，首先进行工艺规范制定和考核，然后，根据考核合格的工艺规范执行激光熔覆工艺，进行工艺规范制定和考核的过程如下：
第一步，测量激光熔覆时马氏体区的表面温度变化曲线和马氏体区底部的温度变化曲线，
第二步，通过设定激光熔覆的工艺参数，使得T1≥Tc1，其中，T1是进行Nc1次熔覆后整个熔覆层最深处的温度，Tc1是Nc1次熔覆后使马氏体区底部出现稳定回火区的温度基准值，
第三步，根据多层熔覆使马氏体区完全回火的表面温度基准值Tc2计算获得熔覆层总厚度hm，令Nm＝hm/h1，Nm取正整数，h1为单层熔覆层厚度，
第四步，判断Nm≥Nc1是否满足，如果是，说明回火马氏体区的硬度达到要求，工艺规范制定环节结束，如果否，转入第二步，调整激光熔覆工艺参数，以便降低h1值，直到Nm≥Nc1。
进一步的，其具体包括如下步骤：
(1)设熔覆层数的变量为j，其中，j＝0，1，2，...，m，令j＝0，需要熔覆的总层数为K，设定激光熔覆工艺参数，测量单层熔覆层厚度h1，马氏体区的厚度为δ，测量激光熔覆时马氏体区的表面温度变化曲线和马氏体区底部的温度变化曲线，
(2)设Nc1次熔覆使马氏体区底部出现稳定回火区的温度基准值为Tc1，计算z＝Nc1*h1处的温度T1，判断T1≥Tc1是否满足，如果是，则回火效果可以达到要求，进入下一步；如果否，转入步骤1，调整激光熔覆工艺参数，以便降低h1值，
(3)设多层熔覆使马氏体区完全回火的表面温度基准值为Tc2，计算Tc2温度下的熔覆层总厚度hm，令Nm＝hm/h1，其中Nm取正整数，
(4)判断Nm≥Nc1是否满足，如果是，说明回火马氏体区的硬度达到要求，且工艺规范制定环节结束，进入下一步；如果否，转入步骤1，调整激光熔覆工艺参数，以便降低h1值，
(5)令j＝j+1，开启激光器，进入激光熔覆环节，按照设定的参数进行激光熔覆，
(6)判断j≥Nm是否满足，如果是，说明马氏体区已经完全转化为回火索氏体，并进入下一步；如果否，转入步骤(5)，
(7)判断j≥K是否满足，如果是，说明设定的熔覆层厚已经完成，进入下一步；如果否，转入步骤(5)，
(8)结束。
进一步的，步骤(1)中，测量激光熔覆时马氏体区的表面温度变化曲线，并计算拟合获得表达式(1)如下：
T＝A1*exp(-z/t1)+A2*exp(-z/t2)+C1， (1)
其中，T为马氏体区的表面温度，z为熔覆层厚度，A1，A2，t1，t2，C1均为根据测量的温度曲线，拟合计算得到的常数。
进一步的，测量激光熔覆时马氏体区底部的温度变化曲线，计算拟合获得表达式(2)如下：
T＝A3*exp(-z/t3)+C2， (2)
其中，T为马氏体区底部的温度，z为熔覆层厚度，A3，t3，C2均为根据测量的温度曲线，拟合计算得到的常数。
进一步的，将热电耦预置在基体的表面进行熔覆，记录基体表面在不同厚度熔覆层时的最高温度，再根据测量的温度数据拟合计算获得马氏体区的表面温度变化曲线的表达式(1)。
进一步的，激光熔覆时马氏体区底部的温度变化曲线是马氏体区底部800μm～1000μm处的温度曲线。
进一步的，步骤(2)中，采用表达式(2)计算z＝Nc1*h1处的温度T1。
进一步的，步骤(3)中，采用表达式(1)计算Tc2温度下的熔覆层厚度值z，z值即为hm值。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明的激光熔覆方法中，首先进行工艺规范制定和考核，然后，根据考核合格的工艺规范执行激光熔覆工艺，工艺规范制定和考核时，测量了激光熔覆时马氏体区的表面温度变化曲线和激光熔覆时马氏体区底部的温度变化曲线，发生多次熔覆后熔覆层总厚度处的温度大于多次熔覆时马氏体区底部出现稳定回火区的温度基准值，再根据多层熔覆使马氏体区完全回火的表面温度基准值推算，调整单层熔覆层厚度，合理而精细地利用表面熔覆层的热循环过程对基体表面的马氏体区进行不同温度的阶梯回火，并逐渐将所述马氏体转变为回火索氏体。本发明方法的关键改进点为工艺规范的制备方法，先制备工艺规范，再按照规范进行执行，最大限度的保证了实际工程中的良品率。总而言之，其操作简便，工艺稳定好，熔覆界面强度高、韧性好，在工件表面具有复杂形状的情况下也能适用。
附图说明
图1是本发明实施例中不同激光熔覆厚度时基体中的温度变化曲线；
图2为本发明实施例中单层激光熔覆层组织变化示意图；
图3为本发明实施例中一次阶梯回火组织变化示意图；
图4为本发明实施例中二次阶梯回火组织变化示意图；
图5为本发明实施例中三次阶梯回火组织变化示意图；
图6为本发明实施例中四次阶梯回火组织变化示意图；
图7为本发明实施例中马氏体完全转变为回火索氏体组织变化示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了解决珠光体材料激光熔覆中在基体表面出现马氏体的问题，本发明提供了一种基于阶梯回火的激光熔覆方法，该方法利用表面熔覆层的热循环过程对基体表面的马氏体区进行不同温度的阶梯回火，并逐渐将所述马氏体转变为回火索氏体。所述珠光体钢轨指国际上采用的高碳钢材料和钢轨，例如型号为U71Mn、U70MnSi、U71MnSiCu、U75V、U76NeRe的珠光体钢轨材料，或其它珠光体结构钢材料。
本发明方法具体包括如下步骤：
(1)设定参数，具体为，设需要熔覆的总层数为K，设定激光熔覆工艺参数，测量单层熔覆层厚度h1，马氏体区的厚度为δ，测量激光熔覆时马氏体区的表面温度变化曲线和马氏体区底部的温度变化曲线，其中，测量激光熔覆时马氏体区的表面温度变化曲线，并计算拟合获得表达式(1)如下：
T＝A1*exp(-z/t1)+A2*exp(-z/t2)+C1 (1)
其中，T为马氏体区的表面温度，z为熔覆层厚度，A1，A2，t1，t2，C1均为根据测量的温度曲线，拟合计算得到的常数。
测量激光熔覆时马氏体区底部的温度变化曲线，计算拟合获得表达式(2)如下：
T＝A3*exp(-z/t3)+C2 (2)
其中，T为马氏体区底部的温度，z为熔覆层厚度，A3，t3，C2均为根据测量的温度曲线，拟合计算得到的常数。
将热电耦预置在基体的表面进行熔覆，记录基体表面在不同厚度熔覆层时的最高温度，再根据测量的温度数据拟合计算获得马氏体区的表面温度变化曲线的表达式(1)。激光熔覆时马氏体区底部的温度变化曲线是马氏体区底部800μm～1000μm处的温度曲线。
(2)设Nc1次熔覆使马氏体区底部出现稳定回火区的温度基准值为Tc1，根据表达式(2)计算z＝Nc1*h1处的温度T1，判断T1≥Tc1是否满足，如果是，则回火效果可以达到要求，进入下一步；如果否，转入步骤1，调整激光熔覆工艺参数，以便降低h1值，
(3)设多层熔覆使马氏体区完全回火的表面温度基准值为Tc2，根据表达式(1)计算Tc2温度下的熔覆层总厚度hm，令Nm＝hm/h1，其中Nm取正整数，
(4)判断Nm≥Nc1是否满足，如果是，说明回火马氏体区的硬度达到要求，且工艺规范制定环节结束，如果否，转入步骤1，调整激光熔覆工艺参数，以便降低h1值，
(5)设熔覆层数的变量为j，其中，j＝0，1，2，...，m，先令j＝0，进入激光熔覆环节，接着令j＝j+1，开启激光器，按照设定的参数进行激光熔覆，
(6)判断j≥Nm是否满足，如果是，说明马氏体区已经完全转化为回火索氏体，并进入下一步；如果否，转入步骤(5)，
(7)判断j≥K是否满足，如果是，说明设定的熔覆的层厚已经完成，进入下一步；如果否，转入步骤(5)，
(8)结束。
以下结合实例详细描述珠光体钢激光熔覆工艺规范制定方法及其效果。
实例一：钢轨激光熔覆工艺规范制定方法
本实施例采用光纤激光器，基体材料为U71Mn珠光体钢轨，合金粉末为铁基合金粉末，激光加工工艺参数为：激光功率5300W，光斑尺寸15mm×3mm，熔覆移动速度为650mm/min，送粉量为25g/min。
(1)设需要熔覆的总层数k＝21，设定激光熔覆工艺参数，单层熔覆层1的厚度h1＝240μm，测量马氏体区2的深度δ＝880μm。
测量激光熔覆时马氏体区2的表面温度变化曲线，并拟合计算获得数学表达式1：T＝1221.37*exp(-z/7052.46)+806.48*exp(-z/508.34)-212.79；其中，T为马氏体区的表面温度，z为熔覆层厚度。
测量激光熔覆时马氏体区2底部的温度变化曲线，并经过拟合计算获得数学表达式2：T＝780.79*exp(-z/4978.1)-21；其中，T为马氏体区的底部温度，z为熔覆层厚度。
(2)设Nc1＝5，且Nc1次熔覆使马氏体区底部出现稳定回火区的温度基准值Tc1＝580℃，根据数学表达式2计算z＝Nc1*h1＝1200μm处的温度T1＝592.5℃，显然，T1＞Tc1，则该工艺的阶梯回火效果达到要求，进入下一步。
(3)设多层熔覆使马氏体区完全回火的表面温度的基准值Tc2＝630℃，根据数学表达式1计算Tc2温度下的熔覆层厚度hm＝2640μm，Nm＝hm/h1＝11，其中Nm取正整数。
(4)显然Nm＞Nc1，说明回火马氏体区的硬度达到要求，且工艺规范制定环节结束，设熔覆层数的变量为j(j＝0，1,，2，...，m)，令j＝0，进入下一步。
(5)令j＝j+1，开启激光器，按照设定的参数进行激光熔覆。
(6)判断j≥Nm是否满足，如果是，说明马氏体区已经完全转化为回火索氏体，并进入下一步；如果否，转入步骤(5)。
(7)令j＝j+1，开启激光器，按照设定的参数进行激光熔覆。
(8)判断j≥K是否满足，如果是，说明设定的熔覆层的层厚已经完成，进入下一步；如果否，转入步骤(7)。
(9)结束
其中，步骤(1)中采用热电耦测量温度曲线，将热电耦预置在基体的表面进行熔覆，记录基体表面在不同厚度熔覆层时的最高温度，再根据测量的温度数据拟合计算获得马氏体区的表面温度变化曲线的数学表达式1；数学表达式2的曲线是马氏体区底部880μm处的温度曲线；拟合计算的数学表达式1的曲线、数学表达式2的曲线以及激光熔覆阶梯回火的示意图，如图1所示。
步骤(2)中，根据X射线物相衍射分析的结果，本实例中5层熔覆时要求马氏体区底部的温度大于580℃，以便获得稳定回火层；第1层熔覆后，单层熔覆层1下的钢轨基体10表面产生马氏体区2，马氏体区2的下面为热影响区8；金相分析表明本实例马氏体区2的深度δ为880μm，硬度为860HV，其组织变化示意图如图2所示；第2层熔覆后，一次阶梯回火区3的温度范围为723℃-688℃，硬度为756HV，一次阶梯回火区3的组织变化示意图如图3所示；第3层熔覆后，二次阶梯回火区4的温度范围为688℃-655℃，硬度578HV，二次阶梯回火区3的组织变化如图4所示；第4层熔覆后，三次阶梯回火区5的温度范围为655℃-623℃，硬度505HV，三次阶梯回火区5的组织变化示意图如图5所示；前三次阶梯回火在马氏体区底部形成硬度降低的过渡区；第5层熔覆后，第四次阶梯回火生成一次稳定回火区6，其温度范围为623℃-593℃，硬度达到最低值440HV，一次稳定回火区6的组织变化示意图如图6所示。总体上可以将多层激光熔覆钢轨试样的组织变化形态划分为三个区：I区为马氏体区2，II区为过渡区，包括前三次阶梯回火区，II区为丝状回火组织，从一阶梯回火次到三次阶梯回火，回火过渡区的丝状回火组织析出物变得越来越密集，直到在第III区形成稳定回火区6，电镜观察可以看出该稳定回火区的组织为回火索氏体；这种回火组织逐渐过渡变化的现象，说明激光快速加热情况下的马氏体回火是一个伴随析出物形核、长大直至发生珠光体相变的过程。
步骤(3)中，根据X射线物相衍射分析的结果，多层熔覆使马氏体区完全回火的表面温度的基准值Tc2＝630℃时，基体回火可以完全去除马氏体区；根据数学表达式1计算Tc2温度下的熔覆层总厚度hm值，其中，完全去除马氏体区需要的熔覆层数Nm＝hm/h1，Nm取正整数为11，要求Nm≥5，否则，马氏体区难以全部消除；
步骤(4)至步骤(8)中，经过11层熔覆后，深度δ为880μm的马氏体区2最后完全转变为回火索氏体，硬度从860HV降低到440HV，完全转变为回火索氏体的组织变化如图7所示；11层熔覆中，第1层熔覆后形成马氏体区，前3次阶梯回火形成过渡回火组织；后7次阶梯回火形成7个稳定回火区6，金相分析结果表明，每个稳定回火区6的厚度为150μm，逐渐向上扩展，直到基体10中的马氏体区2全部转变为回火索氏体。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于阶梯回火的激光熔覆方法，其特征在于，其利用基体表面激光熔覆层的热循环过程对基体表面的马氏体区进行不同温度的阶梯回火，逐渐将所述马氏体转变为回火索氏体，具体的，根据马氏体区底部出现稳定回火区所需的温度基准值为判断标准，再根据需要进行熔覆次数的要求，调整激光熔覆的工艺参数，进而实现对单次熔覆层的厚度的调整，最后制定激光熔覆工艺规范，并执行激光熔覆，使得马氏体区底部和马氏体区表面均能完成稳定回火。
2.如权利要求1所述的一种基于阶梯回火的激光熔覆方法，其特征在于，首先进行工艺规范制定和考核，然后，根据考核合格的工艺规范执行激光熔覆工艺，进行工艺规范制定和考核的过程如下：
第一步，测量激光熔覆时马氏体区的表面温度变化曲线和马氏体区底部的温度变化曲线，
第二步，通过设定激光熔覆的工艺参数，使得T1≥Tc1，其中，T1是进行Nc1次熔覆后整个熔覆层最深处的温度，Tc1是Nc1次熔覆后使马氏体区底部出现稳定回火区的温度基准值，
第三步，根据多层熔覆使马氏体区完全回火的表面温度基准值Tc2计算获得熔覆层总厚度hm，令Nm＝hm/h1，Nm取正整数，h1为单层熔覆层厚度，
第四步，判断Nm≥Nc1是否满足，如果是，说明回火马氏体区的硬度达到要求，工艺规范制定环节结束，如果否，转入第二步，调整激光熔覆工艺参数，以便降低h1值，直到Nm≥Nc1。
3.如权利要求2所述的一种基于阶梯回火的激光熔覆方法，其特征在于，其具体包括如下步骤：
(1)设熔覆层数的变量为j，其中，j＝0，1，2，...，m，令j＝0，需要熔覆的总层数为K，设定激光熔覆工艺参数，测量单层熔覆层厚度h1，马氏体区具有一定的厚度，记为δ，测量激光熔覆时马氏体区的表面温度变化曲线和马氏体区底部的温度变化曲线，
(2)设Nc1次熔覆使马氏体区底部出现稳定回火区的温度基准值为Tc1，计算z＝Nc1*h1处的温度T1，判断T1≥Tc1是否满足，如果是，则回火效果可以达到要求，进入下一步；如果否，转入步骤(1)，调整激光熔覆工艺参数，以便降低h1值，
(3)设多层熔覆使马氏体区完全回火的表面温度基准值为Tc2，计算Tc2温度下的熔覆层总厚度hm，令Nm＝hm/h1，其中Nm取正整数，
(4)判断Nm≥Nc1是否满足，如果是，说明回火马氏体区的硬度达到要求，且工艺规范制定环节结束，进入下一步；如果否，转入步骤(1)，调整激光熔覆工艺参数，以便降低h1值，
(5)令j＝j+1，开启激光器，按照设定的参数进行激光熔覆，
(6)判断j≥Nm是否满足，如果是，说明马氏体区已经完全转化为回火索氏体，并进入下一步；如果否，转入步骤(5)，
(7)判断j≥K是否满足，如果是，说明设定的熔覆的层厚已经完成，进入下一步；如果否，转入步骤(5)，
(8)结束。
4.如权利要求3所述的一种基于阶梯回火的激光熔覆方法，其特征在于，步骤(1)中，测量激光熔覆时马氏体区的表面温度变化曲线，并计算拟合获得表达式(1)如下：
T＝A1*exp(-z/t1)+A2*exp(-z/t2)+C1 (1)
其中，T为马氏体区的表面温度，z为熔覆层厚度，A1，A2，t1，t2，C1均为根据测量的温度变化曲线，拟合计算得到的常数。
5.如权利要求3所述的一种基于阶梯回火的激光熔覆方法，其特征在于，测量激光熔覆时马氏体区底部的温度变化曲线，计算拟合获得表达式(2)如下：
T＝A3*exp(-z/t3)+C2 (2)
其中，T为马氏体区底部的温度，z为熔覆层厚度，A3，t3，C2均为根据测量的温度变化曲线，拟合计算得到的常数。
6.如权利要求3所述的一种基于阶梯回火的激光熔覆方法，其特征在于，将热电耦预置在基体的表面进行熔覆，记录基体表面在不同熔覆厚度时的最高温度，再根据测量的温度数据拟合计算获得马氏体区的表面温度变化曲线的表达式(1)。
7.如权利要求5所述的一种基于阶梯回火的激光熔覆方法，其特征在于，激光熔覆时马氏体区底部的温度变化曲线是指马氏体区底部中间位置与基体交界面处的温度曲线。
8.如权利要求5-7之一所述的一种基于阶梯回火的激光熔覆方法，其特征在于，步骤(2)中，采用表达式(2)计算z＝Nc1*h1处的温度T1。
9.如权利要求5-7之一所述的一种基于阶梯回火的激光熔覆方法，其特征在于，步骤(3)中，采用表达式(1)计算Tc2温度下的熔覆层厚度值z，此时，z＝hm。
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