激光熔覆层与基体间结合强度测试方法与流程

本发明涉及金属表面工程技术领域，具体涉及一种激光熔覆层与基体间结合强度测试方法。

背景技术：

激光熔覆是一种重要的材料表面改性技术，是利用高能量激光束辐射在金属表面，使合金粉末与基体表面迅速熔化、扩展和迅速凝固，冷却速度通常达到10²～10⁶℃/min，在基体表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，从而构成一种新的复合材料，以弥补机体所缺少的高性能或恢复尺寸，这种复合材料能充分发挥两者的优势，弥补相互间的不足，激光熔覆实现了熔覆层与基体间冶金结合。

激光熔覆层与基体间的结合强度是测定熔覆层与基体界面之间结合性能的一个最基本量，是考核激光熔覆强化与再制造性能的重要技术指标，结合强度的大小直接影响着熔覆后试件的使用性能，且对于激光加工工艺参数也是一个重要的数据反馈。实际生产中，诸如激光熔覆高等级轧机衬板，需要承受复杂的动载荷，熔覆合金层与衬板基体间的结合强度直接影响轧机工作的可靠性；激光熔覆后的轧辊，需要在工作中承受巨大的机械冲击力、热应力、轧制力等，其熔覆合金层与基体间的结合强度直接影响轧辊的使用寿命。目前由于测试方法和手段的限制，对于激光熔覆层与基体间结合强度的测试存在很大困难。由于激光熔覆与热喷涂的差异，不能直接应用热喷涂层结合强度的测定方法，因此选择一种定量、准确、简便、易加工、操作性好的激光熔覆层与基体界面结合强度的测试方法，对于激光熔覆层的力学性能测试研究有着重要的工程价值。

申请号为201810172378.8的专利申请公开了一种激光熔覆层结合强度测试方法，其公开的激光熔覆方法是在金属棒材的圆顶面上熔覆不小于200层熔覆层，每层熔覆厚度为0.4～0.5mm，即熔覆层最小为80～100mm，这在实际生产和加工中是难以实现的，而且其采用拉伸试样的方法得到熔覆层与基体金属材料的结合强度数据，拉伸的方法并不适用于脆性和硬度较高的材料，具有局限性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种激光熔覆层与基体间结合强度测试方法，采用圆棒试样，在试棒端面上激光熔覆合金粉末，熔覆后将熔覆层表面用磨床加工平整，对熔覆层进行无损检测，接着用铣床加工出盲孔，在液压机上通过模具压缩测试熔覆层与基体间的结合强度，并可通过公式计算出具体结合强度值。该方法工艺简单、测试数据可靠、成本低廉、且节能环保。

本发明采用的技术方案如下：

一种激光熔覆层与基体间结合强度测试方法，其具体包括以下步骤：

s1、车削：车削出直径50mm、长度35mm的45钢或40cr材质的圆棒做为试样；

s2、熔覆：采用激光熔覆数控机床，将合金粉末熔覆在圆棒一端，采用多层熔覆，熔覆合金层厚度为5.5mm，圆棒作为基体；

s3、磨削：在磨床上将熔覆层表面加工平整，磨削后圆棒长度为40mm；

s4、探伤：采用着色及超声波检测方法，对熔覆层进行探伤检测；

s5、铣削：在铣床上，从熔覆层方向沿着圆棒轴向进刀，通过铣刀加工出直径30mm的盲孔，盲孔深度为20mm；

s6、车削：从未熔覆的圆棒端面开始，通过车削将圆棒外圆加工到直径35mm、加工长度37mm，在与熔覆合金层过渡处加工出半径2mm的过渡圆角；

s7、压缩实验，得到结合强度值：

s71、在电液伺服压力液压机上进行压缩实验，将试样放置于液压机下平台上的模具中，通过安装于活动上平台的直径25mm圆柱冲头压入盲孔，进行压缩实验，观察试样的破断位置和形式；

s72、获得结合强度数据，结合强度值的表达式为：

其中，p——结合强度；

f——最大实验力；

d——试样车削后的直径；

d1——试样盲孔的直径；

s73、依据压缩实验结果进行判断：①.熔覆层从基体上全部脱落，s72所测得的结合强度值为熔覆层与基体的结合强度；②.熔覆层发生层间破断，则s72测得的结合强度值为熔覆层自身的熔覆强度值，熔覆层与基体的结合强度高于熔覆层自身的结合强度；③.基体发生破断，说明熔覆层自身结合强度及基体和熔覆层的结合强度均高于基体自身的强度。

优选地，所述多层熔覆的激光熔覆方法中，每层熔覆厚度为1.2-1.8mm。

优选地，所述激光熔覆的参数控制为：激光器光斑为2×14mm矩形光斑，扫描功率为2500-4000w，扫描速度200-450mm/min，搭接率50％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明具有工艺简单、不产生污染、节能环保、测试准确的优点。

2)本发明提供了一种可以精确测试熔覆层与基体间结合强度的方法，能够较为准确得到熔覆层与基材的结合强度值，可以为激光熔覆粉末设计、工艺选择提供可靠的支持，同时对于激光熔覆产品的寿命评估提供重要的参考数据。

3)本发明采用压缩实验进行测试获得熔覆层与基体间的结合强度值，适用于脆性较高、硬度较高的材料。

附图说明

图1为本发明的进行压缩实验测试时的示意图；

图2为车削后进行压缩实验前的试样；

图3为具有熔覆层的试样进行压缩实验后的破断图；

图4为未熔覆的试样进行压缩试样后的破断图；

图5为未熔覆的试样的实验力-位移曲线；以及

图6为熔覆316l粉末的试样的实验力-位移曲线。

图中：1圆柱冲头，2熔覆层，3模具支撑架，4试样。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和性能方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

一种激光熔覆层与基体间结合强度测试方法，其具体包括以下步骤：

s1、车削：通过车床车削出直径50mm、长度35mm的45钢或40cr材质的圆棒做为试样；

s2、熔覆：采用激光熔覆数控机床，将合金粉末熔覆在圆棒一端，采用多层熔覆，每层熔覆厚度为1.2-1.8mm，激光熔覆的参数控制为：激光器光斑为2×14mm矩形光斑，扫描功率为2500-4000w，扫描速度200-450mm/min，搭接率50％，熔覆合金层厚度为5.5mm，圆棒作为基体；

s3、磨削：在磨床上将熔覆层表面加工平整，磨削后圆棒长度为40mm；

s4、探伤：采用着色及超声波检测方法，对熔覆层进行探伤检测；

s5、铣削：在铣床上，从熔覆层方向沿着圆棒轴向进刀，通过铣刀加工出直径30mm的盲孔，盲孔深度为20mm；

s6、车削：从未熔覆的圆棒端面开始，通过车削将圆棒外圆加工到直径35mm、加工长度37mm，在与熔覆合金层过渡处加工出半径2mm的过渡圆角；

s7、压缩实验，得到结合强度值：

s71、在200kn的电液伺服压力液压机上进行压缩实验，将试样放置于液压机下平台上的模具中，通过安装于活动上平台的直径25mm圆柱冲头1压入盲孔，进行压缩实验，观察试样的破断位置和形式；

s72、获得结合强度数据，结合强度值的表达式为：

其中，p——结合强度；

f——最大实验力；

d——试样车削后的直径，即35mm；

d1——试样盲孔的直径,即30mm；

s73、依据压缩实验结果进行判断：①.熔覆层从基体上全部脱落，s72所测得的结合强度值为熔覆层与基体的结合强度；②.熔覆层发生层间破断，则s72测得的结合强度值为熔覆层自身的熔覆强度值，熔覆层与基体的结合强度高于熔覆层自身的结合强度；③.基体发生破断，说明熔覆层自身结合强度及基体和熔覆层的结合强度均高于基体自身的强度。

优选的，圆棒试样的直径和长度，盲孔的直径和深度，车削后的圆棒的直径和长度以及过渡圆角的尺寸均可根据相似理论按相同比例增减。

实施例一

选用未熔覆的和熔覆316l粉末的45钢基材的试样进行对比实验，车削后进行压缩实验前的试样如图2所示。

采用相同的压缩试验对未熔覆的试样和熔覆316l粉末的试样进行对比试验，观察其破断位置和形式，具体如下：

在电液伺服压力液压机上进行压缩实验，将未熔覆的试样放置于液压机下平台上的模具中，通过安装于活动上平台的直径25mm圆柱冲头压入盲孔，进行压缩实验，观察试样的破断位置和形式，如图4所示，其拉断面是轴径径缩面直接拉断。

采用本发明的方法，测试激光熔覆316l粉末与45钢基材的结合强度，如图1所示，在电液伺服压力液压机上进行压缩实验，将熔覆有5.5mm的316l粉末的试样4放置于液压机下平台上的模具支撑架3上，通过安装于活动上平台的直径25mm圆柱冲头1压入熔覆层2的盲孔，进行压缩实验，观察试样的破断位置和形式，如图3所示，其总是沿着试样剖面成大约30度方向上斜着断裂，且是在熔覆层组织上发生破坏。

将未熔覆的和熔覆316l粉末的45钢基材的试样分为两组进行结合强度测试实验，将试样均按图纸进行加工，两组试样各选3个，未熔覆试样编号为1、2、3，熔覆合金粉末试样编号为4、5、6，并把实验数据整理如表1所示。

表1结合强度实验数据

通过实验后基材试样与合金粉末熔覆试样破坏情况和所计算出的结合强度的对比可以看到：两者的破坏均发生在最危险的截面上；如图4所示，未熔覆的试样的拉断面是轴径径缩面直接拉断；如图3所示，熔覆316l粉末的45钢基材的试样的破断处总是沿着试样剖面成大约30度方向上斜着断裂，且是在熔覆层组织上发生破坏，由此判断，熔覆层与基体间的结合强度大于熔覆层自身强度，即熔覆316l粉末与45钢基材的结合强度大于熔覆层的结合强度，根据步骤s72的判断规则，表1计算得到的结合强度为熔覆层自身的强度，为410.8595mpa，所以熔覆316l粉末与45钢基材的结合强度大于410.8595mpa。

实施例二

熔覆层采用高铬铸铁型铁基合金粉末fe700，基材40cr材质，测试激光熔覆层与基体间结合强度，其具体包括以下步骤：

s1、车削：通过车床车削出直径50mm、长度35mm的40cr材质的圆棒做为试样；

s2、熔覆：采用激光熔覆数控机床，将高铬铸铁型铁基合金粉末fe700熔覆在圆棒一端，激光熔覆的参数控制为：激光器光斑为2×14mm矩形光斑，扫描功率为3000w，扫描速度350mm/min，搭接率50％，熔覆4层，熔覆合金层厚度为5.5mm，圆棒作为基体；

s3、磨削：在磨床上将熔覆层表面加工平整，磨削后圆棒长度为40mm；

s4、探伤：采用着色及超声波检测方法，对熔覆层进行探伤检测；

s5、铣削：在铣床上，从熔覆层方向沿着圆棒轴向进刀，通过铣刀加工出直径30mm的盲孔，盲孔深度为20mm；

s6、车削：从未熔覆的圆棒端面开始，通过车削将圆棒外圆加工到直径35mm、加工长度37mm，在与熔覆合金层过渡处加工出半径2mm的过渡圆角；

s7、压缩实验，得到结合强度值：

在200kn的电液伺服压力液压机上进行压缩实验，将试样4放置于液压机下平台上的模具支撑架3中，通过安装于活动上平台的直径25mm圆柱冲头1压入盲孔，进行压缩实验，观察试样4的破断位置和形式；

实验结果：fe700高铬铸铁型合金粉末激光熔覆层硬度达到hrc63，自身结合强度低，在压缩实验中，fe700熔覆层首先发生层间断裂，说明其熔覆层与基体的结合强度及基材本身的结合强度均高于熔覆层自身的结合强度值，通过s72测得的fe700合金粉末激光熔覆层自身结合强度值为276.3691mpa，所以，fe700合金粉末激光熔覆层与40cr基材的结合强度大于276.3691mpa。

实施例三

熔覆层采用ysu45铁基合金粉末，基材45钢材质，测试激光熔覆层与基体间结合强度，其具体包括以下步骤：

s1、车削：通过车床车削出直径50mm、长度35mm的45钢材质的圆棒做为试样；

s2、熔覆：采用激光熔覆数控机床，将ysu45铁基合金粉末(成分百分比：c1.1～1.2％，cr16.2～16.9％，ni4.0～4.5％，si1.1～1.2％，mo1.5～1.7％，mn1.0～1.2％，余量为fe)熔覆在圆棒一端，激光熔覆的参数控制为：激光器光斑为2×14mm矩形光斑，扫描功率为3300w，扫描速度320mm/min，搭接率50％，熔覆4层，熔覆合金层厚度为5.5mm，圆棒作为基体；

s3、磨削：在磨床上将熔覆层表面加工平整，磨削后圆棒长度为40mm；

s4、探伤：采用着色及超声波检测方法，对熔覆层进行探伤检测；

s5、铣削：在铣床上，从熔覆层方向沿着圆棒轴向进刀，通过铣刀加工出直径30mm的盲孔，盲孔深度为20mm；

s6、车削：从未熔覆的圆棒端面开始，通过车削将圆棒外圆加工到直径35mm、加工长度37mm，在与熔覆合金层过渡处加工出半径2mm的过渡圆角；

s7、压缩实验，得到结合强度值：

在200kn的电液伺服压力液压机上进行压缩实验，将试样4放置于液压机下平台上的模具支撑架3中，通过安装于活动上平台的直径25mm圆柱冲头1压入盲孔，进行压缩实验，观察试样4的破断位置和形式；

实验结果：ysu45铁基合金粉末激光熔覆性优秀，其激光熔覆层硬度为hrc45，自身结合强度高，组织致密，强度大，在压缩实验中，45钢基材首先发生破断，说明熔覆层自身结合强度及熔覆层和基体的结合强度均高于基体自身的强度，通过s72测得的基体材料结合强度值为595.5142mpa，可以明确判断出熔覆层自身结合强度及ysu45铁基合金粉末熔覆层和45钢基体的结合强度均高于595.5142mpa。

本发明的熔覆厚度为5.5mm，可以适用于常用的钛合金粉末、铁基合金粉、铜基合金粉、镍基合金粉、钴基合金粉、铝合金粉、贵重金属合金粉和金属基陶瓷合金粉末等，且压缩试验既适用于脆性高和硬度高的材料，也可以适用于硬度低、韧性好的材料，适用于常用的熔覆材料，通用性强。而申请号为201810172378.8的专利申请公开了一种激光熔覆层结合强度测试方法，采用拉伸试样的方法得到熔覆层与基体金属材料的结合强度数据，拉伸的方法并不适用于脆性和硬度较高的材料，具有明显的局限性。

另外，申请号为201810172378.8的专利申请公开的激光熔覆方法是在金属棒材的圆顶面上熔覆不小于200层熔覆层，每层熔覆厚度为0.4～0.5mm，即熔覆层最小为80～100mm，这在实际生产和加工中是难以实现的，特别是对于高硬度金属粉末(包括钴基合金粉末、铁基合金粉末、镍基合金粉末)、金属基陶瓷合金粉末等更是无法实现的，因为对于激光熔覆后熔覆层硬度超过hrc57以上的合金粉末，当熔覆层厚度达到6mm时，往往需要通过3层以上的熔覆才能实现，这时熔覆层中内应力已经非常大，开裂倾向明显，继续熔覆极易开裂，导致熔覆层脱落，无法制得申请号为201810172378.8的专利所需要的熔覆层厚度最小80～100mm，也就无法制得其需要的拉伸试件。从公开的相关材料也可以证明这一点：1.张昌春,石岩发表在《激光技术》,2011,35(04):448-452的论文：激光熔覆高厚度涂层技术研究现状及发展趋势[j]一文中“仅靠低厚度激光熔覆层已不能满足要求，熔覆层需达到高厚度2mm以上，高硬度hrc60以上”，即在激光熔覆领域，对于高硬度熔覆层，2mm以上已经属于高厚度了；2.杨胶溪,左铁钏,王喜兵,陈虹,闫婷,郭江,武强,于振声在《应用激光》,2008(01):1-5上发表的论文：9cr2mo冷轧辊激光宽带熔覆修复强化[j].一文中“激光熔覆修复轧辊的主要难点在于所要求的涂层硬度高，高厚度大面积的激光熔覆修复对粉末材料和具体的工艺都有很高的难度”，作者在文章中最终做到的激光熔覆层高厚度也仅为2.5～3.0mm。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。