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嘉峪检测网 2019-11-28 16:40
激光熔覆技术
近年来关于激光熔覆技术的研究日益深入，其中熔覆层与金属基体的界面结合情况成为研究者们关注的热点。
激光熔覆技术在控制阀行业作为材料表面硬化技术得到广泛应用，采用激光熔覆工艺得到的熔覆层与基体的结合强度成为熔覆层与基体是否结合牢固的判断标准。
检测方法
熔覆层与基体结合强度的检测方法按检测对象可分为对力的检测和对能量的检测两种；按检测性质可分为定性检测和定量检测。其中，定性检测主要有弯曲法、冲击法等；定量检测主要有刮剥法、拉拔法、拉伸法、压缩法、剪切法、声发射法等。各种检测方法实施的难易程度和检测结果的准确性都不相同。
拉伸法包括横向拉伸法，该方法的试验示意如图1所示。
图1 横向拉伸法试验示意图
采用压缩法进行激光熔覆层与基体结合强度的评定方法示意如图2所示。
图2 压缩法试验示意图
其主要步骤如下：
(1)对基体表面进行激光熔覆，得到表面改性的基体。
(2)对表面改性的基体进行切割得到样块，在样块中激光熔覆层与基体结合面上对称开设凹槽。
(3)将压头分别放入对称的凹槽中，进行压缩试验，测得压缩至开裂时的最大载荷。
(4)根据步骤(3)中的最大载荷，通过力学公式计算得出结合面的最大应力。
(5)以基体为对象，按照上述方法得到基体的最大应力值，对比接合面和基体的最大应力，评定激光熔覆层与基体结合强度。该方法的试样易于制备和装夹，操作便捷，可准确地对结合强度进行评定，有效地避免了因结合强度不够造成的熔覆层脱落问题。
剪切法示意图如图3所示，测得最大压缩力后可计算得到结合强度。
图3 剪切法试验示意图
除了上述检测方法，激光熔覆层与基体结合强度的检测方法还有划痕法、压痕法、拉拨法、刮拨法、附着能法、超声波法、冲击波法、超离心法和电磁力法等。
目前，关于金属材料的激光熔覆层与基体结合强度的检测还没有相关标准。为给激光熔覆层与基体结合强度的检测标准的建立提供参考，笔者选择GB/T 6396-2008«复合钢板力学及工艺性能试验方法»中规定的粘接试验方法为参考，将激光熔覆层视为复材，对304不锈钢棒材和20钢棒材的激光熔覆层与基体的结合强度进行了检测。
试验方法
分别取表面激光熔覆钴基合金STL粉末后的304不锈钢棒材和20钢棒材，按照GB/T 2975-2018«钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备»，在上述钢棒的激光熔覆层与基体结合处切取试样，试样的形状与尺寸如图4所示。
图4 粘接试验试样的形状和尺寸
试验采用粘接试验装置，如图5所示。
图5 粘接试验装置
试验装置应确保试验力(F)作用在环形结合面的中心，使结合面均匀受力。在该装置的凹模中心加工直径为6mm的通孔，以便于取出断裂的试样。采用WE-600B型万能液压试验机加载静压力(加载速率不大于500N·s-1)，使垂直于作用力方向的基材和复材在结合面上受到法向拉力直至材料断裂，测得加载的静压力，进而计算得到结合面的结合强度。试验模具的维氏硬度不低于600HV。
结合强度的计算公式为
试验结果
图6 304不锈钢棒材试样受到的法向拉力测试结果
由图6可见，在测试过程中304不锈钢棒材试样所受到的法向拉力的峰值为62.40kN。
图7 试样拉伸断裂后的宏观形貌
图7为304不锈钢棒材试样拉伸断裂后的宏观形貌，可见断裂发生在激光熔覆层与基体的结合处，断裂部位面积超过了结合面面积的一半。
计算得到304不锈钢棒材熔覆层与基体的结合强度分别为515，550，495MPa，平均值为520MPa，该值接近304不锈钢的抗拉强度值，相对标准偏差为4.37％；断裂部位在熔覆层和基体界面结合处，其占据结合面面积的60％~70％。计算得到20钢棒材熔覆层与基体的结合强度分别为485，485，470MPa，平均值为480MPa，该值接近20钢的抗拉强度值(410MPa)，相对标准偏差为1.47％。断裂部位在熔覆层和基体界面结合处，其在结合面所占的面积百分比为70％~80％。
将激光熔覆层视为复材，采用粘接试验的方法可用来检测激光熔覆层与基体结合强度，试样制备和试验方法简单易行，对试验设备的要求不高，在普通的万能材料试验机上即可实施。采用粘接试验的方法测定的激光熔覆层与基体结合强度的相对标准偏差在5％以内。
作者：王文明，高级工程师，无锡智能自控工程股份有限公司
来源：王文明理化检验
