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嘉峪檢測網 2019-11-28 16:40
激光熔覆技術
近年來關于激光熔覆技術的研究日益深入，其中熔覆層與金屬基體的界面結合情況成為研究者們關注的熱點。
激光熔覆技術在控制閥行業作為材料表面硬化技術得到廣泛應用，采用激光熔覆工藝得到的熔覆層與基體的結合強度成為熔覆層與基體是否結合牢固的判斷標準。
檢測方法
熔覆層與基體結合強度的檢測方法按檢測對象可分為對力的檢測和對能量的檢測兩種；按檢測性質可分為定性檢測和定量檢測。其中，定性檢測主要有彎曲法、沖擊法等；定量檢測主要有刮剝法、拉拔法、拉伸法、壓縮法、剪切法、聲發射法等。各種檢測方法實施的難易程度和檢測結果的準確性都不相同。
拉伸法包括橫向拉伸法，該方法的試驗示意如圖1所示。
圖1 橫向拉伸法試驗示意圖
采用壓縮法進行激光熔覆層與基體結合強度的評定方法示意如圖2所示。
圖2 壓縮法試驗示意圖
其主要步驟如下：
(1)對基體表面進行激光熔覆，得到表面改性的基體。
(2)對表面改性的基體進行切割得到樣塊，在樣塊中激光熔覆層與基體結合面上對稱開設凹槽。
(3)將壓頭分別放入對稱的凹槽中，進行壓縮試驗，測得壓縮至開裂時的最大載荷。
(4)根據步驟(3)中的最大載荷，通過力學公式計算得出結合面的最大應力。
(5)以基體為對象，按照上述方法得到基體的最大應力值，對比接合面和基體的最大應力，評定激光熔覆層與基體結合強度。該方法的試樣易于制備和裝夾，操作便捷，可準確地對結合強度進行評定，有效地避免了因結合強度不夠造成的熔覆層脫落問題。
剪切法示意圖如圖3所示，測得最大壓縮力后可計算得到結合強度。
圖3 剪切法試驗示意圖
除了上述檢測方法，激光熔覆層與基體結合強度的檢測方法還有劃痕法、壓痕法、拉撥法、刮撥法、附著能法、超聲波法、沖擊波法、超離心法和電磁力法等。
目前，關于金屬材料的激光熔覆層與基體結合強度的檢測還沒有相關標準。為給激光熔覆層與基體結合強度的檢測標準的建立提供參考，筆者選擇GB/T 6396-2008«復合鋼板力學及工藝性能試驗方法»中規定的粘接試驗方法為參考，將激光熔覆層視為復材，對304不銹鋼棒材和20鋼棒材的激光熔覆層與基體的結合強度進行了檢測。
試驗方法
分別取表面激光熔覆鈷基合金STL粉末后的304不銹鋼棒材和20鋼棒材，按照GB/T 2975-2018«鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備»，在上述鋼棒的激光熔覆層與基體結合處切取試樣，試樣的形狀與尺寸如圖4所示。
圖4 粘接試驗試樣的形狀和尺寸
試驗采用粘接試驗裝置，如圖5所示。
圖5 粘接試驗裝置
試驗裝置應確保試驗力(F)作用在環形結合面的中心，使結合面均勻受力。在該裝置的凹模中心加工直徑為6mm的通孔，以便于取出斷裂的試樣。采用WE-600B型萬能液壓試驗機加載靜壓力(加載速率不大于500N·s-1)，使垂直于作用力方向的基材和復材在結合面上受到法向拉力直至材料斷裂，測得加載的靜壓力，進而計算得到結合面的結合強度。試驗模具的維氏硬度不低于600HV。
結合強度的計算公式為
試驗結果
圖6 304不銹鋼棒材試樣受到的法向拉力測試結果
由圖6可見，在測試過程中304不銹鋼棒材試樣所受到的法向拉力的峰值為62.40kN。
圖7 試樣拉伸斷裂后的宏觀形貌
圖7為304不銹鋼棒材試樣拉伸斷裂后的宏觀形貌，可見斷裂發生在激光熔覆層與基體的結合處，斷裂部位面積超過了結合面面積的一半。
計算得到304不銹鋼棒材熔覆層與基體的結合強度分別為515，550，495MPa，平均值為520MPa，該值接近304不銹鋼的抗拉強度值，相對標準偏差為4.37％；斷裂部位在熔覆層和基體界面結合處，其占據結合面面積的60％~70％。計算得到20鋼棒材熔覆層與基體的結合強度分別為485，485，470MPa，平均值為480MPa，該值接近20鋼的抗拉強度值(410MPa)，相對標準偏差為1.47％。斷裂部位在熔覆層和基體界面結合處，其在結合面所占的面積百分比為70％~80％。
將激光熔覆層視為復材，采用粘接試驗的方法可用來檢測激光熔覆層與基體結合強度，試樣制備和試驗方法簡單易行，對試驗設備的要求不高，在普通的萬能材料試驗機上即可實施。采用粘接試驗的方法測定的激光熔覆層與基體結合強度的相對標準偏差在5％以內。
作者：王文明，高級工程師，無錫智能自控工程股份有限公司
來源：王文明理化檢驗
