摘要
Mo2FeB2金属陶瓷是三元硼化物金属陶瓷领域的研究热点，目前Mo2FeB2金属陶瓷采用真空烧结工艺制备，设备投资大、生产效率低、成本高、工程应用的适应性差。研究Mo2FeB2金属陶瓷微细粉末及其激光熔覆工艺，对于智能化、低成本、个性化、小批量生产耐磨、耐腐蚀等特殊性能产品具有重要意义。 本文采用感应熔炼气雾化法制备了激光熔覆用Mo2FeB2金属陶瓷粉末，测试分析了粉末特性参数。通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电子探针、硬度计和磨损实验等手段，研究了粉末中RE(稀土)、TiC含量及激光熔覆工艺参数对熔覆金属组织和性能的影响，并利用Ansys软件对激光熔覆热过程进行了数值模拟。 粉末测试结果表明，粉末呈球状，表面存在卫星球和轻微的包覆现象;粒度呈正态分布;直径为74μm(200目)、105μm(140目)的粉末表面呈现发达的等轴晶状花瓣组织:随着粉末粒径的减小，流动性逐渐变差，但松装密度变化不大;粉末主要由正方晶体结构的Mo2FeB2相和二元硼化物CrB、MoB、Fe2B相组成。 与不加稀土的粉末相比，加入2％稀土粉末的熔覆层Mo2FeB2硬质相明显细化，且以块状为主，稀土添加量增加到4％后，硬质相开始连接生长，稀土添加量增加到8％时，硬质相较为粗大且分布不均匀。添加0％、2％、4％、8％稀土粉末熔覆层硬度分别为627HV、923HV、1008HV和742HV，添加稀土使熔覆层的硬度明显提高。添加5％、10％和15％TiC的粉末，其熔覆层硬质相均由不添加的条状转变为块状，并且随着TiC添加量的增加，硬质相的尺寸逐渐减小。添加0％、5％、10％和15％TiC粉末熔覆层平均显微硬度分别为627HV、994HV、962HV和656HV，添加5％TIC的最高。复合加入2％稀土+5％TiC粉末熔覆层显微硬度为1020.4HV，与单独加入的相比，熔覆层硬度有一定程度的提高。 随着扫描速度由300mm/min增加到450mm/min，含2％稀土粉末R熔覆层硬质相由细长条状+少量块状逐渐转变为细小的块状，扫描速度300mm/min、350mm/min,400mm/min和450mm/min熔覆层显微硬度分别为798.15HV、717.87HV、923.47HV和992.29HV，磨损失重分别为16.7mg、15.2mg、12.7mg、17.8mg。提高扫描速度有增加熔覆层显微硬度的趋势，熔覆金属以粘着磨损为主，扫描速度400mm/min的耐磨性能最好。扫描速度400mm/min、350mm/min、300mm/min条件下，含2％稀土+5％TIC粉末RT熔覆层硬质相的Mo/Fe值分别为1.55、1.20、1.32，均小于2，表明Cr元素替代Mo2FeB2晶格中Mo元素的位置，硬质相面积分数分别为35.00％、25.32％、23.54％，扫描速度400mm/min的面积分数最大，熔覆层显微硬度分别为1020.7HV、903.1HV、908.3HV。 激光功率3500W、4000W、4500W、5000W条件下，R粉末熔覆层硬质相面积分数分别为60.31％、54.74％、50.07％、40.60％，随着激光功率的增加，熔覆层硬质相面积分数逐渐下降，熔覆层显微硬度分别为856.2HV、923.5HV、1030.3HV、642.6HV。激光功率3500W的RT粉末熔覆层硬质相呈长条状，4000W的为短轴状和块状，4500W和5000W的基本都呈现为块状，但5000W的硬质相生成量明显减少。激光功率3500W、4000W、4500W、5000W熔覆层硬质相面积分数分别为32.82％、35.00％、32.93％、10.70％，当激光功率增加到5000W后，熔覆层硬质相面积分数大幅度减少，熔覆层显微硬度分别为970.7HV、1020.7HV、1013.8HV、982.3HV。 建立了激光熔覆热过程的有限元模型，验证了矩形光斑热源模型的可靠性，借助熔池冶金反应的吉布斯自由能，分析了熔池的相变过程。结果表明，激光功率3500W、4000W、4500W和5000W，熔池中Mo2FeB2的生成时间分别为0.8s、1.6s、2.2s和3.5s。扫描速度300mm/min、350mm/min、400mm/min和450mm/min熔池中Mo2FeB2的生成时间分别为3.6s、2.4s、1.7s和1s，稀释率为15.38％、11.54％、7.69％、1.54％，根据稀释率的计算结果，确定400mm/min的扫描速度较为合适。
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