摘要：选用含稀土Y的合金粉末，采用同步法激光熔覆工艺方法对失效的5CrNiMo模具进行了修复，并进行了显微组织、硬度、耐磨性和抗高温氧化性的测试与分析。结果表明，同步法激光熔覆技术可以实现5CrNiMo模具的成功修复，含稀土Y 的合金粉与5CrNiMo基体形成了良好的冶金结合；此外，模具的表面硬度、耐磨性和抗高温氧化性因此而分别提高了40.2%、85.7%和86.3%。
5CrNiMo模具是模具产品中常用的一种模具，常用作锤锻模、热锻模等热作模具。经过一定的使用时间后，模具不可避免地产生失效，导致无法正常工作。由于模具的制造费用普遍较高，如果模具一旦失效就丢弃，将给企业带来巨大的生产成本压力，同时也造成严重的资源浪费。为此，人们进行了一系列的模具修复相关研究，采用较低的成本使失效模具得到修复，从而重新投入使用，不仅为企业降低了成本，而且有效节约了资源，因此深受模具使用企业的青睐。激光熔覆是模具修复的一种常用方法，它的热源是激光，将不同于基材的金属或合金熔合在失效模具表面，形成熔覆层，从而实现模具的修复，完成模具的再制造，使其能再次投入生产使用。由于激光熔覆具有热影响区小、与基材结合程度高、自动化程度较高、变形小等优点，而被广泛地应用在模具修复、金属件表面处理等领域。本文采用激光熔覆技术，对失效的5CrNiMo模具进行修复研究。
1 实验材料与方法
1.1 实验材料
以失效的5CrNiMo模具为试验对象，经过Q6型直读光谱仪和TY2000型微量硫磷分析仪分析出其化学成分，结果如表1所示。通过同步法激光熔覆工艺，将含稀土钇(Y)的合金粉末熔覆在失效的5CrNiMo模具表面。所选用合金粉末的化学成分如表2所示。激光熔覆试验的激光器为HANSGS-H10000型横流激光器、送粉器为JKF-6型自动送粉器，主要的工艺参数是：激光功率3.5kW，光斑直径3mm，激光扫描速度280mm/min，送粉速度12g/min，熔深1mm。
1.2 试样的组织观察和性能测试
激光熔覆试样的金相组织采用HitachiS-3700N型扫描电镜(SEM)进行观察和拍照，试样是沿激光扫描的垂直方向切取横截面而制备的。
试样的硬度测试采用RDT700型洛氏硬度计进行，载荷0.5N。为了减少试验误差，每个试样选取5个点进行硬度测试，以其算术平均值作为试样的硬度值。试样的磨损试验在UMT型多功能摩擦磨损试验机上进行，测试过程中的各项参数为：磨损载荷200N，磨轮转速250r/min，摩擦总转数为2500r，相对滑动速度85mm/min，摩擦过程的冷却液为0.5%重铬酸钾水溶液。记录试样的磨损体积，以此表征试样的耐磨性。试验后，采用OlympusGX15型金相显微镜对磨损后的试样进行显微组织观察和拍照。
试样的高温氧化试验在SX2型箱式电阻炉中进行。试验前，先将试样放入110℃烘箱中进行加热，直至试样的质量恒定后迅速进行称重并记录；同时将盛放试样的坩埚放入650℃的SX2型箱式电阻炉中加热到质量恒定后，将电阻炉温度降至500℃。然后将试样放坩埚中，进行600℃×240h的高温氧化试验，每隔24h称量一次试样并记录。绘制试样的单位面积质量增量-时间曲线，以此表征试样的抗高温氧化性。
2 结果及讨论
2.1 显微组织分析
激光熔覆层由表及里分为合金熔覆区、合金与基体结合区和基体的热影响区共3个区域。经过激光熔覆修复的5CrNiMo模具试样，其熔覆层的显微组织如图1所示。可以看出，含稀土Y的合金粉与5CrNiMo模具基体形成了良好的冶金结合。其结合区主要是由较粗大的柱状晶和细小的共晶所组成，且垂直于界面生长。
2.2 硬度测试结果及讨论
试样的表面硬度测试结果如图2所示。可以看出，与失效的5CrNiMo模具试样相比，经过激光熔覆修复的5CrNiMo模具试样，表面硬度值明显增加，从37.6提高至52.5HRC，提高了40.2%。此外，激光熔覆修复后的5CrNiMo模具试样，在距离熔覆层表层0.3mm处硬度为53.1HRC；0.7mm处硬度为53.5HRC；1.5mm处硬度为41.3HRC；结合区显微硬度最大值为54.1HRC，出现在距离表层1mm处。激光熔覆层的表层硬度稍低是因为在激光熔覆表层，高能激光造成了合金元素的部分烧损，从而造成表面硬度稍低。由此可以看出，激光熔覆层保持一定的硬度梯度，有利于修复后的5CrNiMo模具正常工作。
2.3 磨损试验结果及讨论
试样的磨损试验结果如图3所示；经过磨损试验后试样的表面形貌如图4所示。从图3可以看出，与失效的5CrNiMo模具试样相比，经过激光熔覆修复的5CrNiMo模具试样，磨损体积显著减小，从196×10-3mm3减小至28×10-3mm3，提高了85.7%。从图4可看出，失效的5CrNiMo模具经过磨损试验后，表面有明显的条状划痕和多处脱落；而激光熔覆修复后的模具试样表面无明显的划痕和脱落。由此可看出，5CrNiMo失效模具经过激光熔覆修复后，耐磨损性能大大提高；激光熔覆工艺实现了5CrNiMo模具的修复。这主要是因为含稀土钇的合金粉末在高能激光的作用下，快速熔覆在5CrNiMo模具的表面，形成了较基体组织明显细化、分布更加均匀的细小耐磨晶粒，有效提高模具的耐磨性；同时这些众多的细小晶粒使激光熔覆修复后的模具在磨损试验过程中与摩擦副接触晶粒增多，从而有效降低了晶粒内部的应力集中，避免局部区域过早的出现破损，从而进一步改善模具的耐磨性能。因此，可以看出激光熔覆修复的5CrNiMo模具具有优异的耐磨性能。
2.4 高温氧化试验结果及讨论
试样经600℃×240h高温氧化试验结果如图5所示。可以看出，与失效的5CrNiMo模具试样相比，经过激光熔覆修复的5CrNiMo模具试样，单位面积质量增量显著减少，从226减少至31μg/mm2，提高了86.3%。由此可看出，失效的5CrNiMo模具经过激光熔覆修复后，抗高温氧化性能明显提高。
3 结论
(1)选用含稀土Y的合金粉末，采用同步法激光熔覆工艺方法，实现了失效的5CrNiMo模具的成功修复。激光熔覆的主要工艺参数：激光功率3.5kW，光斑直径3mm，激光扫描速度280mm/min，送粉速度12g/min。
(2)在高能激光作用下，含稀土Y的合金粉与5CrNiMo模具基体形成了良好的冶金结合。其结合区主要由较粗大的柱状晶和细小的共晶所组成，且垂直于界面生长。
(3)采用激光熔覆方法进行失效的5CrNiMo模具修复，可使模具的表面硬度提高40.2%、耐磨性提高85.7%、抗高温氧化性提高86.3%。
