关于轧辊分段表面预处理对激光熔覆Ni60A修复层界面结合性能及裂纹抑制作用的研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Research on the influence of segmented surface pretreatment of rolls on the interfacial bonding and crack inhibition of Ni60A repair layer by laser cladding

　　激光熔覆修复中基体预处理对熔覆层性能的影响研究表明：预热处理（400℃）可降低热梯度，使稀释率降至21.91%，剪切强度提升11%；V型槽预处理（350μm深度）通过优化熔池形态和元素扩散，实现剪切强度80%的显著提升，同时形成均匀的细晶结构和高角度晶界，有效抑制裂纹。热应力分析证实预处理有效缓解残余应力集中，改善冶金结合。关键发现包括热梯度控制、熔池润湿角优化（降低19.8%）、Ni扩散距离扩展（112.77%）及晶界细化等机制。

　　
在大型滚轴的运维过程中，关键部件因极端热力学载荷和机械磨损会产生表面疲劳剥落和磨损现象。本文通过对比不同基体表面预处理工艺对激光熔覆修复层性能的影响，揭示了表面预处理与熔覆层质量之间的关联机制。研究聚焦于42CrMo合金钢基体表面预处理与Ni60A熔覆层的性能关联，采用激光熔覆、剪切测试、电子背散射衍射（EBSD）和有限元模拟相结合的方法，系统分析了表面氧化、预加热及V型槽加工等预处理方式对熔覆层组织形貌、界面结合强度及抗裂性能的影响。

**表面预处理对熔覆层质量的影响机制**
1. **预加热处理**
将基体表面预热至400℃，可使熔覆过程中热梯度降低约21.9%，稀释率降低至21.91%。预加热有效缓解了基体与熔覆层间的温度骤变，抑制了因热应力集中导致的裂纹生成。微观分析显示，预热处理使界面过渡区Fe元素分布模糊化，Ni扩散距离增加至100.76μm，表明基体表面活性增强，元素互扩散更充分，界面冶金结合强度提升11%。此外，预热处理促进熔池内部均匀形核，形成 cellular dendrites（胞状晶）和 equiaxed crystals（等轴晶）的混合结构，减少了界面缺陷。

2. **V型槽加工预处理**
通过低速电火花线切割在基体表面加工不同深度的V型槽（50μm、150μm、250μm、350μm），显著改善熔覆层性能。随着槽深增加，熔覆层与基体的冶金结合强度提升，350μm槽深时剪切强度达到1629MPa，较未处理基体提升80%。这一现象与槽深增加导致的湿角降低（从73.36°降至58.82°）直接相关，湿角降低意味着熔覆材料与基体接触面积增大，促进元素互扩散。EBSD分析表明，深槽处理（350μm）使熔覆层晶界密度提升，高角度晶界占比增加，同时形成大量位错塞积，有效抑制了剪切变形过程中的裂纹扩展。

**界面结合与断裂行为分析**
剪切测试发现，所有熔覆层断裂均发生在热影响区（HAZ）与熔覆层界面处。未处理基体的熔覆层存在明显的凸起台阶和孔洞，界面结合以机械咬合为主；而经预加热或V型槽处理的基体，界面处元素扩散更充分，形成连续的冶金结合带。EDS线扫显示，V型槽处理（350μm）的Ni扩散深度达112.77μm，显著高于其他处理方式，这解释了其剪切强度提升幅度最大的现象。

**微观结构优化策略**
研究揭示了不同预处理方式对熔覆层微观结构的调控作用：
- **表面氧化处理**：在400℃氧化2分钟后，基体表面形成约0.32μm厚的氧化层。熔覆时氧化层难以完全熔融，导致界面处Fe-O化合物夹杂，形成非连续晶界，引发裂纹萌生。
- **预加热处理**：通过预热消除基体表面残余应力，减少熔池凝固过程中的热应力集中，同时促进熔覆粉末与基体元素（如Fe与Ni）的均匀扩散。EBSD显示预加热熔覆层界面处存在高密度位错，形成约10μm宽的异常硬化区。
- **V型槽加工**：槽深增加时，熔池体积扩大，激光能量被更均匀地分散。350μm深槽处理使熔覆层呈现梯度微观结构：近界面处为细小的等轴晶，中间为柱状胞晶，顶部为粗大等轴晶，这种结构优化有效平衡了材料的塑性与强度。

**工程应用价值**
研究成果为重型机械部件修复提供了新思路：
1. **表面预处理工艺选择**：在需要较低稀释率（如精密部件修复）时，推荐采用预加热处理；若需显著提升界面结合强度（如承受高剪切载荷的轧辊），建议采用深槽加工预处理（槽深≥250μm）。
2. **缺陷控制策略**：通过预处理改善界面过渡区形貌，可将裂纹敏感性降低50%以上。例如，350μm深槽处理的基体表面，熔覆层与基体间的晶界连续性提升40%，缺陷密度降低至每平方厘米50个以下。
3. **性能优化路径**：研究证实，熔覆层硬度较基体提升9%（平均650HV1），其中界面热影响区因位错密度增加和晶粒细化，硬度达到720HV1，形成天然应力缓冲层。

**技术挑战与未来方向**
当前研究仍存在以下局限：
- 预处理工艺参数（如预热温度、V型槽角度）对最终性能的影响尚未完全量化
- 界面过渡区的动态凝固过程仍需通过高速原位观测技术深入研究
- 多种预处理工艺的协同效应（如预加热+深槽加工）尚未系统评估

未来研究可结合机器学习算法，建立预处理工艺参数与熔覆层性能的预测模型。此外，探索表面纳米化处理与激光参数的耦合优化，有望进一步提升熔覆层的抗疲劳性能。该成果已应用于某钢铁企业轧辊修复工程，使设备服役寿命延长2.3倍，每年减少维护成本约180万元。