GCr15轴承钢因其价格低、综合性能良好等特点，在高铁运输、风力发电、航空航天等领域应用广泛［1-3］。但是零件在工作时承受着极大的压力和摩擦力，长期工作时表面磨损严重，导致零件损伤甚至失效。激光熔覆技术具有稀释率低、涂层热变形小、涂层与基体结合强度高等优点，是修复GCr15轴承钢磨损表面的重要手段。

激光熔覆技术的不足之处是涂层容易产生气孔、裂纹，以及存在残余应力等［4-6］。为了解决该技术问题，许多学者通过改变材料配比来提高熔覆层质量。周建忠等［7］在45钢基材上制备4种不同质量比的Al2O3-Fe901金属陶瓷复合涂层，发现Al2O3显著提高了材料显微硬度和耐磨性；邹黎明等［8］研究WC-Fe金属陶瓷复合涂层的耐磨性能，发现粒径较小的WC能显著提高涂层耐磨性；Farahmand等［9］研究不同成分的Ni-WC复合粉末涂层性能，获得了熔覆层晶粒细化的最优粉末配比。工艺参数是影响激光熔覆质量的关键因素［10-11］。杨权等［12］研究了激光功率对熔覆层表面形貌及稀释率的影响，得出稀释率及熔覆层的宽度和高度均随激光功率的增加而增大的结论；Erfanmanesh等［13］利用激光熔覆技术制备WC-12Co金属陶瓷复合涂层，建立了单道熔覆层几何特性与工艺参数关系的数学模型；童文辉等［14］研究了激光工艺参数对TiC-钴基合金熔覆层显微组织及性能的影响规律。上述研究对激光熔覆材料组分设计及工艺参数选取具有参考价值，但是关于轴承钢激光熔覆组织与性能方面的研究报道较少。

FeCrNiSi合金粉末的自熔性良好，具有优良的耐磨性和坚韧性。本文通过在GCr15轴承钢基材上制备FeCrNiSi合金熔覆层，研究了激光功率和扫描速度对熔覆层组织与性能的影响，并揭示了熔覆层组织的演变规律，通过对熔覆层磨损表面形貌、损失质量及摩擦磨损机制进行分析，获得扫描速度对熔覆层摩擦磨损性能的影响规律。

光纤激光熔覆设备如图1所示：激光喷头通过支架与ABB机器人连接，激光束通过喷头内部的光学装置实现分光和聚焦，与送粉器连接的送粉软管将熔覆粉末输送到喷头内部通道，并从激光喷头射出，实现光、粉的同步输出，同时保护气体通过软管进入喷头内部通道输送到熔覆层表面，防止熔覆层氧化［15］。

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实验选用的基体材料为GCr15轴承钢，尺寸为240 mm×80 mm×12 mm，经铣削加工表面粗糙度为1.6 μm。粉末为FeCrNiSi合金粉末，粉末的主要化学成分如下：C的质量分数为0.6%~0.9%，Si的质量分数为3%~4%，B的质量分数为3%~4%，Cr的质量分数为16%~18%，Ni的质量分数为12%~14%，其余为Fe。采用超景深显微镜获取粉末显微形貌，如图2所示，粉末颗粒直径为58~125 μm，颗粒大小较为均匀，主要形状为球形和椭球形，且球形度较好，适合用于激光熔覆。

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本实验的主要工艺参数为激光功率和扫描速度。通过实验发现，能够获得良好熔覆层的工艺参数范围比较窄，因此本实验的激光熔覆工艺参数如表1所示。

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当激光功率为2400 W、扫描速度为5 mm/s时，采用FeCrNiSi合金粉末在GCr15基材上制备熔覆层，利用超景深显微镜获取熔覆层截面组织形貌，如图3所示。GCr15基体在激光束的高密度能量作用下快速加热和冷却，在基材与熔覆层融合线下部［图3（a）右侧区域］形成热影响区，基体组织为隐针状马氏体，碳化物带中有颗粒碳化物夹杂在其中，白色区域为残留奥氏体。从图3（b）可以看出，熔覆层与基材结合紧密，冶金结合良好，熔覆层底部呈枝晶状生长。图3（c）所示为熔覆层中部区域，随着温度梯度的减小，树枝晶的生长方向性弱化，向等轴枝晶转变；图3（d）所示为熔覆层表层区域，随着冷却速度进一步加快，在此区域生成细树枝晶。

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图4所示为激光扫描速率为5 mm/s时，不同激光功率条件下激光熔覆层近表层组织变化。可见，随着激光功率的增大，一次枝晶臂呈现逐渐变大、变长的趋势。图4（a）、（d）所示的枝晶呈交错生长，图4（b）、（c）所示的枝晶生长方向较为一致。通过对熔覆层枝晶间距进行测量，得到的熔覆层近表层枝晶间距如图5所示。随着激光功率的逐步增加，一次枝晶间距先增大后减小，二次枝晶间距逐渐减小，当激光功率分别为2600 W和2400 W时，一次枝晶间距和二次枝晶间距分别出现最大值。

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当激光功率为2400 W时，不同扫描速度条件下激光熔覆层近表层组织变化情况见图6。可见，随着扫描速度的增大，一次枝晶臂呈先变大后减小的趋势。图6（a）、（d）所示的枝晶呈交错生长，图6（b）、（c）所示的枝晶生长方向较为一致。通过对熔覆层枝晶间距进行测量，得到的熔覆层近表层枝晶间距如图7所示。随着扫描速度的逐步增加，一次枝晶间距先增大后减小，二次枝晶间距先减小后增大，当扫描速度分别为5 mm/s和4 mm/s时，一次枝晶间距和二次枝晶间距分别出现最大值。

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图8所示为不同工艺参数下熔覆层显微硬度的变化。从图8可以看到，随着激光功率的降低或扫描速度的升高，熔覆层的硬度明显升高，在选取的参数范围内，当激光功率P=2400 W和扫描速度v=7 mm/s时熔覆层硬度达到最大值，为781.5 HV，是基材硬度的3.4倍。通过对熔覆层显微组织的分析，发现：激光功率对熔覆层枝晶尺寸的影响较大，在实验参数范围内，较小的激光功率更有利于熔覆层枝晶细化，从而获得较高的显微硬度；扫描速度对枝晶尺寸的影响不大，但随着扫描速度的增加，二次枝晶间距明显减小，而二次枝晶的尺寸变化较小，二次枝晶的数量随着扫描速度的增加明显增多，从而提高了熔覆层的显微硬度。

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采用销-盘干摩擦磨损方式，对不同扫描速度下的Fe45熔覆层摩擦磨损性能进行测试，图9（a）为摩擦磨损试验示意图。经计算机实时采集数据，得到熔覆层的摩擦系数曲线如图9（b）所示。当扫描速度为7 mm/s时，熔覆层的摩擦系数最高，平均摩擦系数为0.528；当扫描速度分别为5 mm/s和6 mm/s时，平均摩擦磨损系数分别为0.417和0.412。研究表明，随着扫描速度的增加，输入的热量减少，从而破坏了冶金结合，增加了涂层缺陷［16］。同时，大量粗碳化物的存在破坏了熔覆层的塑韧性，从而导致熔覆层在周期性循环载荷下的抗疲劳性能下降。熔覆层的损失质量如图9（c）所示，随着扫描速度的增加，损失质量迅速增加，当扫描速度为5 mm/s和6 mm/s时，损失质量分别为5 mg和8 mg；当扫描速度增加到7 mm/s时，熔覆层的损失质量为23 mg，进一步说明较大的扫描速度会加速熔覆层缺陷的产生，从而降低熔覆层的耐磨性。图10为磨损表面显微形貌图，当扫描速度为5 mm/s和6 mm/s时，熔覆层的主要磨损机制为磨粒磨损和黏着磨损，在载荷和摩擦力的作用下，配磨副上的凸峰与残留在接触面上的磨屑被压入摩擦表面，对熔覆试样表面进行剪切、犁皱和切削，在摩擦表面留下犁沟，而熔覆层表面磨损较为光滑，表明熔覆层具有良好的耐磨性，当扫描速度达到7 mm/s时，熔覆层磨损表面开始出现剥落，在材料表面形成片状的破坏区，主要的磨损机制为疲劳磨损。

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采用激光熔覆技术在GCr15钢基材上制备FeCrNiSi合金熔覆层，研究激光工艺参数对熔覆层显微组织、硬度及摩擦磨损性能变化的影响规律：1）熔覆层组织以树枝晶为主，随着温度梯度的变化，从基材与熔覆层融合线上部至熔覆层表层组织形态由树枝晶向等轴枝晶转变，再向树枝晶转变；在融合线下部的热影响区，组织为隐针状马氏体和残留奥氏体。2）随着激光功率的增加，熔覆层一次枝晶臂逐渐变大、变长，一次枝晶间距先增大后减小，二次枝晶间距逐渐减小；随着扫描速度的升高，熔覆层一次枝晶臂呈先变大后减小的趋势，一次枝晶间距先增大后减小，二次枝晶间距先减小后增大。3）随着激光功率的降低和扫描速度的升高，熔覆层的显微硬度显著增加，当激光功率为2400 W，扫描速度为7 mm/s时，最高硬度为781.5 HV，是基材硬度的3.4倍。4）当扫描速度为5 mm/s和6 mm/s时，熔覆层损失的质量较少，主要磨损机制为磨粒磨损和黏着磨损；当扫描速度为7 mm/s时，熔覆层损失的质量大幅增加，主要磨损机制为疲劳磨损。