【摘 要】
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钢管有着工业血管的称号,在国民经济中有重要的地位,世界各国都十分重视无缝钢管生产技术的发展。其中穿孔顶头是无缝钢管生产过程中最重要、也是消耗量最大的工具之一,主要用于实心管坯的开孔成形。顶头在承受巨大的轴向压力的同时还与高温管坯产生剧烈的磨损,每穿制一根钢管就需要进行一次外水冷。这种高温高压,急冷急热的工作环境使得穿孔顶头寿命极短,平均为几十到几根钢管/个。德国西马克公司开发了一种新型顶头延寿技术
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钢管有着工业血管的称号,在国民经济中有重要的地位,世界各国都十分重视无缝钢管生产技术的发展。其中穿孔顶头是无缝钢管生产过程中最重要、也是消耗量最大的工具之一,主要用于实心管坯的开孔成形。顶头在承受巨大的轴向压力的同时还与高温管坯产生剧烈的磨损,每穿制一根钢管就需要进行一次外水冷。这种高温高压,急冷急热的工作环境使得穿孔顶头寿命极短,平均为几十到几根钢管/个。德国西马克公司开发了一种新型顶头延寿技术Premium quality surface coating（PQSC）,使传统顶头的使用寿命最多提高30倍,该技术包括三个部分:冷却系统优化、机械结构优化以及顶头涂层设计。相关专利已经已经公开前两个技术要领。需要对顶头涂层的设计和制备进行深入研究,发展制备高寿命顶头的关键技术。激光熔覆技术作为一项新兴的材料表面改性技术,可以显著改善零件表面的强度、硬度、耐磨、耐蚀、抗高温氧化等性能,并且相较于其他表面改性技术,激光熔覆有许多优点:（1）极快的冷却速度,得到平衡凝固无法得到的组织;（2）热量输入小,零件不易变形;（3）适用范围广,理论上适用于所有金属材料;（4）涂层与基体冶金结合;（5）易实现自动化。因此,有望通过激光熔覆技术在顶头表面制备耐高温磨损、抗高温氧化、抗热震性能良好与基体结合紧密的保护涂层,以期提高穿孔顶头的使用寿命。本文通过在顶头钢基体上制备StelliteX-40单道和多道搭接涂层进行激光工艺参数优化,采用最优工艺参数制备StelliteX-40及添加不同质量分数Y2O3的StelliteX-40涂层。采用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微维氏硬度计、管式电阻炉及高温摩擦磨损试验机等试验设备对实验样品的显微组织以及各性能进行分析表征,初步研究了 Y2O3的添加对激光熔覆StelliteX-40合金组织及性能的影响规律。研究结果表明:激光熔覆StelliteX-40的最优激光工艺参数为:激光功率2100 W、扫描速度10 mm/s、搭接率50%、铺粉厚度0.5 mm、光斑直径4 mm。采用优化的工艺参数制备得到组织致密、无宏观缺陷的各成分涂层,各涂层组织均为与基体结合处的平面晶,涂层中部的柱状树枝晶和胞状树枝晶混合组织,以及近表面的转向枝晶区。所有成分的涂层显微组织均是以γ-Co枝晶为基体,枝晶间为（γ-C0+Cr23C6）共晶组织,随着Y2O3的加入,涂层组织先细化后粗化,其中StelliteX-40+0.2%Y2O3 涂层组织细化效果最显著,其次是 StelliteX-40+0.4%Y2O3和 StelliteX-40+0.6%Y2O3,StelliteX-40 涂层组织最粗大。各涂层硬度由高到底分别为 StelliteX-40+0.2%Y2O3、StelliteX-40+0.6%Y2O3、StelliteX-40+0.4%Y2O3、StelliteX-40,结果与涂层组织细化程度一致,初步认为添加Y2O3能够细化涂层组织,从而提高硬度。对各涂层的高温氧化和热震实验的结果可知,随着Y2O3添加量的增加,涂层的抗高温氧化性和抗热震性逐渐提高,对实验后的样品进行分析认为导致涂层抗高温氧化和热震性能提升的原因是,添加Y2O3可以促进Cr元素的优先氧化,有利于Cr2O3氧化膜的快速形成和致密化,从而提高涂层的抗高温氧化和抗热震性能,故StelliteX-40+0.6%Y2O3涂层的抗高温氧化性和抗热震性最好。涂层表面生成的Cr2O3氧化膜在高温摩擦磨损过程中可以起到隔离涂层和对摩件的作用,而且致密且附着力强的氧化膜能起到润滑减磨的作用,因此StelliteX-40+0.6%Y2O3涂层的高温耐磨性最优。顶头材料表面激光熔覆StelliteX-40/Y2O3涂层的硬度、抗高温氧化性、抗热震性和高温耐磨性能均优于顶头材料,因此用激光熔覆提高穿孔顶头使用寿命是可行的。
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