鋁合金表面2%CeO2／Ni60A激光熔覆層的組織及耐腐蝕性能

張光耀，王成磊，高 原，韋文竹，陸小會(huì)，張 焱，吳煒欽

（桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，桂林541004）

0 引 言

鋁及鋁合金具有密度小、易加工、熱膨脹系數(shù)低、熱導(dǎo)率高、比剛度和比強(qiáng)度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，是有色金屬中應(yīng)用最廣泛的材料之一，可用于汽車車身、航空航天器殼體和機(jī)車車廂結(jié)構(gòu)部件［1-3］。但是，鋁合金的耐磨性、耐腐蝕性等較差，這阻礙了它的進(jìn)一步應(yīng)用［4-5］。人們通常采用表面處理技術(shù)來提高金屬的表面性能，如物理氣相沉積（PVD）法、化學(xué)氣相沉積（CVD）法、熱噴涂、激光重熔以及激光表面熔覆等。其中，激光表面熔覆技術(shù)可以在金屬材料表面制備出高性能的熔覆層，并使熔覆層與基體材料實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，大幅提高了基體材料的耐磨、耐蝕、耐沖擊等性能［6-8］。NiCrBSi合金具有較高的硬度、耐磨性、良好的力學(xué)性能和工藝性能，在材料表面熔覆NiCrBSi合金可以改善材料的表面性能。目前，在鋁合金表面激光熔覆NiCrBSi合金取得了一定進(jìn)展［9-10］，但由于鎳基合金與鋁基合金在物理性能和化學(xué)性能方面的差異，導(dǎo)致鋁合金表面的鎳基合金熔覆層會(huì)不可避免地出現(xiàn)大量組織缺陷。

有研究表明，適量的稀土元素對(duì)提高鋼鐵等材料表面熔覆層的性能效果顯著［11-13］，但關(guān)于稀土元素對(duì)鋁合金熔覆層影響方面的研究較少。為此，作者利用激光熔覆技術(shù)在6063鋁合金表面制備了添加有稀土CeO2的Ni60A合金熔覆層，對(duì)熔覆層的組織、截面形貌、顯微硬度、耐腐蝕性能進(jìn)行了分析，并與未添加稀土元素的Ni60A合金熔覆層進(jìn)行了對(duì)比。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)用基體材料為6063鋁合金，平均硬度為140HV0.05，尺寸為50mm ×60mm×12mm，其化學(xué)成分如表1。熔覆層原料為Ni60A合金粉，粒徑為35～100μm，其化學(xué)成分見表2。稀土CeO2粉的粒徑為20～60μm。

表1 6063鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of 6063 aluminum alloy（mass） %

表2 Ni60A合金粉的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.2 Chemical composition of Ni60Aalloy powders（mass） %

先用細(xì)砂紙打磨基體表面，然后分別用丙酮和體積分?jǐn)?shù)為8%的鹽酸清洗，再用蒸餾水清洗干凈后烘干，以去除基體表面的氧化膜。分別以Ni60A合金粉以及2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）CeO2／Ni60A混合粉為原料，采用6kW大功率HANSGS通用型激光熱處理成套設(shè)備在基體表面制備Ni60A熔覆層和2%CeO2／Ni60A熔覆層，熔敷過程在氬氣氣氛中進(jìn)行，以防止熔池的吸氧和合金的氧化。根據(jù)前期的研究成果，激光熔覆工藝參數(shù)為：功率4 000W，光斑直徑6mm，掃描速度600mm·min-1。

1.2 試驗(yàn)方法

用ZEISS AXIO型光學(xué)顯微鏡觀察熔覆層的截面形貌；用HV1000型顯微硬度儀測(cè)熔覆層的顯微硬度，加載載荷為0.5N，加載時(shí)間為10s；用Bruker-axs-D8型X射線衍射儀分析熔覆層表面的相結(jié)構(gòu)；用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察熔覆層的表面形貌。

在PS-268A型電化學(xué)測(cè)量儀上對(duì)6063鋁合金、Ni60A熔覆層和2%CeO2／Ni60A熔覆層進(jìn)行耐腐蝕性能測(cè)試，電解池采用三電極系統(tǒng)，鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，以待測(cè)試樣為工作電極，腐蝕表面積均為1cm×1cm；腐蝕溶液分別為1mol·L-1H2SO4溶液，3.5%NaCl溶液以及1mol·L-1NaOH 溶液。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 熔覆層的形貌

由圖1（a）可見，在Ni60A熔覆層中有較明顯的網(wǎng)格狀胞晶或枝晶，晶粒尺寸為1～4μm，組織不均勻，白色顆粒為未熔解的Ni60A粉體顆粒，左上角的黑色區(qū)域是處理過程中產(chǎn)生的氣孔。這可能是熔覆過程中熔池的流動(dòng)性較差，導(dǎo)致熔覆層受熱不均而產(chǎn)生的組織缺陷。2%CeO2／Ni60A熔覆層的組織則完全由均勻分布的網(wǎng)狀枝晶構(gòu)成，晶粒尺寸細(xì)小（1～2μm），無組織缺陷，如圖1（b）所示。這是由于稀土元素鈰一方面能提高熔池的流動(dòng)性［14］，既可使熔融態(tài)的元素混合均勻，又可使反應(yīng)生成的氣體逸出，減少了疏松、氣孔等缺陷；另一方面可使合金中的雜質(zhì)重新分布，細(xì)化晶粒，凈化晶界。對(duì)比可知，在相同的熔敷參數(shù)下，添加CeO2的Ni60A合金粉可以獲得更好的激光熔覆層。

由圖1（c）可見，2%CeO2／Ni60A 熔覆層的組織均勻，熔池深度可達(dá)600～900μm，未發(fā)現(xiàn)裂紋及明顯的組織缺陷，僅在底部有若干小氣孔。此外，熔覆層與基體的結(jié)合界面處無氣孔和裂紋，達(dá)到了較好的冶金結(jié)合效果。

2.2 XRD譜

由圖2可知，與Ni60A熔覆層相比，2%CeO2／Ni60A熔覆層中出現(xiàn)了微量的Cr3C2、Fe2C、SiC、Fe23（C，B）6等析出相，這些強(qiáng)化相分布在熔覆層組織中，對(duì)提高熔覆層的硬度等性能是有利的?？梢姡砑覥eO2可以促進(jìn)鋁合金表面鎳基熔覆層中金屬化合物硬質(zhì)相的形成，這可能與稀土元素本身的催化作用及改善熔池的流動(dòng)性有關(guān)［15］。

圖1 兩種熔覆層的形貌Fig.1 Morphology of two kinds of cladding layers：（a）Ni60Acladding layer，surface SEM morpphology；（b）2%CeO2／Ni60Acladding layer，surface SEM morphology and（c）2%CeO2／Ni60Acladding layer，cross section OM morphology

圖2 兩種熔覆層的XRD譜Fig.2 XRD patterns of two kinds of cladding layers

2.3 硬 度

在相同深度處2%CeO2／Ni60A熔覆層的硬度均明顯高于Ni60A熔覆層的，如圖3所示。稀土元素可以細(xì)化晶粒尺寸，提高組織的致密度，同時(shí)也形成了一定量的硬質(zhì)相，故能提高熔覆層的硬度。2%CeO2／Ni60A熔覆層的硬度最高可達(dá)1 180HV，是6063鋁合金基體平均硬度的8.4倍。此外，兩種熔覆層從表面至基體的硬度均逐漸降低，這主要是因?yàn)榧す饧庸r(shí)界面附近基體中的合金元素受溫度影響而熔化，并擴(kuò)散進(jìn)入熔池中，熔覆層的鎳基合金逐漸被稀釋，且越靠近熔池底部，稀釋率越大。

圖3 兩種熔覆層的顯微硬度-深度關(guān)系曲線Fig.3 Micro-hardness vs depth for two kinds of cladding layers

2.4 耐腐蝕性能

由圖4（a）可知，在1mol·L-1H2SO4溶液中，2%CeO2／Ni60A熔覆層的自腐蝕電位高于6063鋁合金和Ni60A熔覆層的，并且在相同的電位下，兩種熔覆層的電流密度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于6063鋁合金的。結(jié)合表3可知，與6063鋁合金相比，兩種熔覆層耐H2SO4腐蝕的性能都有大幅提高，且2%CeO2／Ni60A熔覆層的最好。

表3 6063鋁合金和兩種熔覆層在1mol·L-1H2SO4溶液中的腐蝕測(cè)試結(jié)果Tab.3 Corrosion test results of 6063aluminum alloy and two kinds of cladding layers in 1mol·L-1H2SO4solution

由圖4（b）可以看出，在3.5%NaCl溶液中，2%CeO2／Ni60A熔覆層在電位升高至其自腐蝕電位（-105mV）時(shí)進(jìn)入陽極極化，Ni60A熔覆層在自腐蝕電位為-499mV時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定的陽極極化，6063鋁合金在自腐蝕電位為-915mV時(shí)進(jìn)入陽極極化。2%CeO2／Ni60A熔覆層的自腐蝕電位較高，這說明添加CeO2后的Ni60A熔覆層的耐腐蝕性能得到提高。結(jié)合表4可知，在3.5%NaCl溶液中，2%CeO2／Ni60A熔覆層的相對(duì)腐蝕速率最小，耐蝕性能最好。

由圖4（c）和表5可知，在1mol·L-1NaOH溶液中，2%CeO2／Ni60A熔覆層的耐蝕性能最好。

表4 6063鋁合金和兩種熔覆層在3.5%NaCl溶液中的腐蝕測(cè)試結(jié)果Tab.4 Corrosion test results of 6063aluminum alloy and two kinds of cladding layers in 3.5%NaCl solution

表5 6063鋁合金和兩種熔覆層在1mol·L-1NaOH溶液中的腐蝕測(cè)試結(jié)果Tab.5 Corrosion test results of 6063aluminum alloy and two kinds of cladding layers in 1mol·L-1NaOH solution

圖4 6063鋁合金和兩種熔覆層在不同溶液中的極化曲線Fig.4 Polarization curves of 6063aluminum alloy and two kinds of cladding layers in different solutions

3 結(jié) 論

（1）與Ni60A熔覆層相比，2%CeO2／Ni60A熔覆層的組織更加均勻，晶粒較細(xì)小，氣孔等組織缺陷更少，熔覆質(zhì)量較好。

（2）與Ni60A熔覆層相比，2%CeO2／Ni60A熔覆層中出現(xiàn)了微量Cr3C2、Fe2C、SiC、Fe23（C，B）6等硬質(zhì)相，這說明添加CeO2促進(jìn)了熔覆層中硬質(zhì)相的生成。

（3）在相同深度處，2%CeO2／Ni60A熔覆層的顯微硬度明顯比Ni60A熔覆層的高，且最高硬度可達(dá)1 180HV。

（4）在 1mol·L-1H2SO4、3.5%NaCl 和1mol·L-1NaOH腐蝕溶液中，2%CeO2／Ni60A 熔覆層在的耐腐蝕性能最好，Ni60A熔覆層的次之，6063鋁合金的最差。

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