Y2O3對原位自生NbC增強鎳基復(fù)合涂層的影響

王永東， 李柏茹， 鄭光海， 趙 霞

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

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Y2O3對原位自生NbC增強鎳基復(fù)合涂層的影響

王永東， 李柏茹， 鄭光海， 趙 霞

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

為提高復(fù)合涂層的性能，采用氬弧熔覆的方法，以Q235鋼為基體，制備含有一定稀土氧化物Y2O3的原位自生NbC增強Ni基復(fù)合涂層。運用 XRD、SEM等分析手段研究復(fù)合涂層的顯微組織，利用顯微硬度儀測試復(fù)合涂層的顯微硬度，并測試了涂層的耐磨性能。結(jié)果表明: Y2O3的加入對熔覆層的組織起到明顯的細化作用,改變了NbC顆粒的長大形態(tài),組織趨于均勻。由于細晶強化和硬質(zhì)相的析出作用，稀土加入復(fù)合涂層的顯微硬度和耐磨性顯著提高。

氬弧熔覆； 復(fù)合涂層； 稀土氧化物

0 引 言

熔覆技術(shù)是將涂覆在工件表面的預(yù)制層在熱源下熔化，形成與基體性質(zhì)不同，且有良好冶金結(jié)合的耐磨涂層，在工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛[1-2]。在熔覆材料中，鎳基合金涂層在熔覆技術(shù)中應(yīng)用廣泛[3-4]，其具有其良好的耐磨性、潤濕性。稀土可以改善組織，提高材料的物理和化學(xué)性能，在冶金、鑄造等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5-7]。匡建新等[8]添加稀土CeO2利用激光熔覆方法制備金屬基陶瓷涂層，發(fā)現(xiàn)涂層的磨損和界面抗開裂性能得到明顯改善。K L Wang等[9-12]采用激光熔覆技術(shù)制備稀土鎳基合金涂層，研究發(fā)現(xiàn)，添加稀土后晶粒細化比較明顯，稀土加速涂層中枝晶的形成，減小枝晶間距，使組織更加致密。筆者在氬弧熔覆原位自生NbC陶瓷涂層中，加入一定量的稀土Y2O3氧化物，分析涂層組織和性能變化，以提高復(fù)合涂層的性能。

1 實 驗

1.1 材料及試樣制備

實驗采用Q235鋼為基材，表面打磨除銹，并用丙酮清洗干凈。C粉、Nb粉、Y2O3粉、Ni60A粉末按照一定的比例配合好，然后在研磨缽中研磨均勻，在器皿中用膠水調(diào)成糊狀，濕度適中，將混合好的粉末涂覆于基材Q235鋼表面，涂覆好的試樣放在空氣中自然干燥24 h，然后在100 ℃的RT3-15-9型電爐中烘干2 h。最后，利用氬弧熔覆方法制備熔覆涂層。

1.2 方法

氬弧熔覆利用MW3000型數(shù)字式焊機，熔覆電流控制在120 A，熔覆速度約2.5 mm/s，氬氣流量10 L/min左右，熔覆涂層的微觀形貌采用MX2600型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察；涂層的相結(jié)構(gòu)用RigakuD/max2200型X射線衍射儀(XRD)分析；顯微硬度在MHV2000型顯微硬度儀上測量，從涂層表面向基體測量，橫向測量三點取平均值。利用MS-2A摩擦磨損試驗機測量氬弧熔覆層的耐磨性能，對磨環(huán)為GGr15，加載200 N，時間40 min；磨損失重在SartoriusBS110電子天平稱量。

2 結(jié)果與分析

2.1 氬弧熔覆復(fù)合涂層的微觀組織

對氬弧熔覆原位自生NbC復(fù)合涂層的表面物相分析，結(jié)果見圖1。對照PDF卡可知，兩種成分復(fù)合涂層的相組成均為γ-Ni、Cr23C6和NbC(圖1b)；兩種復(fù)合涂層的NbC峰值很明顯，表明熔覆層中有NbC相存在。但是加入稀土后NbC的衍射峰明顯增強，說明稀土加入后有效的促進了NbC的形成。

圖2a為未添加稀土復(fù)合涂層的掃描電鏡形貌，圖2b為添加稀土復(fù)合涂層的背散射組織形貌。對圖2組織中不同物相進行能譜分析，結(jié)果見表1和2。從表1可以看出，圖2a組織形貌中黑色形貌主要成分為Ni，蠕蟲狀物相主要成分為C和Cr，花瓣狀形態(tài)的物相主要成分為C和Nb。結(jié)合圖2a可以確定γ-Ni為黑色基體，Cr23C6為蠕蟲狀，花瓣狀為NbC。從表2可以看出，組織形貌中灰色形貌富含Ni，灰色物相間的條狀物相主要成分為C和Cr，白色顆粒相富含C和Nb。結(jié)合圖2b可以確定灰色基體為γ-Ni，Cr23C6為長條狀，白色顆粒狀為NbC。

a 未加稀土

b 添加Y2O3

對比圖2可以看出，添加稀土Y2O3后氬弧熔覆層中NbC顆粒相的密度明顯增加，而且顆粒相尺寸和形貌發(fā)生變化，顆粒尺寸變小，長大形態(tài)從花瓣狀變?yōu)榱?。分析主要原因是在氬弧熔覆過程中，添加稀土Y2O3后，由于γ-Ni晶界或NbC/Ni基體相界面處缺陷較多，所以稀土容易偏聚到此處，從而降低了整個合金系的熔點，同時陶瓷顆粒NbC不同部位表面自由能多有不同，尖角部位表面能較高，其他部位表面能較低，表面能高的部位不穩(wěn)定，所以偏聚在NbC顆粒界面上的稀土?xí)铀貼bC表面的熔化及分解，使其不能沿著棱角某一方向進行長大，難以形成大的花瓣狀。另外由于氬弧熔覆冷卻速度極快，稀土的加入起到形核質(zhì)點的作用，Nb與C原位合成反應(yīng)生成NbC顆粒，在較低的過冷度條件下形成顆粒細小均勻的NbC顆粒。

a 未添加稀土

b 添加Y2O3

Fig. 2 SEM images of composite coatings with different composition

表1 圖2a中不同物相的成分

表2 圖2b中不同物相的成分

2.2 氬弧熔覆復(fù)合涂層的性能

兩種成分復(fù)合涂層表層到基體的顯微硬度分布曲線如圖3所示。從圖3中顯微硬度的分布規(guī)律可以看出，氬弧熔覆層與基體比較具有很高的硬度，且從涂層表面到基體顯微硬度緩慢降低。未添加稀土復(fù)合涂層的平均硬度 HV0.2約為1 00 MPa，添加稀土復(fù)合涂層平均硬度HV0.2約為1 20 MPa，添加稀土復(fù)合涂層的顯微硬度在涂層表面和熱影響區(qū)都比未添加稀土的顯微硬度有所提高，而且顯微硬度變化幅度較小，表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的變化趨勢。主要原因是在熔覆涂層中加入稀土氧化物Y2O3后，整個涂層中原位自生的NbC顆粒相均勻細小的狀態(tài)分布，組織比較致密，致使顯微硬度分散度較小。另外，加入稀土中存在Cr23C6化合物，這些化合物和細小分布的NbC顆粒相使熔覆層的顯微硬度大幅度提高，且高硬度區(qū)域不斷擴大，最后顯微硬度緩慢降低。

圖3 不同成分復(fù)合涂層的顯微硬度

Fig. 3 Microhardness of composite coatings with different composition

圖4是復(fù)合涂層和基體材料在磨損實驗中的磨損失重柱狀圖。由圖4可見，氬弧熔覆后復(fù)合涂層的耐磨性較基體有很大提高，添加稀土氧化物的熔覆層的耐磨性比不添加稀土的好，m為磨損量。

圖4 復(fù)合涂層和Q235鋼的磨損量

Fig. 4 Wear weightlessness for Q235 steel and composite coating

圖5為復(fù)合涂層的磨損表面形貌。從圖5a可以看出，未添加稀土的復(fù)合涂層的表面有明顯的磨痕和黏著特征，添加稀土后復(fù)合涂層的磨損表面只有輕微的劃痕，如圖5b所示。這是由于不添加稀土氧化物的熔覆層中NbC顆粒呈花瓣狀，粗大且分布不均勻，陶瓷NbC相與金屬基體界面不純凈，從而使其界面結(jié)合力薄弱，導(dǎo)致熔覆層容易在實驗過程中較容易磨損；添加適量的稀土氧化物Y2O3的熔覆層，在熔覆涂層中起到形核質(zhì)點作用，細化NbC顆粒相，使熔覆層中NbC顆粒較細密，均勻且圓滑，陶瓷相與基體結(jié)合良好，無缺陷。另外，稀土凈化了NbC和金屬基體的結(jié)合界面，而且熔覆層中的夾雜物降低，從而提高熔覆層的耐磨性。

a 未添加稀土

b 添加Y2O3

3 結(jié) 論

(1)Y2O3的加入，改善了復(fù)合涂層的顯微組織，NbC顆粒從花瓣狀變?yōu)榱睿植季鶆?，顆粒細化。

(2)稀土加入后復(fù)合涂層的顯微硬度和耐磨性得到明顯提高。該研究可靠，能夠應(yīng)用于實踐中。

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(編輯 晁曉筠 校對 王 冬)

Influence of Y2O3on in-situ NbC reinforced Ni-based composite coatings

WangYongdong,LiBairu,ZhengGuanghai,ZhaoXia

(School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This is paper is aimed at improving the performance of the composite coating in a effort to prepare in-situ NbC-reinforced Ni-based composite coatings with a certain amount of rare earth oxide(Y2O3) by applying argon arc cladding approach and using Q235 steel as substrate. The study works towards investigating the microstructure of composite coatings using XRD, SEM; and testing both the microhardness of the composite coating by micro hardness tester and the wear resistance of the coating. The results demonstrate that the addition of Y2O3contributes to a significant refinement in the cladding layers of tissue, changing the growth morphology of NbC particles, with a resulting uniform organization; fine grain strengthening and hard phase precipitation lead to a significant increase in the microhardness and wear resistance of rare earth-reinforced composite coating.

argon arc cladding; composite coating; rare earth oxides

2016-08-13

黑龍江省青年科學(xué)基金項目(QC2014C064)

王永東(1979-)，男，黑龍江省蘭西人，副教授，博士，研究方向：材料表面改性,E-mail:wyd 04@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.05.012

TG174.44

2095-7262(2016)05-0528-04

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