脈沖寬度對(duì)激光熔覆FeSiB涂層組織與硬度的影響

龔玉兵，王善林，李宏祥，柯黎明，陳玉華，馬 彬

(1 南昌航空大學(xué) 輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063；2 北京科技大學(xué) 新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

Fe基非晶合金是一種具有極高的強(qiáng)度和硬度、良好的耐磨抗腐性能、突出的軟磁性等優(yōu)點(diǎn)的新型材料，被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、電子器件等領(lǐng)域，然而其相對(duì)較低的玻璃形成能力和斷裂脆性制約了工程應(yīng)用[1-4]。激光熔覆技術(shù)具有冷卻速率快、光束位置靈活變動(dòng)、熱輸入小及工件變形小等優(yōu)點(diǎn)，所得涂層與基體形成良好的冶金結(jié)合[5-8]。激光熔覆制備Fe基非晶合金涂層不僅可以解決脆性和尺寸問題，還能將Fe基非晶合金推廣應(yīng)用，涂層的成功制備將推動(dòng)整個(gè)材料界及制造業(yè)的迅速發(fā)展。近年來，國內(nèi)外研究者采用激光熔覆非晶粉末制備了鐵基非晶涂層，涂層由非晶相與結(jié)晶相組成，涂層硬度高、熱穩(wěn)定性好，能改善材料表面耐磨耐蝕性能，然而，粉末狀結(jié)構(gòu)疏松，涂層極易出現(xiàn)未熔顆粒及孔洞缺陷，導(dǎo)致涂層結(jié)構(gòu)致密性差[9-12]。此外，熔覆過程中，粉末易堵塞噴槍，使用的黏結(jié)劑產(chǎn)生煙塵、效率低，將顯著影響涂層的質(zhì)量。研究表明，激光工藝參數(shù)對(duì)涂層的質(zhì)量具有重要影響，如王彥芳等[13]研究發(fā)現(xiàn)掃描速率的增加使得樹枝晶細(xì)化，且外延生長區(qū)寬度變小，顯微硬度增大。符寒光等[14]的研究結(jié)果表明，增加激光功率，涂層稀釋率提高，顯微硬度減小，且改變掃描速率與其效果一樣。侯紀(jì)新等[15]的研究表明掃描速率和激光功率分別為180mm/min,1.5kW時(shí)，涂層性能較高。由上述可見，目前研究主要集中在激光功率、掃描速率方面，而脈沖寬度對(duì)激光熔覆涂層質(zhì)量的研究卻鮮有報(bào)道。針對(duì)以上問題，本工作以鐵基非晶帶材代替非晶粉末，采用脈沖激光熔覆法在低碳鋼表面制備低成本、高致密度非晶涂層，研究脈沖寬度對(duì)非晶涂層形貌、顯微組織及力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)所采用的熔覆材料是商業(yè)化的Fe78Si9B13非晶帶材(牌號(hào)：1k101)，試樣尺寸為40mm×15mm×25μm，基體材料為2mm厚的Q235鋼。熔覆前將基材表面打磨至平整光潔，然后去油并干燥備用，采用SL-80型Nd:YAG脈沖激光焊機(jī)。利用自制的預(yù)壓式裝置，按圖1形式將10層Fe-Si-B非晶帶材疊加，激光熔覆制備鐵基非晶涂層。設(shè)定熔覆速率0.3mm/s、光斑直徑0.4mm、脈沖功率19.2W、脈沖頻率4Hz、搭接率50%，熔覆時(shí)采用氬氣(流量為10L/min)進(jìn)行保護(hù)，脈沖寬度t分別為2.8,3.0,3.2,3.4,3.6ms，對(duì)應(yīng)的脈沖能量E分別為4.2,4.5,4.8,5.0，5.2J，能量密度為脈沖能量與光斑面積的比值。

圖1 激光熔覆FeSiB非晶帶材示意圖Fig.1 Appearance diagram of FeSiB amorphous strip by laser cladding

涂層制備后，沿涂層厚度方向截取試樣，打磨、拋光，采用5%的硝酸酒精溶液腐蝕6～8s；采用MR5000倒置顯微鏡觀察涂層截面形貌；采用X射線衍射儀(XRD)對(duì)涂層進(jìn)行物相分析；采用S3400環(huán)境掃描電鏡(SEM)分析涂層組織及微觀結(jié)構(gòu)；采用HVS-50型顯微硬度儀對(duì)試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，測(cè)定方法為沿涂層的熔深方向，即從熔覆區(qū)到基材區(qū)，點(diǎn)距為0.05mm，加載載荷為0.98N，加載時(shí)間為10s，每次測(cè)量3次，取平均值；用金相顯微鏡中的測(cè)量工具測(cè)量涂層的平均厚度H、基材被熔覆平均深度h，如圖2所示，并計(jì)算出稀釋率D，其中：D=h/(h+H)×100%[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 脈沖寬度對(duì)涂層成形的影響

圖3為不同脈沖寬度下涂層的橫截面形貌。當(dāng)脈沖寬度為2.8ms時(shí)，基體材料不容易被熔化，只是熔覆材料之間熔化且部分未熔透，熔覆材料與基材之間存在明顯間隙，且出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，如圖3(a)所示。脈沖寬度為3.0,3.2ms時(shí)，非晶薄帶層及涂層與基材之間界面結(jié)合良好，結(jié)構(gòu)致密，未發(fā)現(xiàn)明顯孔洞、未熔等缺陷，且呈良好的冶金結(jié)合，如圖3(b), (c)所示。但隨脈沖寬度繼續(xù)增加，裂紋增多，且裂紋源不僅在涂層表面，還萌生于界面處，如圖3(d)所示。當(dāng)脈沖寬度增加至3.6ms，涂層存在氣孔缺陷，如圖3(e)所示。表1為不同脈沖寬度下涂層的橫截面相關(guān)尺寸及計(jì)算出的稀釋率。由表1可發(fā)現(xiàn)，脈沖寬度為2.8ms時(shí)，基材未熔；脈沖寬度從3.0ms依次增加到3.6ms，得到涂層的稀釋率分別為13.4%，23.2%，39.2%，47.3%，隨著脈沖寬度的增加，基材被熔深度增大，涂層稀釋率隨之升高。脈沖寬度從3.2ms增加到3.4ms時(shí)，基材被熔深度由63μm增加到121μm，涂層稀釋率由23.2%增至39.2%，增大了近1倍。

圖3 不同脈沖寬度下涂層的橫截面形貌(a)t=2.8ms;(b)t=3.0ms;(c)t=3.2ms;(d)t=3.4ms;(e)t=3.6msFig.3 Cross-section morphologies of coating with different pulse widths(a)t=2.8ms;(b)t=3.0ms;(c)t=3.2ms;(d)t=3.4ms;(e)t=3.6ms

Samplet/msH/μmh/μmD/%12．82480-23．02263513．433．22086323．243．418812139．253．619317347．3

脈沖寬度表征的是脈沖能量的持續(xù)時(shí)間，脈沖寬度越大，即單個(gè)脈沖作用在涂層上的時(shí)間增加，光斑直徑不變，相應(yīng)的能量密度增加[17]。顯然，其他參數(shù)一定，脈沖寬度過小，激光對(duì)涂層的加熱時(shí)間過短，能量過低，即加熱時(shí)間低于2.8ms，相應(yīng)的脈沖能量低于4.2J時(shí)，激光所提供的能量達(dá)不到熔化基材所需的能量，結(jié)果只是非晶帶材熔化，熔覆材料與基材未產(chǎn)生冶金結(jié)合。隨脈沖寬度增加，單位時(shí)間涂層吸收的能量提高，熔覆過程產(chǎn)生的熱應(yīng)力增大，使裂紋傾向增加。脈沖寬度增加，相應(yīng)的能量密度增大，有利于涂層與基材間的冶金結(jié)合，使得熔深增大，稀釋率隨之提高。脈沖寬度由3.2ms增加到3.4ms，相應(yīng)的脈沖能量由4.8J增加到5.0J，基材受熱過度，使得基材被熔深度增加，結(jié)果稀釋率變化最明顯。加熱時(shí)間大于3.6ms，相應(yīng)的脈沖能量超過5.2J時(shí)，脈沖寬度過大，能量過高，金屬氣化加重，產(chǎn)生小孔效應(yīng)，導(dǎo)致氣體來不及逸出，形成氣孔。

2.2 涂層的組織特征

圖4為不同脈沖寬度下涂層表面的XRD圖譜。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，不同脈沖寬度下涂層中都出現(xiàn)結(jié)晶相，但衍射峰的強(qiáng)度不同，標(biāo)定出結(jié)晶相主要為α-Fe,Fe2B和Fe3Si；隨著脈沖寬度增加，結(jié)晶相峰值提高，且含量增多。當(dāng)脈沖寬度為3.0,3.2ms時(shí)，在40°～50°之間有較寬化漫散射峰出現(xiàn)，說明涂層中含有一定的非晶相，同時(shí)也存在晶化相；而脈沖寬度提高到3.4ms時(shí)，晶化峰更加尖銳，且數(shù)量增加。脈沖寬度增加，脈沖激光在涂層上的作用時(shí)間增加，高溫停留時(shí)間長，使涂層降溫時(shí)間延長，導(dǎo)致冷卻速率降低；另一方面，脈沖寬度增加，單位時(shí)間涂層所吸收的能量增加，使涂層過熱及基材被熔深度增大，涂層稀釋率升高，涂層成分與非晶帶材之間存在差異，導(dǎo)致涂層非晶形成能力越低，從而晶化程度更加明顯。

圖4 不同脈沖寬度下涂層的XRD圖譜Fig.4 X-ray diffraction patterns of coating with different pulse widths

圖5為脈沖寬度3.2ms涂層橫截面顯微組織形貌，其中圖5(b)為圖5(a)中A區(qū)的放大圖。涂層結(jié)構(gòu)致密，未見孔洞缺陷，涂層與基材之間結(jié)合緊密，界線清晰，未見氣孔與間隙，如圖5(a)所示。涂層熔覆區(qū)存在白色顆粒狀的結(jié)晶相、部分無明顯組織特征的非晶相以及連續(xù)微小的晶粒，晶粒尺寸約為0.5μm，如圖5(b)所示。圖6為不同脈沖寬度下涂層橫截面線掃描，線掃描方向沿涂層指向基材。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，Si元素含量在涂層底部的過渡處變化一致，均為逐漸降低；而在涂層中部，當(dāng)脈沖寬度為3.0ms時(shí)，Si元素含量變化差值為30，脈沖寬度為3.2ms時(shí)，其變化差值為20。脈沖寬度為3.0,3.2ms時(shí)，在Si元素降低后的相應(yīng)位置，C元素增加近1倍；而脈沖寬度為3.4ms時(shí)，C元素含量驟然增加近5倍，且相比其他脈沖寬度，Si元素含量降低近1/2。圖7為不同脈沖寬度下涂層界面顯微組織形貌。顯然，涂層橫截面分為不同區(qū)域：基材、重結(jié)晶區(qū)、熔合區(qū)和熔覆區(qū)，熔覆區(qū)組織到基材變化明顯。當(dāng)脈沖寬度為3.0ms時(shí)，基材晶粒粗大，靠近重結(jié)晶區(qū)晶粒逐漸減小，重結(jié)晶區(qū)與熔合區(qū)之間存在明顯的平面晶，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥庋由L的柱狀晶，到熔覆區(qū)幾乎為無明顯組織特征的非晶相。隨脈沖寬度增加，平面晶有增加趨勢(shì)，熔合區(qū)明顯變寬，柱狀晶沿外延生長更寬；脈沖寬度為3.4ms時(shí)，熔覆區(qū)結(jié)晶相含量最高，且重結(jié)晶區(qū)出現(xiàn)微裂紋缺陷。

在激光束熱傳導(dǎo)作用下，脈沖寬度為3.0～3.4ms時(shí)，非晶帶材與基材表層之間發(fā)生冶金反應(yīng)，兩者緊密結(jié)合。受冶金反應(yīng)影響，非晶帶材中的Si元素?cái)U(kuò)散到基材重結(jié)晶區(qū)，基材中的C元素?cái)U(kuò)散到界面處。脈沖寬度由3.0ms增加到3.2ms，即加熱時(shí)間延長，涂層受熱充分，因此Si元素分布更加均勻，涂層致密度高。脈沖寬度繼續(xù)增加至3.4ms，加熱時(shí)間較長，液體金屬冷卻速率降低，晶化程度增加，析出Si的結(jié)晶相增多，導(dǎo)致涂層中Si元素含量下降。脈沖寬度由3.2ms增至3.4ms時(shí)，基材被熔深度由63μm增加到121μm，升高明顯，非金屬元素?cái)U(kuò)散時(shí)間長、距離遠(yuǎn)，密度較小的C元素受熔池?cái)噭?dòng)的作用加劇，擴(kuò)散量增大，導(dǎo)致界面處C元素含量驟增。基材表層受熱，溫度升高，為原本粗大的鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)化提供了條件，但高溫停留時(shí)間短，冷卻速率快，奧氏體來不及長大，最后形成細(xì)小的鐵素體。激光束熱傳導(dǎo)速率快，高溫熔化的非晶帶材與基材表層間形成急冷，使得兩者結(jié)合處溫度梯度G較大，而結(jié)晶速率R較小，有利于界面的穩(wěn)定，并以平面態(tài)生長。從熔合區(qū)邊界到熔覆區(qū)，G/R的比值逐漸降低，出現(xiàn)成分過冷，使凝固方式向枝晶態(tài)轉(zhuǎn)變，因靠近結(jié)合處，晶粒易以原始晶面為形核中心，形成外延生長的柱狀晶組織[10]。其他參數(shù)一定，增加脈沖寬度，受涂層成分變化與冷卻速率影響，導(dǎo)致涂層非晶形成能力下降及晶化程度提高，造成熔合區(qū)晶核生長未及時(shí)受到抑制，柱狀晶不斷沿外延生長，直到成分均勻，無異質(zhì)形核核心，柱狀晶停止生長。脈沖寬度較大時(shí)，涂層受熱過高，殘余熱應(yīng)力過多，易引發(fā)裂紋，對(duì)界面結(jié)合會(huì)有一定影響。離熔合區(qū)越遠(yuǎn)，冷卻速率越高，成分均勻性越好，熔覆區(qū)呈均勻形核，形成晶粒后來不及長大，最終形成細(xì)小而密集的晶粒。

圖6 不同脈沖寬度下涂層橫截面Si元素(1)與C元素(2)線掃描(a)t=3.0ms;(b)t=3.2ms;(c)t=3.4msFig.6 Line scanning of Si (1) and C (2) of the coatings cross-section with different pulse widths(a)t=3.0ms;(b)t=3.2ms;(c)t=3.4ms

2.3 涂層的顯微硬度

圖8為不同脈沖寬度下沿涂層厚度方向的顯微硬度值分布曲線。由圖8可見，不同脈沖寬度下涂層的顯微硬度值分布基本呈“臺(tái)階狀”，表現(xiàn)為涂層表層硬度值偏低，熔覆區(qū)中部硬度值較高，由熔覆區(qū)過渡到基材硬度值陡降；而脈沖寬度高于3.4ms時(shí)，界面過渡處的硬度值相對(duì)較高。脈沖寬度從3.0～3.6ms，涂層的平均顯微硬度值依次為1038,1192,989,841HV；隨脈沖寬度的增加，顯微硬度先增加后降低。脈沖寬度為3.2ms時(shí)，涂層的平均顯微硬度1192HV約為基材硬度110HV的10倍，顯微硬度值最高達(dá)到1400HV，表明涂層具有較高的耐磨性能[9,12]。

涂層由FeSiB非晶帶材熔覆而成，該材料中含有過飽和的非金屬元素Si和B。B密度小，受熱熔化后，易從金屬液體中漂浮到表層，導(dǎo)致表層硬度偏低。在激光重熔作用下，熔覆區(qū)中部成分均勻，晶粒更細(xì)；而熔覆區(qū)底部靠近界面，受基材的稀釋影響，該區(qū)成分偏離原始狀態(tài)，結(jié)果熔覆區(qū)中部硬度值比底部高?；诩す馊鄹部炖涞奶卣鳎繉涌鞜峒崩?，晶粒細(xì)小，且產(chǎn)生了硬脆的硅化物Fe3Si和硼化物Fe2B，使得涂層顯微硬度遠(yuǎn)高于基材[18]。脈沖寬度為3.0ms時(shí)，激光束對(duì)涂層的加熱時(shí)間較短，其中高熔點(diǎn)Si元素來不及均勻混合，就已經(jīng)凝固，導(dǎo)致顯微硬度偏低。當(dāng)脈沖寬度增加到3.2ms時(shí)，涂層受熱充分，成分均勻，Si元素含量增加，非晶形成能力提高，涂層顯微硬度升高[11]。脈沖寬度繼續(xù)增加，激光束對(duì)涂層的加熱時(shí)間延長，液體金屬冷卻速率降低，涂層內(nèi)的晶化量增加，晶粒變粗；同時(shí)，涂層中非金屬元素?cái)U(kuò)散量增多，即涂層非金屬元素含量較低，如Si元素含量降低近1/2，因此，涂層整體硬度降低。脈沖寬度較大時(shí)，即t高于3.4ms，涂層稀釋率較高，非金屬元素?cái)U(kuò)散時(shí)間長、距離遠(yuǎn)，基材中C元素?cái)U(kuò)散到界面處，導(dǎo)致該處硬度相對(duì)升高。

3 結(jié)論

(1)隨脈沖寬度增大，涂層稀釋率升高，裂紋增多，且裂紋萌生傾向增大，涂層底部存在氣孔缺陷，硬度表現(xiàn)為先升高后降低趨勢(shì)。脈沖寬度為3.2ms時(shí)，涂層結(jié)構(gòu)致密，未見孔洞缺陷，界面呈良好的冶金結(jié)合，涂層平均顯微硬度最高，約1192HV，遠(yuǎn)高于基材的110HV，顯微硬度值最高達(dá)1400HV。

(2)由于激光作用時(shí)間長及涂層稀釋率高，冷卻速率降低，涂層成分不均，其非晶形成能力降低，涂層產(chǎn)生晶化，晶化相為α-Fe,Fe2B和Fe3Si。涂層截面由重結(jié)晶區(qū)向熔覆區(qū)過渡，隨脈沖寬度增加，熔合區(qū)明顯變寬，柱狀晶沿外延生長更遠(yuǎn)。

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