Nb 對(duì)雙相不銹鋼激光熔覆組織及性能的影響研究

黃恩澤，杜開平，王旭，皮自強(qiáng)，章德銘

(1. 北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2. 特種涂層材料與技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；3. 北京市工業(yè)部件表面強(qiáng)化與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，北京 102206)

0 引言

激光熔覆技術(shù)是一種利用激光的高能量密度將金屬表面的合金粉末進(jìn)行快速熔化，并且通過快速冷卻和快速凝固的過程，將涂層材料熔覆在基體表面形成一層具有良好機(jī)械性能的熔覆層，改變表面層的組織和成分，由此來(lái)提高材料表面的硬度、耐磨性和耐蝕性等性能[1-2]。由于材料的服役環(huán)境逐漸惡劣，嚴(yán)重影響了正常的生產(chǎn)制造，因此制備具有高性能的熔覆層迫在眉睫，這就對(duì)熔覆層的力學(xué)性能和抗腐蝕性能提出了更高的要求。

針對(duì)目前鋼鐵材料表面的鐵基熔覆層耐磨性、耐蝕性較差的問題，現(xiàn)在研究者主要利用兩種方法來(lái)解決上述問題，分別是通過改善熔覆層中的合金元素的含量以及添加微量元素這兩種方法來(lái)提高熔覆層的表面性能。孫有政[3]研究了不同比例Ni 含量的鐵基合金粉末熔覆到Cr5 支承輥鋼表面激光熔覆層的組織和性能，發(fā)現(xiàn)熔覆層的截面組織均為魚骨狀和網(wǎng)狀枝晶，當(dāng)Ni 含量為8%的時(shí)候，熔覆層的硬度可達(dá)500HV。Qin[4]等人研究了激光熔覆二次硬化鋼中Ni 在熔覆層及熱影響區(qū)的相組成、顯微組織及其性能的影響。除了研究微量元素含量對(duì)熔覆層物相組成和微觀組織的影響之外，研究者還在熔覆層中添加微量元素，檢測(cè)在熔覆層中原位自生的小尺寸顆粒對(duì)熔覆層性能的影響。隨金文[5]在鐵基粉末中添加Ti、V 和石墨，在激光熔覆過程中原位自生成(Ti,V)C 復(fù)合顆粒，有利于提高熔覆層的耐磨性，但卻沒有對(duì)熔覆層的耐蝕性進(jìn)行分析。黃鳳曉[6]在球墨鑄鐵中添加Nb，在激光熔覆過程中形成了分布均勻的NbC 顆粒，不僅提高了形核率，同時(shí)還細(xì)化了晶體，但未對(duì)熔覆層的性能進(jìn)行分析。隨著模擬技術(shù)的發(fā)展，一些學(xué)者開始嘗試?yán)肨hermo-Calc 熱動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)激光熔覆層的成分進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。高向宙[7]利用Thermo-Calc 軟件及相應(yīng)的Ni 基合金數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)27SiMn 合金表面激光熔覆FeNiCrB 系合金熔覆層凝固過程中各析出相進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算分析，為激光熔覆FeNiCrB 系合金涂層成分設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化提供了理論依據(jù)，但并未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，有所不足。

雙相不銹鋼熔覆層的耐腐蝕性主要與熔覆層中Cr 有關(guān)，Cr 在熔覆層中的位置以及存在方式對(duì)耐蝕性有很大影響。在激光熔覆的過程中，Cr容易與C 結(jié)合形成碳化物，這樣就會(huì)導(dǎo)致熔覆層中出現(xiàn)貧Cr 現(xiàn)象，因此耐腐蝕性降低。但Nb與Cr 相比與C 的結(jié)合力更強(qiáng)，因此可以通過添加微量元素Nb，使其優(yōu)先與C 結(jié)合形成Nb 的碳化物，這樣就能促進(jìn)Cr 在晶界析出，從而提高熔覆層的耐腐蝕性能。另外，Nb 的碳化物硬度較高，尺寸較小，可以提高熔覆層的力學(xué)性能，因此硬度和耐磨性得到了提高[7]。

本文在雙相不銹鋼中添加Nb，對(duì)不同含量的Nb 所制備熔覆層組織進(jìn)行分析和比較，在此基礎(chǔ)上對(duì)Nb 含量進(jìn)行優(yōu)化，最終達(dá)到提高熔覆層硬度、耐磨性和耐蝕性的目的。

1 材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

選擇尺寸為100mm×100mm×20mm 的45鋼作為基體，激光熔覆前基材表面用砂紙去除氧化層并用酒精清洗。將雙相不銹鋼合金粉與純Nb 粉末（粉末中值粒徑為53μm）混合，其中純Nb 粉末的質(zhì)量百分比分別為0.6%、1.0%、1.4%、1.8%、2.2%。雙相不銹鋼合金粉的主要化學(xué)成分、雙相不銹鋼合金粉的性能分別如表1、表2 所示。

表1 雙相不銹鋼合金粉主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of duplex stainless steel alloy powder

表2 雙相不銹鋼合金粉主要性能Table 2 Main properties of duplex stainless steel alloy powder

1.2 試驗(yàn)方法

激光熔覆試驗(yàn)在德國(guó)GTV MF-LC 2000 型激光熔覆設(shè)備中進(jìn)行，采用同步送粉法，激光工藝參數(shù)如下：光斑直徑為3.18mm，送粉速度為22g/min，激光功率為2600W，掃描速度為8mm/s，熔覆層厚度為2.0mm，搭接率為50%。

對(duì)所制備的熔覆層進(jìn)行切割，方向?yàn)檠卮怪庇谌鄹卜较?，得到尺寸?5mm×15mm×10mm的試樣，對(duì)切割得到的樣品進(jìn)行打磨、拋光等處理，然后對(duì)樣品進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，腐蝕劑為王水溶液(HNO3:HCl=1: 3)，利用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)熔覆層腐蝕面的微觀組織進(jìn)行形貌觀察，利用能譜儀(EDS)對(duì)組織中的物相組成進(jìn)行成分檢測(cè)。利用顯微硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)，載荷力200g。利用UMT 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為150N/15min。利用電化學(xué)工作站對(duì)試樣進(jìn)行電化學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為3.5wt.%的NaCl 水溶液。

2 結(jié)果與分析

2.1 Nb 對(duì)熔覆層顯微組織的影響

圖1 是熔覆層與基體交界處圖。圖2 是熔覆層截面顯微組織圖。圖2(a)是未添加Nb 的顯微組織圖，圖2(b)是添加Nb 的顯微組織圖。未添加Nb 的顯微組織中晶界處的碳化物呈網(wǎng)格狀，而添加了Nb 的顯微組織中晶界處的碳化物呈顆粒狀。對(duì)上述碳化物進(jìn)行EDS 能譜檢測(cè)成分分析，其結(jié)果如表3 所示。從表3 中可以看出，添加了Nb 后，晶界處主要是Nb 的碳化物，Cr 含量明顯降低，這說(shuō)明Nb 的添加有利于減少Cr 的碳化物形成。

圖1 熔覆層與基體交界處圖Fig.1 Interface between cladding layer and substrate

圖2 添加Nb 前后熔覆層顯微組織圖：(a)未添加Nb；(b)添加NbFig.2 Microstructure of cladding layer before and after adding Nb: (a)Nb is not added, (b)Nb is added

表3 EDS 成分分析(wt.%)Table 3 EDS component analysis (wt.%)

2.2 不同Nb 含量對(duì)熔覆層顯微硬度的影響

圖3 是不同Nb 含量下熔覆層的顯微硬度和未添加Nb的熔覆層顯微硬度圖。從圖中可以看出，沿熔覆試樣由表及里方向，顯微硬度分布曲線呈現(xiàn)三臺(tái)階狀，它們分別對(duì)應(yīng)于熔覆層、熱影響區(qū)以及45#鋼基體，而且添加Nb 的熔覆層的顯微硬度比未添加Nb 的顯微硬度有明顯的提高。從圖中還可以看出，Nb 含量的增加使熔覆層硬度先增大后降低，當(dāng)Nb 含量為1.4%的時(shí)候，熔覆層的顯微硬度最高。當(dāng)Nb 含量從0.6%增大到1.4%的時(shí)候，熔覆層的硬度逐漸增大，這是因?yàn)殡S著Nb 含量的增加，Nb 代替了一部分Cr 與C 結(jié)合形成了碳化物，因此使得熔覆層的硬度得到了提高。當(dāng)Nb 含量從1.4%增大到2.2%的時(shí)候，熔覆層硬度又有所降低，這是因?yàn)槿鄹矊又蠳b 含量過高會(huì)導(dǎo)致Nb 的碳化物顆粒發(fā)生粗化現(xiàn)象，以至于在碳化物周圍出現(xiàn)貧碳現(xiàn)象，如圖4 所示，使得馬氏體基體產(chǎn)生奧氏體化，最終導(dǎo)致基體硬度降低，硬質(zhì)相和基體之間的結(jié)合強(qiáng)度下降。

圖3 不同Nb 含量下熔覆層顯微硬度Fig.3 Microhardness of cladding layer with different Nb content

圖4 不同Nb 含量下熔覆層顯微組織圖：(a)1.4% Nb; (b)2.2% NbFig.4 Microstructure of cladding layer with different Nb content: (a)1.4% Nb, (b)2.2% Nb

2.3 不同Nb 含量對(duì)熔覆層耐磨性的影響

圖5 為基體與不同Nb 含量熔覆層的摩擦系數(shù)圖。從圖中可以看出，熔覆層首先處于初始跑合階段，之后進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段，摩擦系數(shù)也逐步趨于穩(wěn)定。其中，添加了Nb 的熔覆層摩擦系數(shù)均比基體和未添加Nb 的熔覆層摩擦系數(shù)低，說(shuō)明Nb 的添加不僅起到了減摩耐磨效果，而且效果比未添加Nb 的好。同時(shí)，在Nb 含量為1.4%的時(shí)候，熔覆層跑合階段相對(duì)較短，進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段后摩擦系數(shù)較為平穩(wěn)，波動(dòng)范圍小。而Nb 含量為0.6%、1.0%、1.8%、2.2%的熔覆層經(jīng)歷了較長(zhǎng)的跑合階段，在穩(wěn)定磨損后摩擦系數(shù)的波動(dòng)范圍略大。綜上，Nb 含量在1.4%的時(shí)候，熔覆層的耐磨性最優(yōu)。

圖5 基體與不同Nb 含量熔覆層的摩擦系數(shù)Fig.5 The friction coefficient of substrate and the cladded layers with different Nb contents

圖6 是基體及不同Nb 含量下熔覆層的磨損失重對(duì)比圖。從圖中可以看出，熔覆層的磨損失重明顯低于基體，而且添加Nb 的磨損失重比未添加Nb 的低。當(dāng)熔覆層中Nb 含量為1.4%的時(shí)候，其磨損失重最低，這與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，因此說(shuō)明Nb 含量為1.4%的時(shí)候熔覆層的耐磨性最好。

圖6 基體及不同Nb 含量下熔覆層磨損失重Fig.6 The weight losses of substrate and cladding layer with different Nb content

2.4 不同Nb 含量對(duì)熔覆層耐蝕性的影響

為了研究熔覆層的腐蝕性為，利用電化學(xué)工作站，測(cè)量了基體和熔覆層的動(dòng)電位極化曲線圖。圖7 是基體與熔覆層在3.5 wt.%的NaCl 溶液中測(cè)得的動(dòng)電位極化曲線。從圖中可以看出，基體在溶液中表現(xiàn)為單一活性溶解，而熔覆層則具有明顯的鈍化行為。對(duì)所得到的極化曲線特征轉(zhuǎn)變點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，利用塔菲爾線性外推法，得到了不同Nb 含量的熔覆層和基體的自腐蝕電位(Ecorr)和自腐蝕電流密度(Icorr)特征腐蝕參數(shù)，如表4 所示。對(duì)于熔覆層來(lái)說(shuō)，在3.5 wt.%的NaCl 溶液中，其陽(yáng)極極化區(qū)域沒有出現(xiàn)活化-鈍化的轉(zhuǎn)變，而是隨著電位升高直接由塔菲爾區(qū)域進(jìn)入到鈍化區(qū)域，說(shuō)明在該腐蝕條件下熔覆層的表面可以自發(fā)地形成保護(hù)性的鈍化膜。從表中可以看到，通過塔菲爾線性外推法計(jì)算得出，未添加Nb 的熔覆層在NaCl 溶液中的自腐蝕電位為426.41mV，遠(yuǎn)高于基體的689.78mV；其自腐蝕電流密度為0.45μA/cm2，遠(yuǎn)小于基體的8.07μA/cm2，說(shuō)明熔覆層自發(fā)狀態(tài)下腐蝕傾向較低，腐蝕速率較慢，耐蝕性比基體優(yōu)良，能夠?qū)w起到良好的防護(hù)作用。而對(duì)比不同Nb 含量下所制備熔覆層，其腐蝕行為相似，但隨著Nb 含量的增大，自腐蝕電位逐漸增大，自腐蝕電流密度逐漸降低，說(shuō)明Nb 含量越高熔覆層的耐蝕性越好。

圖7 基體及不同Nb 含量下熔覆層的動(dòng)電位極化曲線Fig.7 Dynamic potential polarization curves of substrate and the cladding layer with different Nb content

表4 極化曲線測(cè)試結(jié)果Table 4 Polarization curve test results

3 結(jié)論

(1)在雙相不銹鋼合金粉中添加Nb 進(jìn)行激光熔覆實(shí)驗(yàn)，將所制備的熔覆層與未添加Nb 制備的熔覆層進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)未添加Nb 的熔覆層晶界處碳化物主要是Cr 的碳化物，而添加了Nb 的熔覆層晶界處碳化物是Cr 和Nb 的碳化物，同時(shí)Cr 的含量明顯降低。

(2)熔覆層中添加Nb 后，其硬度和耐磨性比未添加Nb 的熔覆層有顯著提高。當(dāng)熔覆層中Nb的含量從0.6%增加到2.2%的時(shí)候，其硬度和耐磨性先提高后降低，這是因?yàn)殡S著Nb含量的增加，熔覆層中Nb 的碳化物顆粒逐漸增多，有利于提高硬度和耐磨性；但Nb 含量過多時(shí)，Nb 的碳化物顆粒發(fā)生粗化現(xiàn)象，在碳化物周圍出現(xiàn)貧碳現(xiàn)象，使得馬氏體基體產(chǎn)生奧氏體化，最終導(dǎo)致基體硬度降低，硬質(zhì)相和基體之間的結(jié)合強(qiáng)度下降，因此Nb 含量為1.4%的時(shí)性能最優(yōu)。

(3)在3.5 wt.% NaCl 水溶液中，相比于基體的單一活性溶解，熔覆層具有明顯的鈍化行為，而且保持了較高的自腐蝕電位和較低的自腐蝕電流密度，耐蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于基體。當(dāng)熔覆層中添加Nb后，其耐蝕性比未添加Nb 的熔覆層有顯著提高，抗腐蝕得到了明顯改善，而且隨著Nb含量的增加，熔覆層的耐蝕性也逐漸提高。