激光熔覆FeCr和CoCr合金涂層的組織與性能

劉偉，伏利，陳小明，張磊，李育洛，張凱

激光熔覆FeCr和CoCr合金涂層的組織與性能

劉偉1, 3，伏利1, 3，陳小明1, 2，張磊1, 3，李育洛2，張凱1, 3

(1. 水利部產(chǎn)品質(zhì)量標準研究所 浙江省水利水電裝備表面工程技術(shù)研究重點實驗室，杭州 310012；2. 北京科技大學 新金屬材料國家重點實驗室，北京 100083；3. 水利部杭州機械設(shè)計研究所 水利機械及其再制造技術(shù)浙江省工程實驗室，杭州 310012)

對啟閉機活塞桿用40Cr不銹鋼基體采用激光熔覆技術(shù)分別制備FeCr合金層和CoCr合金層。表征和分析鈷基和鐵基合金涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)、顯微硬度、孔隙率、抗沖擊韌性、抗磨損性能。結(jié)果表明：激光熔覆技術(shù)獲得的FeCr和CoCr合金熔覆層的孔隙率趨近于零，F(xiàn)eCr和CoCr合金熔覆層的平均顯微硬度分別達718.6 HV0.2和541.4 HV0.2。FeCr合金熔覆層的沖擊凹坑深度約45 μm、直徑約3.6 mm，CoCr合金沖擊凹坑深度約60 μm、直徑約4.5 mm，F(xiàn)eCr合金熔覆層抗沖擊韌性優(yōu)于CoCr合金熔覆層；經(jīng)過180 min摩擦磨損實驗后，F(xiàn)eCr合金熔覆層質(zhì)量損失為0.002 01 g，CoCr合金熔覆層質(zhì)量損失為0.003 47 g，基體40Cr質(zhì)量損失為0.081 08 g，從抗磨性能比較FeCr合金熔覆層＞CoCr合金熔覆層＞基體40Cr不銹鋼。40Cr不銹鋼、FeCr合金、CoCr合金熔覆層的磨損機理主要是犁削和黏著磨損。

40Cr不銹鋼；FeCr合金熔覆層；CoCr合金熔覆層；抗沖擊韌性

40Cr不銹鋼為啟閉機活塞桿常用材料，因長期服役于潮濕的環(huán)境中，啟閉機中的活塞桿不僅要承受吸附于活塞桿表面的砂粒等雜物的磨損，還要承受潮濕環(huán)境和各種污染環(huán)境的腐蝕，其性能和使用壽命受到嚴重影響[1?6]。

激光熔覆技術(shù)是一種新的表面改性技術(shù)，主要應(yīng)用于工件表面強化和修復(fù)等。激光熔覆可以在低成本鋼板上制備高性能工作層，代替大量的貴重合金，節(jié)約貴重、稀有的金屬材料，提高材料的綜合性能，可以提高材料表面的耐磨、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化等性能[7?9]。FeCr合金與CoCr合金熔覆層具有良好的抗磨損性能，且與鋼基體有良好的冶金結(jié)合性能，界面結(jié)合牢固，但兩者的性能存在一定的差別。本文采用LDF 4000-100 VGP半導體激光器在40Cr鋼表面分別熔覆FeCr合金和CoCr合金，并通過微觀結(jié)構(gòu)、孔隙率、顯微硬度、結(jié)合強度、耐磨性能等測試，表征和分析比較兩種熔覆層的組織和性能。

1 實驗

基體材料為40Cr不銹鋼，熔覆材料為FeCr與CoCr合金粉末，三者的化學成分(質(zhì)量百分比)如表1所列，粉末顆粒顯微形貌如圖1所示。FeCr合金粉末粒度為53~180 μm，CoCr合金粉末粒度為45~150 μm。

表1 實驗材料化學成分表

試樣噴涂前先用酒精清洗去除表面油污，然后用壓縮空氣將表面吹凈。激光熔覆采用LDF 4000-100 VGP半導體激光器，最高功率4 kW，該系統(tǒng)主要包括激光器、送粉器和送粉槍，采用軸向送粉。激光熔覆FeCr合金參數(shù)為：激光功率2.2 kW，熔覆速度12 mm/s，搭接寬度2.5 mm，送粉量24 g/min。激光熔覆CoCr合金參數(shù)為：功率2.5 kW，熔覆速度10 mm/s，搭接寬度2.5 mm，送粉量28 g/min。

圖1 FeCr合金和CoCr合金粉末的顯微形貌

將熔覆后的試樣進行切割、打磨并拋光，利用HXD-1000TMC/LCD顯微硬度測試儀測試熔覆層的顯微硬度，測試10個點并取平均值。利用卡爾蔡司的ULTRA55場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察熔覆層微觀形貌。利用帕納科X’Pert Powder型號X射線粉末衍射儀(XRD)測試熔覆層的成分和晶型結(jié)構(gòu)，判斷熔覆層質(zhì)量。利用自主研發(fā)的SQCT001高強高韌沖擊韌性試驗機對試樣做沖擊韌性比較，并在RETC進口光學輪廓儀下觀察涂層沖擊后的凹坑，并得到凹坑直徑和深度。沖擊韌性實驗參數(shù)：沖擊功==17.25 J，其中球質(zhì)量=880 g，沖擊高度=2 m。利用HT-1000摩擦磨損試驗機測試熔覆層的抗磨損性能。先將熔覆層和基體表面打磨平整，清洗稱重，然后在相同的測試條件下做摩擦磨損對比試驗，試驗完成后清洗稱重，通過質(zhì)量損失對比法分析表征熔覆層的抗磨性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 熔覆層的顯微組織

圖2所示為FeCr與CoCr合金熔覆層的掃描電鏡照片。由圖可知FeCr和CoCr合金熔覆層與基體均為冶金結(jié)合，熔覆層組織致密均勻，沒有裂紋和組織偏析，熔覆層組織由枝晶和枝晶間構(gòu)成。FeCr和CoCr合金熔覆層均存在少量氣孔，其中FeCr合金熔覆層氣孔稍多于CoCr合金熔覆層。主要原因是由于激光熔覆是一個快速熔化和凝固的過程，產(chǎn)生的氣體來不及排出而形成氣孔；以及多道搭接中，熔覆層凝固收縮形成的孔洞。經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)，兩種熔覆層孔隙率均趨近于零，F(xiàn)eCr與CoCr合金熔覆平均顯微硬度分別為718.6 HV0.2和541.4 HV0.2，而基體40Cr鋼的顯微硬度約250 HV0.2。由此可見，F(xiàn)eCr合金熔覆平均顯微硬度大于CoCr合金熔覆層，CoCr合金熔覆層平均顯微硬度大于基體40Cr。

圖2 FeCr和CoCr合金熔覆層截面形貌

(a), (b) FeCr alloy; (c), (d) CoCr alloy

2.2 熔覆層的相組成

圖3為激光熔覆FeCr合金的 XRD圖譜，結(jié)合圖2可知熔覆層樹枝晶組織主要為α-Fe固溶體、Fe-Cr和FeCr0.29Ni0.16C0.06化合物。CoCr合金熔覆層主要由γ-Co、Cr23C6組成。Co元素具有同素易構(gòu)轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，當熔覆過程中溫度升到421 ℃時，其呈面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)的γ-Co，當溫度降低時，會轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的密排六方結(jié)構(gòu)ε-Co。由于激光熔覆冷卻速度快，高溫狀態(tài)下的面心立方結(jié)構(gòu)γ-Co未能發(fā)生晶格轉(zhuǎn)變而直接保留，同時合金中的Cr與C生成Cr23C6，另外還存在一定量的Co3C和(CrFe)7C3相[10?13]。

2.3 熔覆層抗沖擊韌性

圖4所示為將FeCr和CoCr合金熔覆層在沖擊韌性試驗后，置于光學輪廓儀下觀察所得到的凹坑度圖。通過軟件分析得到FeCr合金熔覆層凹坑深度約45 μm，直徑約3.6 mm；CoCr合金熔覆層凹坑深度約60 μm，直徑約4.5 mm。在相同的沖擊功下，F(xiàn)eCr合金變形小于CoCr，說明FeCr合金熔覆層沖擊韌性強于CoCr合金。也間接證明FeC合金熔覆層硬度大于CoCr合金。

2.4 熔覆層抗磨損性能

圖5為FeCr與CoCr合金激光熔覆層摩擦因數(shù)對比圖，F(xiàn)eCr合金激光熔覆層的摩擦因數(shù)約為0.65，略小于CoCr合金激光熔覆層的摩擦因數(shù)約0.75左右，較低的摩擦因數(shù)可提高涂層的抗磨性能。表2所列為FeCr合金激光熔覆層、CoCr合金激光熔覆層與基體40Cr的質(zhì)量損失對比，經(jīng)過180 min的摩擦磨損實驗后，F(xiàn)eCr合金熔覆層質(zhì)量損失為0.002 01 g，CoCr合金熔覆層質(zhì)量損失0.003 47 g，基體40Cr質(zhì)量損失為0.081 08 g。抗磨損性能FeCr合金激光熔覆層＞CoCr合金激光熔覆層＞基體40Cr。涂層的抗磨損性能與涂層顯微硬度呈相同趨勢。

圖3 FeCr、CoCr合金熔覆層XRD圖譜

圖4 FeCr合金與CoCr合金熔覆層沖擊凹坑

(a) FeCr alloy; (b) CoCr alloy

圖6為40Cr基體、FeCr和CoCr 合金激光熔覆層經(jīng)過180 min摩擦磨損后的表面微觀形貌照片。從圖6(a)，(c)，(e)可以看出40Cr基體、FeCr 合金激光熔覆層、CoCr 合金激光熔覆層磨損后表面均有犁溝和凹坑，并發(fā)生塑性變形。從圖6(b)，(d)，(f)中可以看出，均有片狀的翹起和脫落。其磨損機理主要是犁削和粘著磨損，從磨損過程看，熔覆層在磨損時，材料為Si3N4對磨球表面的微凸點切削較軟的40Cr基體、FeCr合金與CoCr合金材料的表面，并在較軟材料的表面形成了“犁溝”，在此摩擦磨損過程中，涂層主要發(fā)生犁削磨損。隨磨損時間延長，熔覆層在長時間的壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力的作用下，熔覆層微凸體被切落，形成磨屑堆積在粗糙表面上，再加上摩擦過程中的閃溫作用，磨屑堆積在表面產(chǎn)生塑性變形，粘附在涂層表面[13?15]，在此過程中，涂層主要發(fā)生粘著磨損。

圖5 FeCr熔覆層與CoCr熔覆層摩擦因數(shù)對比圖

表2 FeCr合金激光熔覆層與CoCr合金激光熔覆層摩擦磨損性能

4 結(jié)論

1) 激光熔覆制備的FeCr和CoCr合金層與基體之間結(jié)合緊密，為冶金結(jié)合。熔覆層組織致密，孔隙率趨近于零，顯微硬度分別為718.6 HV0.2、541.4 HV0.2，均高于基體40Cr鋼的顯微硬度250 HV0.2。

圖6 40Cr基體、FeCr合金、CoCr合金熔覆層經(jīng)過摩擦磨損后SEM形貌照片

(a), (b) 40Cr Matrix; (c), (d) FeCr alloy; (e), (f) CoCr alloy

2) FeCr合金激光熔覆層的抗沖擊韌性優(yōu)于CoCr合金激光熔覆層。

3) 抗磨損性能FeCr合金激光熔覆層＞CoCr合金激光熔覆層＞基體40Cr。40Cr基體、FeCr合金激光熔覆層、CoCr合金激光熔覆層的磨損機理主要為犁削磨損和為粘著磨損。

[1] 趙堅, 陳小明, 吳燕明, 等. 啟閉機活塞桿表面超音速火焰噴涂WC-10Co-4Cr涂層的性能[J]. 中國表工程, 2014, 27(3): 71?75. ZHAO Jian, CHEN Xiaoming, WU Yanming, et al.Properties of WC-10Co-4Cr coatings sprayed by HVOF on hoist piston rod surface[J]. China Surface Engineering, 2014, 27(3): 71?75.

[2] 伏利, 黃歡歡, 陳小明, 等. 多次激光熔覆工藝對鐵基合金涂層組織和性能的影響[J]. 粉末冶金材料科學與工程, 2019, 24(2): 95?99. FU Li, HUANG Huanhuan, CHEN Xiaoming, et al. Effect of multiple laser cladding processes on microstructure and properties of Fe-based alloy coatings[J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2019, 24(2): 95?99.

[3] 張磊, 陳小明, 毛鵬展, 等. 沿海水閘液壓活塞桿激光熔覆替代電鍍鎳鉻的研究現(xiàn)狀及展望[J]. 材料保護, 2019, 52(5): 121?124. ZHANG Lei, CHEN Xiaoming, MAO Pengzhan, et al. Research status and forecast on laser-cladding coating as candidate to electroplating nickel and chromium for hydraulic piston rod of coastal sluice[J]. Materials Protection, 2019, 52(5): 121?124.

[4] 劉月龍, 斯松華. 激光熔覆鐵基合金涂層研究進展[J]. 安徽工業(yè)大學學報(自然科學版), 2005, 22(4): 348?351. LIU Yuelong, SI Songhua. Progress on laser cladding iron-based alloy[J]. Journal of Anhui University of Technology (Natural Science), 2005, 22(4): 348?351.

[5] ZHANG P L, YAN H,YU Z H, et al. Influences of different anneal temperatures and cooling rates on the amorphous and crystalline composite coating[J]. Surface & Coatings Technology, 2012, 206: 4981?4987.

[6] KATHURIA Y P. Some aspects of laser surface cladding in the turbine industry[J]. Surface and Coatings Technology, 2000, 132 (2/3): 262?269.

[7] 尹泉, 彭如恕, 朱紅梅. 激光熔覆原位生成增強相強化鐵基涂層性能研究[J]. 表面技術(shù), 2016, 45(4): 99?104. YIN Quan, PENG Rushu, ZHU Hongmei. Performance improvement of iron base coating by laser cladding in-situ generated reinforced phase[J]. Surface Technology, 2016, 45(4): 99?104.

[8] LI J L, LIU H J, YU C Z, et al. Research and development status of laser cladding on magnesium alloys: A review[J] . Optics and Lasers in Engineering, 2017, 93(6): 195?210.

[9] 湯精明, 姜忠宇. 表面完整性對40Cr鋼耐腐蝕性的影響[J].熱加工工藝, 2010, 39(2): 100?103.TANG Jingming, JIANG Zhongyu. Influence of surface integrality on corrosion resistance of 40Cr steel[J]. Hot Working Technology, 2010, 39(2): 100?103.

[10] 張松, 張春華. 2Cr13鋼表面激光熔覆Co基合金組織及其性能[J]. 稀有金屬材料與工程, 2001, 30(3): 221?224. ZHANG Song, ZHANG Chunhua. Microstructure and performance of a laser clad Co-based alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2001, 30(3): 221?224.

[11] CHEN J C, GUO J, ZHOU S. Microstructure and tribological properties of laser cladding Fe-based coating on pure Ti substrate[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2012(9): 2171?2178.

[12] 劉思奇, 郭衍束, 楊玉玲, 等. H13鋼表面激光熔覆耐磨涂層正交化工藝研究[J]. 激光技術(shù), 2015, 39(3): 399?404. LIU Siqi, GUO Yanshu, YANG Yuling, et al. Investigation on orthogonal experiments of laser cladding anti-wear resistance coating on H13 steel[J]. Laser Technology, 2015, 39(3): 399? 404.

[13] 余本海, 胡雩惠, 吳玉娥, 等. 電磁攪拌對激光熔覆WC-Co 基合金涂層的組織結(jié)構(gòu)和硬度的影響及機理研究[J]. 中國激光, 2010, 37(10): 2672?2677.YU Benhai, HU Ehui, WU Yue, et al. Studies of the effects and mechanism of electromagnetic stirring on the microstructures and hardness of laser cladding WC-Co based alloy coating[J]. Chinese Journal of Lasers, 2010, 37(10): 2672?2677.

[14] 史泰岡, 高丹. Fe 基激光熔覆工藝參數(shù)對涂層成形的影響[J]. 實驗室研究與探索, 2013, 32(6): 30?33.SHI Taigang, GAO Dan. Effect of process parameters on forming of Fe based coating by laser cladding[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2013, 32(6): 30?33.

[15] 懷東, 張大衛(wèi). 鐵基合金粉末的激光熔覆性能實驗研究[J]. 應(yīng)用激光, 2007, 27(4): 273?277.HUAI Dong, ZHANG Dawei. The capability study of Fe-alloy powder laser cladding[J]. Applied Laser, 2007, 27(4): 273?277.

Microstructure and properties of FeCr and CoCr laser cladding coatings

LIU Wei1, 3, FU Li1, 3, CHEN Xiaoming1, 2, ZHANG Lei1, 3, LI Yuluo2, ZHANG Kai1, 3

(1. Key Laboratory of Surface Engineering of Equipments for Hydraulic Engineering of Zhejiang Province, Standard and Quality Control Research Institute, Ministry of Water Resources, Hangzhou 310012, China;2. State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;3. Hydraulic Machinery and Remanufacturing Technology Engineering Laboratory of Zhejiang Province,Hangzhou Machinery Design and Research Institute, Ministry of water resources, Hangzhou 310012, China)

FeCr and CoCr cladding coatings were prepared by laser cladding technology on 40Cr steel substrate for hoist piston rod. The microstructure, microhardness, porosity and wear resistance of cobalt based and iron-based alloys were characterized and analyzed. The results show that the porosity of FeCr and CoCr alloy cladding coatings obtained by laser cladding technology approaches to zero. The average microhardness of FeCr and CoCr alloy cladding layer are 718.6 HV0.2and 541.4 HV0.2, respectively. The impact toughness of FeCr alloy cladding layer is better than that of CoCr alloy cladding layer. After 180 min friction and wear test, the mass loss of FeCr alloy cladding layer is 0.002 01 g, the mass loss the CoCr alloy cladding layer is 0.003 47 g, and the mass loss of the matrix 40Cr is 0.081 08 g. The wear resistance of FeCr alloy cladding layer is better than that of CoCr alloy cladding layer and also better than 40Cr stainless steel. The wear mechanism of 40Cr steel, FeCr alloy and CoCr alloy cladding layer is mainly micro ploughing and adhesive wear.

40Cr steel; FeCr laser cladding coating; CoCr laser cladding coating; impact resistance

TN249

A

1673-0224(2020)03-267-06

浙江省科技計劃項目(2018C37029，2019C04019，G C19E090001)

2020?01?07；

2020?03?11

伏利，碩士，高級工程師。電話：0571-88082819；E-mail: fulitop@163.com

(編輯 高海燕)