20Cr13鋼表面激光熔覆鐵/鎳基合金熔覆層的組織與性能研究**

周志杰, 許 磊, 杜彥斌, 張 磊

(1.重慶工商大學(xué) 制造裝備機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400067；2.重慶水泵廠有限責(zé)任公司，重慶 400003)

0 引 言

20Cr13不銹鋼具有硬度高、強(qiáng)度大、耐腐蝕和耐磨等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械零部件，如葉輪、葉片、軸承等。在服役工作中，惡劣的工況條件下(如高應(yīng)力、高轉(zhuǎn)速、工作介質(zhì)劣化等)常使機(jī)械零部件產(chǎn)生如磨損、裂紋等表面損傷，嚴(yán)重影響了相關(guān)設(shè)備的服役安全和服役壽命。因此，如何提高相關(guān)零部件的表面性能一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，目前常用的表面強(qiáng)化技術(shù)主要有激光熔覆、堆焊、冷噴涂、電刷鍍等[1]。

激光熔覆是一種利用高能激光束在基體材料表面熔覆具有高性能熔覆層的表面改性技術(shù)[2]。首先通過激光束輻照將熔覆材料熔化形成熔池，隨后通過散熱快速冷卻凝固，獲得組織細(xì)小且與基材實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的涂層。激光熔覆材料主要為自熔性合金粉末，分別為鐵基、鎳基、鈷基自熔合金等[3]。目前相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和學(xué)者開展了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，尤其是針對(duì)不同粉末在不同基體上進(jìn)行的激光熔覆性能實(shí)驗(yàn)[4-12]。何建群等[5]針對(duì)45鋼基材設(shè)計(jì)了Fe55激光熔覆合金粉末，并進(jìn)行了工藝驗(yàn)證，獲得了高硬度、表面無裂紋、耐磨性和耐腐蝕性能優(yōu)異的激光熔覆層。趙堅(jiān)等[6]對(duì)齒輪常用材料17CrNiMo6合金鋼表面上熔覆Fe基、Ni基和Co基合金修復(fù)層，對(duì)比得出Fe基和Co基合金修復(fù)層無裂紋，Ni基合金修復(fù)層存在一定裂紋，三者比較Fe基涂層耐磨性最優(yōu)。張敏等[7]在40Cr鋼基體上熔覆Fe基、Ni基合金涂層，結(jié)果得出兩種涂層均改善了40Cr鋼基體的耐腐蝕性和耐磨性，其中Fe基涂層的耐腐蝕性和耐磨性較優(yōu)。Zhang W[9]使用VC粉末和鐵基粉末對(duì)H13模具鋼表面進(jìn)行激光熔覆試驗(yàn)，獲得了高于基體涂層硬度5倍的強(qiáng)化涂層。Li M等[10]在中碳鋼基體表面進(jìn)行鎳基涂層的激光熔覆試驗(yàn)，結(jié)果表面鎳基涂層大大改善了基體的耐腐蝕性，同時(shí)鎳基涂層表面易出現(xiàn)裂紋等缺陷，通過在鎳基粉末中添加金屬鑭元素，可以有效避免裂紋等缺陷的產(chǎn)生。但是，目前與20Cr13鋼激光熔覆鐵基和鎳基合金涂層的研究文獻(xiàn)鮮有報(bào)道，亟需相關(guān)研究。

以20Cr13馬氏體不銹鋼為研究對(duì)象，采用同軸送粉方式在表面進(jìn)行M2鐵基和Ni60A鎳基合金粉末的熔覆實(shí)驗(yàn)。利用顯微鏡和硬度計(jì)等設(shè)備對(duì)兩種熔覆層的微觀組織、顯微硬度等進(jìn)行分析對(duì)比研究。研究結(jié)果可為20Cr13不銹鋼的表面改性提供一定的參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)基體材料為20Cr13不銹鋼板材，試樣尺寸200 mm×100 mm×10 mm。試驗(yàn)前，將鋼板待熔覆區(qū)域打磨除銹及氧化膜，使用乙醇清洗并烘干，防止熔覆時(shí)出現(xiàn)裂紋等缺陷，影響熔覆質(zhì)量。采用如圖1所示的光纖激光熔覆設(shè)備(輝銳)，輸出功率最大為1 500 W，激光波長1 060 nm，微電腦程序控制。實(shí)驗(yàn)采用同軸送粉方式，保護(hù)氣氛采用氬氣，經(jīng)過大量試驗(yàn)后確定優(yōu)化工藝參數(shù)如表1所示。

圖1 激光熔覆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

表1 激光熔覆工藝參數(shù)

熔覆粉末為粒度在-120～+300目的M2鐵基與Ni60A鎳基球形粉末，試驗(yàn)前將M2鐵基和Ni60A鎳基合金粉末放入烘干箱進(jìn)行干燥備用，干燥溫度設(shè)定為150 ℃，時(shí)間為2 h，保證粉末徹底干燥無水分，減少熔覆層氣孔、裂紋等缺陷。試驗(yàn)基體與粉末的化學(xué)成分如表2所示。

表2 20Cr13鋼、M2與Ni60A的化學(xué)成分(wt.%)

采用線切割制備M2鐵基合金涂層和Ni60A鎳基合金涂層的橫截面金相試樣，金相腐蝕劑配比為5 mL氫氟酸(HF)+100 mL水溶液，腐蝕時(shí)間15 s。采用Leica DMILM型金相顯微鏡觀察兩種合金涂層的微觀組織。使用HV-1000B顯微硬度計(jì)在加載100 g、保壓10 s的條件下測試橫截面硬度，沿熔覆層橫截面中垂線，從熔覆區(qū)至基體每隔0.1 mm均勻取20個(gè)測試點(diǎn)，電腦計(jì)算獲取硬度值。

采用LK1100A型電化學(xué)工作站對(duì)鐵基與鎳基涂層進(jìn)行電化學(xué)測試，兩電極體系，待測電極是兩種合金涂層，工作面積為2.0 cm2，電解液為2.5%的NaCl溶液。極化曲線測量參數(shù)如下:

掃描速率為0.5 mV/s,掃描范圍為-0.5～0.2 V。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

圖2為M2鐵基合金涂層和Ni60A鎳基合金涂層單道熔覆試驗(yàn)后實(shí)物圖，熔覆層外觀均為連續(xù)柱狀，無斷裂、氣孔、夾渣等缺陷。圖3(a)、圖3(b)分別為鐵基、鎳基涂層的宏觀截面圖，可以清晰觀察到熔覆層均成半橢圓狀，涂層與基體間無裂紋、氣泡等缺陷，熔覆層與基體的結(jié)合處有明顯白亮帶，說明熔覆層與基體形成了良好、連續(xù)的冶金結(jié)合。

圖2 鐵基/鎳基合金粉末單道熔覆層

(a)鐵基

2.2 微觀組織分析

圖4為溫度梯度(G)和凝固速率(R)對(duì)結(jié)晶組織形態(tài)和大小的影響。如圖4所示，結(jié)晶參數(shù)G/R的值決定了結(jié)晶組織的形態(tài)，結(jié)晶參數(shù)由高至低分別對(duì)應(yīng)的結(jié)晶組織為平面晶、胞狀晶、樹枝晶和等軸晶；G×R的值則決定了結(jié)晶組織的大小，G×R的值越高，結(jié)晶組織越小。

圖4 溫度梯度G和凝固速率R對(duì)結(jié)晶組織形態(tài)和大小的影響

圖5(a)、圖5(b)分別為M2鐵基、Ni60A鎳基合金涂層，基體與熔覆層結(jié)合區(qū)微觀組織像。如圖5(a)、圖5(b)所示，凝固過程首先開始于基體和熔覆層的結(jié)合區(qū)，此時(shí)溫度梯度(G)極高，凝固速率(R)相對(duì)較低，因此結(jié)晶參數(shù)G/R的值很大，幾乎不存在成分過冷，晶體形核速度比生長速度快得多，進(jìn)而晶體在界面處以平面晶向凝固方向生長。此時(shí)鐵基涂層區(qū)域?yàn)槠矫嬷鶢罹?，鎳基涂層區(qū)域由平面晶與柱狀晶組成。圖5(c)、圖5(d)分別為M2鐵基、Ni60A鎳基熔覆層心部微觀組織像，由于逐漸遠(yuǎn)離結(jié)合界面區(qū)，凝固速率(R)增加，G/R值減小，靠近熔覆線的平面柱狀晶對(duì)熔池中部的熱量擴(kuò)散起到了一定阻礙作用，有助于樹枝晶的形成和生長[8]，因此熔覆層心部形成較粗大的樹枝晶以及沿?zé)崃繑U(kuò)散方向的胞狀晶。圖5(e)、圖5(f)分別為M2鐵基、Ni60A鎳基熔覆層上部微觀組織像，由于熔池上部直接接觸空氣，進(jìn)行快速的輻射散熱，導(dǎo)致溫度梯度急速下降，與此同時(shí)凝固速率持續(xù)增大，成分過冷此時(shí)占據(jù)液相的主導(dǎo)，結(jié)晶速度不斷提高，此時(shí)鐵基涂層形成晶粒細(xì)小、尺寸均勻的等軸晶，而鎳基涂層形成生長方向無序的細(xì)小樹枝晶。

(a)鐵基結(jié)合區(qū)

2.3 顯微硬度分析

為了獲得激光熔覆區(qū)域的硬度分布規(guī)律，線切割鐵基與鎳基熔覆試樣并進(jìn)行打磨、拋光，分別沿熔覆層橫截面中垂線，從熔覆區(qū)(Coating)-熱影響區(qū)(HAZ)-基體(Substrate)每隔0.1 mm均勻取20個(gè)測試點(diǎn)，進(jìn)行硬度測試，圖6為顯微硬度測點(diǎn)布置示意圖，圖7為顯微硬度分布圖，可知M2鐵基涂層的平均硬度值為541.7 HV，Ni60A鎳基涂層的平均硬度值為592.3 HV，兩種涂層的硬度值均高于基體(220.7 HV)。兩種材料熔覆層與熱影響層的硬度均要高于基體硬度，熔覆層的硬度是基體硬度的 2～3倍。硬度的提高由以下因素導(dǎo)致:首先通過微觀組織分析可知，由于激光熔覆屬于快速熔化、極速凝固的熱加工工藝，過冷度大，晶粒沒有足夠時(shí)間生長，因此形成細(xì)小晶粒，從而達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化的作用；其次熔覆層中存在著一些固溶體，如α-Fe、γ-Ni等固溶體發(fā)生固溶強(qiáng)化；最后熔覆層中可能彌散分布著一些如FeCr、FeNi3的金屬化合物相，這些金屬化合物相起到了彌散強(qiáng)化的作用。同時(shí)隨著靠近熔覆線，基體對(duì)熔覆層的稀釋作用越來越大，熱影響區(qū)的硬度呈驟降趨勢(shì)，但總體還是超過20Cr13基材硬度。這是由于熱影響區(qū)發(fā)生了化學(xué)冶金反應(yīng)，該區(qū)的硬質(zhì)相和固溶體較少，導(dǎo)致熱影響區(qū)的硬度相較熔覆層的硬度發(fā)生驟降，但仍高于基體硬度。

圖6 顯微硬度測點(diǎn)布置示意圖

圖7 顯微硬度分布

對(duì)比分析表明在熔覆區(qū)，采用鎳基材料時(shí)的顯微硬度要比采用鐵基材料時(shí)的顯微硬度高；在熱影響區(qū)部位即顯微硬度發(fā)生驟降部位，兩者顯微硬度相差不大。

2.4 電化學(xué)腐蝕分析

圖8為兩種合金涂層的電化學(xué)測試結(jié)果。根據(jù)極化曲線測量得出，鐵基涂層的自腐蝕電位為-0.21 V，略高于鎳基涂層的自腐蝕電位-0.23 V，其中鐵基涂層的自腐蝕電流密度下降幅度明顯大于鎳基涂層，因此鐵基涂層的耐蝕性要高于鎳基涂層。這是由于鐵基涂層相較于鎳基涂層，含有更多的Mn和Cr元素，這些元素起到了提高合金涂層致密的作用，同時(shí)降低了激光熔覆時(shí)的裂紋率和孔隙率，提高了合金涂層的耐腐蝕性。

圖8 鐵基和鎳基涂層的極化曲線圖

3 結(jié) 論

(1)通過激光熔覆技術(shù)在20Cr13不銹鋼表面激光熔覆M2鐵基與Ni60A鎳基涂層?；w與涂層之間有明顯白亮帶，無氣孔、裂紋等缺陷，冶金結(jié)合良好。鐵基涂層微觀組織主要由等軸晶和胞狀晶組成，鎳基涂層微觀組織主要由柱狀晶和樹枝晶組成。

(2)M2鐵基熔覆層的平均硬度值為541.7 HV，Ni60A鎳基熔覆區(qū)的平均硬度值為592.3 HV，二者的硬度值均高于基體硬度(220.7 HV)，約為基體硬度的2～3倍，相較基體硬度均有明顯提升。同時(shí)，熱影響區(qū)硬度隨著靠近熔覆線發(fā)生驟降，但仍高于基體，硬度值介于基體與熔覆區(qū)之間。在熔覆區(qū)，采用鎳基材料時(shí)的顯微硬度要比采用鐵基材料時(shí)的顯微硬度高；而在熱影響區(qū)部位即顯微硬度發(fā)生驟降部位，兩者顯微硬度相差不大。

(3)鐵基涂層的自腐蝕電位為-0.21 V，略高于鎳基涂層的自腐蝕電位-0.23 V，因此鐵基涂層的耐蝕性要高于鎳基涂層。

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