激光熔覆Fe基合金涂層組織與性能研究

劉志鵬，伍文星，李勝，邱長(zhǎng)軍

（南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421000）

0 引言

激光熔覆技術(shù)作為近年來(lái)表面改性的研究熱點(diǎn)，具有基體變形小、稀釋率低、效率高、易與基體形成冶金結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，其原理是利用高能量密度激光束在基材表面輻照快速融化形成熔池，同時(shí)向熔池中添加熔覆材料，使得熔覆材料在基材表面快速熔凝，從而制備高性能的涂層[1-6]。X. Xu等[7]采用激光熔覆法在4Cr5MoSiV1鋼表面制備了混合不同元素的鐵基粉末，并進(jìn)行多層熔覆處理。結(jié)果表明：在相鄰多層熔覆層的界面上均存在等軸枝晶和網(wǎng)狀共晶組織，過(guò)量鎳元素的加入會(huì)使合金元素分布更加均勻。此外，在鐵基合金中增加Ni元素顯著提高了熔覆層的沖擊韌性，并表現(xiàn)出較高的耐腐蝕性能。J.H. Wen等[8]在2205雙相不銹鋼表面進(jìn)行了激光熔覆實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：所制備的熔覆層顯微硬度約為328 HV，抗拉強(qiáng)度約為900 MPa，與2205雙相不銹鋼相比耐蝕性有所下降。本文在Q235基材表面采用光纖激光器激光熔覆了約4 mm的Fe基合金涂層，對(duì)其涂層性能進(jìn)行了表征和分析，為工程應(yīng)用提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

熔覆材料為鐵基球形粉末，經(jīng)真空氣霧化方法制備而成，粉末粒度為48～180 μm，采用ICP-AES法測(cè)其成分，粉末的化學(xué)成分如表1所示。實(shí)驗(yàn)基材為Q235鋼板，尺寸為120 mm×50 mm×15 mm，激光熔覆之前先將實(shí)驗(yàn)基材進(jìn)行打磨和酒精超聲波清洗，以去除基材表面氧化層和油漬，將粉末跟基材放入干燥箱中進(jìn)行干燥處理，設(shè)置干燥溫度為50 ℃，干燥時(shí)間為2 h。

表1 粉末的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

采用500 W光纖激光器在基材表面進(jìn)行多層熔覆處理，送粉方式為側(cè)向送粉，保護(hù)氣體為高純氮?dú)?，激光熔覆過(guò)程如圖1（a）所示，將基材放置在通有冷卻水的低溫工作平臺(tái)上面，水溫設(shè)置為15 ℃?；谇捌诘难芯縖9-10]，選擇優(yōu)化的激光工藝參數(shù)，激光功率為480 W，光斑直徑為2 mm，掃描速度為6 mm/s，搭接率為50%，送粉速度為6 g/min。圖2為制備的鐵基熔覆層表面形貌，從圖中可以看出，F(xiàn)e基涂層表面無(wú)氣孔和開裂等缺陷，其尺寸為60 mm×30 mm×4 mm。利用HXD-1000B型顯微硬度儀測(cè)量基材至Fe基涂層表面橫截面之間的顯微硬度，載荷為0.2 N，保壓時(shí)間為10 s。利用電火花線切割制備出多個(gè)非標(biāo)拉伸試樣，如圖1（b）為拉伸試樣取樣位置，尺寸如圖1（c）所示。利用WDW-20E材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試Fe基涂層的室溫拉伸性能，拉伸速率為0.2 mm/min。利用CS300型電化學(xué)工作站分析Fe基涂層電化學(xué)腐蝕性能，其中參比電極和輔助電極分別為飽和甘汞電極和鉑電極，F(xiàn)e基涂層試樣作為工作電極，腐蝕液為3.5%的NaCl 溶液，電壓范圍電位掃描速度為5 mV/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微硬度

圖1 激光熔覆過(guò)程和拉伸試樣

基材至Fe基涂層橫截面之間的顯微硬度測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，從基材至熱影響區(qū)到涂層的顯微硬度值是呈現(xiàn)上升趨勢(shì)的。基材的顯微硬度為146～168 HV0.2，涂層的顯微硬度為 298 ～322 HV0.2，大約是基材的2倍。涂層的顯微硬度提高的原因一方面是激光熔覆過(guò)程中快速冷卻產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化，獲得均勻、細(xì)化的組織；另一方面涂層中生成了碳化物，碳化物是典型的硬質(zhì)相，這些產(chǎn)生的碳化物也是導(dǎo)致涂層顯微硬度提高的原因[11-12]。

2.2 拉伸性能

圖4為激光熔覆Fe基涂層試樣的室溫拉伸性能分析結(jié)果。涂層拉伸曲線如圖4（a）所示，從圖中可以看，出涂層抗拉強(qiáng)度為（1040±20）MPa，屈服強(qiáng)度為（430±20）MPa，斷后伸長(zhǎng)率為（24±2）%。拉伸試樣取自激光熔覆涂層的2個(gè)不同位置，值得注意的是，2個(gè)試樣的拉伸性能比較相近，這說(shuō)明涂層的組織相對(duì)來(lái)說(shuō)比較均勻。利用掃描電子顯微鏡對(duì)Fe基涂層試樣的拉伸斷口形貌進(jìn)行觀察，如圖4（c）所示。從圖中可以看出，F(xiàn)e基涂層試樣斷口有大量、均勻的韌窩存在，屬于韌性斷裂。結(jié)合圖4（b）涂層拉伸斷口宏觀圖，可以很明顯看到試樣拉伸過(guò)程中產(chǎn)生縮頸現(xiàn)象，這進(jìn)一步表明涂層具有很好的塑性。

2.3 電化學(xué)腐蝕性能

圖2 Fe基涂層表面形貌

圖3 基材到Fe基涂層的顯微硬度

涂層試樣的腐蝕電壓、腐蝕電流和腐蝕速率如表2所示，圖5為涂層試樣的電化學(xué)腐蝕極化曲線。由圖5和表2可知，F(xiàn)e基涂層具有良好的耐腐蝕性能，其腐蝕電壓為-0.236 V，自腐蝕電流密度為5.855×10-6A/cm2，腐蝕速率為0.046 mm/a。涂層耐腐蝕性能優(yōu)異的主要原因如下[13-17]：1）激光快冷條件下制備的涂層的組織比較均勻和細(xì)密；2）該涂層Cr元素含量較高及少量Si元素的加入，涂層在電化學(xué)腐蝕的過(guò)程中表面容易產(chǎn)生致密的氧化物，避免涂層被進(jìn)一步腐蝕，這些都有利于提高涂層的耐腐蝕性能。

圖4 Fe基涂層試樣室溫拉伸性能

表2 Fe基涂層的電化學(xué)參數(shù)

圖5 Fe基涂層電化學(xué)腐蝕極化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

1）本文利用激光熔覆技術(shù)制備了低成本高性能的Fe基合金涂層，所制備的涂層表面無(wú)氣孔和裂紋等缺陷；2）涂層的顯微硬度為298～322 HV0.2，大約是基材的2倍，熱影響區(qū)的顯微硬度在基材跟涂層兩者顯微硬度范圍之間；3）涂層試樣在室溫下的抗拉強(qiáng)度為（1040±20）MPa，屈服強(qiáng)度為（430±20）MPa，斷后伸長(zhǎng)率為（24±2）%，其腐蝕電壓為-0.236 V，自腐蝕電流密度為5.855×10-6A/cm2，腐蝕速率為0.046 mm/a，涂層具有較好的綜合性能。