石墨烯對(duì)司太立熔覆涂層組織及力學(xué)性能影響

王帆 刑永強(qiáng) 朱節(jié)節(jié) 管曉光 李航

（1、黑龍江科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍 江哈爾濱 150022 2、中國(guó)核工業(yè)第五建設(shè)有限公司，上海 201512）

為提高材料的性能，出于經(jīng)濟(jì)成本的考慮常采用價(jià)格相對(duì)低廉的材料對(duì)其表面進(jìn)行改性技術(shù)提高表面的性能[1]。為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行大量實(shí)踐與探索，開發(fā)了諸如激光沖擊、球磨、熔覆技術(shù)、熱噴涂、化學(xué)熱處理等表面強(qiáng)化工藝。并從強(qiáng)化材料及工藝的角度開展相關(guān)的研究工作，取得許多卓有成效的成果[2-6]。司太立合金或粉末作為耐磨損、耐蝕及抗高溫氧化材料，多應(yīng)用在噴涂或堆焊技術(shù)強(qiáng)化構(gòu)件或其表面的性能。[7]而石墨烯作為21 世紀(jì)極具魔力的新型的二維納米材料，具有超輕薄、高強(qiáng)度、優(yōu)良的強(qiáng)韌性等優(yōu)勢(shì)日益成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一[8-9]，尤其是其細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化以及應(yīng)力轉(zhuǎn)移提高力學(xué)性能的特性，使其成為亟待拓展的強(qiáng)化材料之一[10]。從已有研究來看，嘗試將司太立合金粉末和石墨烯相復(fù)合制備涂層的研究較少。因此，選用Q235 鋼板為基體，在其表面采用氬弧熔覆工藝制備司太立復(fù)合涂層，研究石墨烯添加量不同對(duì)司太立合金復(fù)合涂層組織和力學(xué)性能的影響，確定較佳的氬弧熔覆工藝。

1 試驗(yàn)材料及過程

選用基體材料為Q235 鋼其化學(xué)成分見表1。試樣尺寸為100mm×30m×10mm，共15 塊。購(gòu)置Stellite1 型合金粉末，其化學(xué)成分見表2，顆粒度為100-325 目。

表1 Q235 的化學(xué)成分（Wt.%）

表2 Stellite 1 的化學(xué)成分（Wt.%）

石墨烯在混合粉末中占設(shè)定5 組：0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%。為提高石墨烯的穩(wěn)定性將石墨烯預(yù)處理石墨烯表面化學(xué)鍍鎳。用水玻璃作為粘著劑涂1.5mm厚不同石墨烯含量的石墨烯與司太立合金混合粉末。采用氬弧熔覆技術(shù)制備司太立復(fù)合熔覆涂層，氬弧熔覆工藝參數(shù)見表3。

表3 氬弧熔覆工藝參數(shù)

采用DX-2700B 型X 射線衍射儀對(duì)涂層進(jìn)行物相分析；利用AxioLab 顯微鏡對(duì)熔覆涂層組織形貌進(jìn)行觀察。用Camscan MX2600FE 掃描電子顯微鏡進(jìn)行點(diǎn)成分分析。HVST-1000 型顯微維氏硬度計(jì)在加載力2.942N，10s 下測(cè)量顯微硬度，用MMS-2A 磨損試驗(yàn)機(jī)加載力為200N，30min 作摩擦磨損試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同石墨烯含量下的X射線衍射分析試驗(yàn)結(jié)果及分析。如圖1 所示為添加不同含量石墨烯熔覆層的XRD衍射圖譜，由圖1 可知在添加石墨烯后，隨著石墨烯含量的增加，衍射峰強(qiáng)度先增大后降低，分析可能原因是石墨烯導(dǎo)熱速度快，元素?cái)U(kuò)散速度變快，部分石墨烯碳化，促使C 與金屬原子擴(kuò)散，形成促碳化物的形成，使碳化物含量增加。但石墨烯含量過多發(fā)生團(tuán)聚導(dǎo)熱作用降低，衍射峰強(qiáng)度反而下降。

圖1 不同含量石墨烯的司太立合金XRD 圖譜

2.2 SEM形貌及掃描點(diǎn)成分分析。如圖2、圖3 所示為掃描電鏡微觀形貌和點(diǎn)掃描能譜圖，由圖2、圖3 可知，硬質(zhì)顆粒均勻的分散在晶界附近，能譜圖顯示主要元素有C、Cr、Co、W。結(jié)合XRD衍射圖譜結(jié)果可判斷晶界部位顆粒為

圖2 0.4 %石墨烯SEM形貌

圖3 掃描點(diǎn)成分分析

Cr、Co的碳化物。

2.3 不同石墨烯含量下的力學(xué)性能試驗(yàn)分析。如圖4所示是熔覆層至母材顯微硬度曲線。由圖4 可知，熔覆層硬度隨著石墨烯含量的升高，顯微硬度先升高再降低，在石墨烯含量到0.4%時(shí)顯微硬度最大達(dá)到770HV左右。一方面石墨烯具有良好的導(dǎo)熱性，當(dāng)石墨烯添加到熔覆層中，提高了熔覆層的散熱性，加快了冷卻速度，使熔覆層晶粒長(zhǎng)大時(shí)間減少，從而細(xì)化晶粒，提高熔覆層的顯微硬度等，另一方面Ni 包覆石墨烯不完全，部分石墨烯碳化，與粉末基體發(fā)生擴(kuò)散形成碳化物。當(dāng)熱傳導(dǎo)與散熱不完全一致，形成高熔點(diǎn)化合物趨勢(shì)增大，晶粒細(xì)化后粗化，脆硬相多，顯微硬度先增加后降低。當(dāng)石墨烯含量過多，作為增強(qiáng)相存在，顯微硬度繼續(xù)提高。在石墨烯含量為0%時(shí)熔覆層表面至基體顯微硬度逐漸降低，熔覆層中部顯微硬度較高，達(dá)到350HV以上。這主要是由于熔覆層生成了合金固溶體和其他硬質(zhì)相，固溶元素產(chǎn)生的晶格畸變及彌散分布的高硬度碳化物，使熔覆層的硬度顯著提高。在添加石墨烯后碳化物尺寸更加細(xì)小，分散更加均勻進(jìn)一步提高顯微硬度。

圖4 熔覆層顯微硬度曲線

如圖5 所示為摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。圖6 為不同石墨烯含量試樣的磨損量對(duì)比。整體上可摩擦系數(shù)曲線均可分為兩個(gè)階段:初始磨合階段和穩(wěn)定磨損階段。初始磨合階段，摩擦副表面微凸體之間接觸，實(shí)際接觸面積小，接觸應(yīng)力大，表面微凸體被劇烈磨損，摩擦系數(shù)迅速升高。經(jīng)過一段時(shí)間的磨合，表面微凸體被逐漸磨平，摩擦副間的接觸狀態(tài)得以改善而進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。由圖5 和圖6 可知，隨石墨烯含量的增加，摩擦系數(shù)和磨損失重呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢(shì)。當(dāng)石墨烯含量在0.4%時(shí)的摩擦系數(shù)最小。由圖6 還可以看出石墨烯含量為0.4%的磨損量最小，約0.02g，不含石墨烯涂層磨損量約0.04g，其耐磨性提高近2倍。分析可能原因是：石墨烯在提升石墨烯增強(qiáng)金熔覆層金屬材料力學(xué)性能的同時(shí)，還可以起到潤(rùn)滑劑的作用。石墨烯作為碳基材料，能夠在摩擦表而形成自潤(rùn)滑膜，有效地降低摩擦因數(shù)，提高材料的耐磨性能。由當(dāng)石墨烯含量增大時(shí)摩擦系數(shù)逐漸增大，但石墨烯含量不是越多越好，大于0.4%反而變小，可能是石墨烯團(tuán)聚失去原本的優(yōu)良性能。

圖5 不同石墨烯含量下的摩擦系數(shù)

圖6 不同石墨烯含量的磨損失重柱狀圖

3 結(jié)論

在Q235 鋼表面氬弧熔覆制備不同石墨烯添加的司太立復(fù)合涂層，在本試驗(yàn)條件下獲得主要結(jié)論如下：（1）氬弧熔覆涂層組織主由化合物和合金固溶體組成；（2）隨石墨烯含量的增加，氬弧熔覆涂層組織碳化物和合金固溶體先增多后減少的趨勢(shì)；（3）熔覆涂層的顯微硬度隨石墨烯含量的增多先增大后減少，在含碳量為0.4%時(shí)顯微硬度最大，達(dá)到了770HV以上，與基體相比提高了約3 倍；（4）耐磨性與顯微硬度相比提升不顯著，隨石墨烯含量的增加磨擦系數(shù)先降低后升高，磨損失重呈先降低后升高的趨勢(shì)，石墨烯含量為0.4%時(shí)耐磨性最好。

綜上，在石墨烯和司太立混合粉末中含量在0.4%，150A電流下司太立氬弧熔覆復(fù)合涂層耐磨性最佳。