石墨烯含量對(duì)激光熔覆鎳基熔覆層組織和性能的影響

單嘉祿，烏日開(kāi)西·艾依提

石墨烯含量對(duì)激光熔覆鎳基熔覆層組織和性能的影響

單嘉祿，烏日開(kāi)西·艾依提

（新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830017）

研究石墨烯（Gr）含量對(duì)鎳基熔覆層組織和性能的影響，通過(guò)分析Gr含量對(duì)復(fù)合熔覆層的影響規(guī)律來(lái)確定Gr的最佳添加含量，同時(shí)進(jìn)行橫向、縱向等2個(gè)方向上的摩擦磨損測(cè)試，以分析掃描方向?qū)δΣ聊p性能的影響。采用預(yù)置粉末法制備石墨烯/鎳基（Gr/Ni60）合金熔覆層，并針對(duì)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、0.3%、0.5%、0.8%、1%的復(fù)合涂層進(jìn)行物相檢測(cè)、微觀組織、顯微硬度、摩擦性能等方面的分析。Gr的加入沒(méi)有引起鎳基熔覆層相組成的變化，主要組成相為γ?Ni、Cr7C3、Cr23C6。隨著Gr含量的增加，復(fù)合涂層晶粒尺寸逐漸減小，晶粒明顯細(xì)化，顯微硬度由623.12HV逐步提升到828.65HV，橫向磨損平均摩擦因數(shù)從0.65降至0.48，磨損率從7.5×10?5mm3/(N·m)降至3.6×10?5mm3/(N·m)?？v向磨損平均摩擦因數(shù)從0.70降至0.58，磨損率從5.7×10?5mm3/(N·m)降至4.5×10?5mm3/(N·m)。當(dāng)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)復(fù)合涂層的晶粒尺寸與Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)相比有所增加，且硬度和摩擦性能略有下降。當(dāng)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，復(fù)合涂層具有更好的晶粒結(jié)構(gòu)、顯微硬度和耐磨性，且橫向摩擦性能優(yōu)于縱向摩擦性能。在鎳基熔覆層中添加Gr可以起到明顯的強(qiáng)化作用，過(guò)量添加Gr會(huì)使熔覆層的顯微硬度和摩擦性能下降，在添加Gr之前熔覆層的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損，加入Gr之后磨損機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp和氧化磨損，并伴隨磨粒磨損。

激光熔覆；石墨烯；Ni60；微觀組織；顯微硬度；摩擦性能

激光熔覆技術(shù)是一種綜合了材料制備及表面改性的先進(jìn)技術(shù)[1]，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、生物醫(yī)療等領(lǐng)域中耐磨和高強(qiáng)度表面的制備。鎳基合金具有良好的理化性質(zhì)，因而得到了廣泛的應(yīng)用[2]。由于單純鎳基合金很難適用于嚴(yán)重磨損環(huán)境，所以人們加入一些微米級(jí)的硬質(zhì)顆粒來(lái)制備顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。這會(huì)導(dǎo)致裂紋和氣孔的產(chǎn)生[3-4]，尤其是在大型的表面熔覆層，且優(yōu)化工藝過(guò)程煩瑣、成本高。目前，可采用多種技術(shù)制備復(fù)合涂層，如物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、等離子熔覆、激光熔覆、微弧氧化等[5-9]。其中，激光熔覆技術(shù)具有高效、可與基體冶金結(jié)合等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已發(fā)展成為摩擦學(xué)和激光應(yīng)用等領(lǐng)域比較超前的研究方向[10]。

納米材料的發(fā)展為提高復(fù)合涂層的質(zhì)量和性能提供了巨大的機(jī)遇。Gr中碳原子通過(guò)sp2雜化軌道鍵合，因而具備優(yōu)異的電學(xué)性能、熱學(xué)和力學(xué)性能[11]。此外，Gr的高比表面積使其在與基體材料結(jié)合時(shí)能形成更大的接觸面積，從而提高了材料的結(jié)合強(qiáng)度[12-15]，且Gr的二維層狀結(jié)構(gòu)使層間易在剪切力的作用下滑動(dòng)，在磨損表面形成潤(rùn)滑膜，有利于提高材料的耐磨性?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，Gr被認(rèn)為是材料較為理想的增強(qiáng)體[16-20]。近年來(lái)，人們對(duì)Gr金屬基復(fù)合材料及其涂層進(jìn)行了研究。Miao等[21]采用激光熔覆技術(shù)在Ti6Al4V合金表面制備了氧化石墨烯（GO）鈷基復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)涂層的性能相對(duì)最好，與純鈷基涂層相比硬度提高了32%，且涂層中發(fā)現(xiàn)了未溶解的GO薄膜，磨損率降低了66%。當(dāng)GO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.4%時(shí)，由于過(guò)量GO的加入會(huì)降低涂層對(duì)激光的吸收率，從而影響涂層的微觀組織，并且會(huì)使碳化物積累，導(dǎo)致涂層硬化，產(chǎn)生大的裂紋，耐磨性降低。 Zhao等[22]采用原位合成的方式制備了石墨/Ti6Al4V復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)石墨的加入會(huì)增加磨損表面機(jī)械混合層（MML）的致密度，且原位生成的TiC抑制了MML中裂紋的擴(kuò)展，提高了復(fù)合涂層的耐磨性。Zhang等[23]采用超聲和濕法球磨相結(jié)合，在Ni60粉末表面原位合成了多層Gr，并制備了Gr/Ni60復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)Gr在復(fù)合涂層中部分轉(zhuǎn)變?yōu)轭惛焕障┙Y(jié)構(gòu)，對(duì)復(fù)合涂層中第二相（碳化鉻）有分散強(qiáng)化作用，使Gr/Ni60復(fù)合涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。Deng等[24]采用激光熔覆技術(shù)制備了鎳包石墨烯納米片（NiGNPs）增強(qiáng)IN625復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)復(fù)合涂層具有更高的硬度，并且添加NiGNPs提高了涂層的導(dǎo)熱系數(shù)，熱影響區(qū)更小，此外摩擦因數(shù)和磨損率均降低，磨損性能得到大大改善。

以上研究表明，通過(guò)激光熔覆技術(shù)，Gr可以很好地與金屬材料形成基體結(jié)合良好的復(fù)合涂層，且由于熔池中流體流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力引起的對(duì)流攪拌效應(yīng)會(huì)使石墨烯在熔池內(nèi)溶解后均勻擴(kuò)散，從而提高石墨烯/鎳基復(fù)合涂層的表面質(zhì)量[25]，且硬度和耐磨性均得到提升。關(guān)于Gr含量對(duì)采用激光熔覆技術(shù)制備Gr/Ni60復(fù)合涂層的影響的研究鮮有報(bào)道，此外因激光熔覆過(guò)程具有方向性，因此針對(duì)表面不同磨損方向上的摩擦磨損性能也鮮有研究。為了探究Gr含量對(duì)Ni60涂層性能的影響，以及不同磨損方向上復(fù)合涂層的摩擦磨損性能，文中擬采用預(yù)置粉激光法制備Gr增強(qiáng)Ni60涂層，分析Gr/Ni60復(fù)合涂層的顯微組織，測(cè)試復(fù)合材料的顯微硬度，系統(tǒng)研究高能激光作用下Gr含量對(duì)復(fù)合涂層不同方向上耐磨性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)所選Ni60粉末的粒徑為127～210 μm，成分（均用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示）：C 0.6%～1.0%，Cr 14%～17%，B 2.5%～4.5%，Si 3.0%～4.5%，F(xiàn)e≤15%，余量為Ni。實(shí)驗(yàn)所選Gr粉末的粒徑為5～8 μm，Gr粉末為比較典型的片層狀形態(tài)。Ni60粉末和Gr粉末的微觀形貌如圖1所示。實(shí)驗(yàn)所用基體為Q235鋼，尺寸為600 mm× 400 mm，成分（均用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示）：C 0.12%～0.2%，Mn 0.3%～0.7%，Si ≤0.3%，S ≤0.04%，P ≤0.04%，余量為Fe。實(shí)驗(yàn)前分別用200目、400目砂紙打磨基體，以清除鐵銹和油污，打磨后使用無(wú)水乙醇擦拭基體表面。

1.2 方法

預(yù)置層試樣編號(hào)和成分配比如表1所示。每組混合粉末的質(zhì)量為100 g，將用超聲分散儀分散8 h后的Gr粉末和Ni60粉末分別進(jìn)行電熱恒溫干燥處理，干燥完成后使用KQM–Z/B型行星式球磨機(jī)混勻，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為360 r/min，球磨時(shí)間為2 h。使用羧甲基纖維素鈉（CMC）作為黏結(jié)劑，制備混合預(yù)置粉末涂層，預(yù)置層的厚度為0.8 mm。將預(yù)置層烘干后在Q235基體（600 mm×400 mm）上構(gòu)建Gr/Ni60復(fù)合層。通過(guò)工藝實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，得到了最佳工藝參數(shù)：激光功率為1 400 W，掃描速度為6 mm/s，搭接率為30%。實(shí)驗(yàn)中激光熔覆系統(tǒng)采用IPG公司的YLS–2000W光纖激光器。圖2為試樣示意圖，熔覆高度為2 mm，長(zhǎng)度為50 mm。此實(shí)驗(yàn)中，在激光熔覆時(shí)激光頭從點(diǎn)出發(fā)沿箭頭方向掃描完第1道回到點(diǎn)，再按照搭接率為30%移動(dòng)至點(diǎn)，依次搭接形成涂層，且具有方向性。為了模擬工程中復(fù)雜的磨損環(huán)境，測(cè)試了2個(gè)摩擦磨損方向上的性能，縱向磨損方向定義為平行于激光掃描方向，橫向磨損方向定義為垂直于激光掃描方向，分析在這種掃描策略下不同方向上的摩擦磨損性能是否具有差異性。

從涂層橫截面上切取試樣。利用X射線衍射儀（XRD）進(jìn)行相鑒定，掃描角度為20°～80°。利用SUPRA–55VP掃描電鏡（SEM）觀察了涂層的橫截面及磨損表面的微觀結(jié)構(gòu)。采用HXS–1000A硬度計(jì)，在載荷1.96 N、時(shí)間15 s下，檢測(cè)熔覆層表面至基體的顯微硬度分布，相鄰點(diǎn)間距為0.1 mm。在RtecMF– 500摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，將直徑為4.75 mm的GCr15軸承鋼球作為摩擦副，上樣品（摩擦副GCr15）向下移動(dòng)，接觸到下樣品后，壓力傳感器通過(guò)上樣品施加恒定載荷（N），下樣品以一定的頻率（Hz）左右移動(dòng)，沖程為（mm），經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間（min），上樣品向上移動(dòng)，離開(kāi)下樣品，測(cè)試完成。測(cè)試參數(shù)：法向載荷為5 N，磨損往復(fù)距離為3 mm，速度為2 mm/s，時(shí)長(zhǎng)為30 min。摩擦因數(shù)采用常規(guī)法測(cè)量，二維力值傳感器將實(shí)時(shí)記錄載荷和上下樣品之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦力x，摩擦因數(shù)按式（1）計(jì)算。

=x/(1)

在室溫干滑動(dòng)磨損條件下對(duì)熔覆層進(jìn)行了耐磨性試驗(yàn)，并測(cè)試了其磨損率和磨損體積，磨損率按式（2）計(jì)算。

圖1 粉末顆粒的SEM形貌

表1 實(shí)驗(yàn)材料編號(hào)及成分配比

Tab.1 Experimental material number and composition ratio

圖2 試樣示意圖

=Δ/(×) (2)

式中：為磨損率，mm3/(N·m)；Δ為磨損體積，mm3；為磨損過(guò)程中所加的載荷，N；為磨痕的長(zhǎng)度，m。

在摩擦磨損試驗(yàn)后，用掃描電子顯微鏡觀察了試樣的磨損表面，通過(guò)分析表面的磨損形貌以揭示其磨損機(jī)理。

2 結(jié)果與分析

2.1 物相分析

不同Gr含量復(fù)合涂層的XRD衍射圖譜見(jiàn)圖3，可以看出添加Gr未改變?nèi)鄹矊拥南嘟M成。通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片，各涂層中的主要相組成仍為γ–Ni、Cr23C6、Cr7C3、C。其中，γ–Ni（111）峰強(qiáng)最高，表明這是晶界生長(zhǎng)的擇優(yōu)取向。純Ni60涂層碳化物的特征峰在45°、76°位置比較明顯，添加Gr后，未檢測(cè)到C的特征峰，在37°、44°、51°、76°均檢測(cè)到碳化物的衍射峰。當(dāng)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，在76°左右的Cr7C3峰的強(qiáng)度最高。由于Gr具有較高的活性，極易發(fā)生溶解，從而與合金粉末中的鐵、鉻等元素構(gòu)成碳化物相，并以碳化物的形式存在于熔覆層中，從而提高了涂層的性能。由于Cr7C3的硬度和韌性高于Cr23C6的[26]，所以當(dāng)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，其硬度要比其他Gr含量的涂層高，也表現(xiàn)出更好的耐磨性。此外，從圖3可以看出，隨著Gr含量的增加，衍射峰的寬度有變大的趨勢(shì)，γ–Ni（111）晶面比較明顯。通過(guò)謝樂(lè)公式=/(cos)可知，峰半高寬值越大，則晶粒在垂直于晶面方向的平均厚度就越小，且晶粒尺度越小，可見(jiàn)Gr具有降低熔覆層中γ–Ni晶體晶粒尺寸的效果。

圖3 Gr/Ni60復(fù)合涂層的X射線衍射圖譜

2.2 顯微組織分析

不同Gr含量的復(fù)合涂層中部SEM截面形貌見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，隨著Gr含量的增大，晶粒尺寸呈現(xiàn)先減小后升高的趨勢(shì)，在添加Gr之后平均晶粒尺寸分別為2.78、2.11、1.05、1.33 μm。這主要因?yàn)殡S著Gr含量的升高，會(huì)導(dǎo)致合金液相成分中碳元素的增加，在一定程度上影響了合金凝固的過(guò)程。在凝固過(guò)程中，會(huì)伴隨著液相中溶質(zhì)再分配的過(guò)程，碳元素的溶質(zhì)分配系數(shù)小于1，在凝固過(guò)程中富集在固液界面液相的一側(cè)。由于溶質(zhì)富集區(qū)的存在，使液相的理論凝固溫度發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了成分過(guò)冷區(qū)。根據(jù)成分過(guò)冷理論[27]，成分過(guò)冷區(qū)的存在，使得凝固過(guò)程中平行推進(jìn)的固液界面失穩(wěn)，從而產(chǎn)生了枝晶。隨著Gr含量的增加，會(huì)使更多有活力的碳原子富集在固液界面處，從而改變液相的成分，導(dǎo)致理論凝固溫度發(fā)生變化，擴(kuò)大了成分過(guò)冷區(qū)。成分過(guò)冷區(qū)的擴(kuò)大會(huì)使晶粒的形核率及長(zhǎng)大速度一同升高，但形核率的提升速率要遠(yuǎn)高于其長(zhǎng)大速率，致使單位體積中晶核數(shù)目變多。由于長(zhǎng)大空間較小，因而長(zhǎng)成的晶粒就變得越細(xì)小。當(dāng)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，晶粒尺寸達(dá)到最小值。如果Gr的含量過(guò)高，則會(huì)進(jìn)一步影響合金溶液的凝固過(guò)程，使相同溫度梯度條件下熔池中的熱量增多，激光束離開(kāi)后，熔池的凝固冷卻速度就越慢，形成的枝晶尺寸也越大。

圖4 Gr/Ni60復(fù)合涂層中部SEM顯微形貌

2.3 顯微硬度分析

從涂層表面到底部，隨著距離的增加涂層顯微硬度的變化情況見(jiàn)圖5。硬度分布區(qū)域可分為熔覆區(qū)（CL）、界面結(jié)合區(qū)（BZ）和熱影響區(qū)（HAZ），這3個(gè)區(qū)域中熔覆層區(qū)的硬度值最高，且其最高硬度位于距表面0.5～0.8 mm的位置。界面結(jié)合區(qū)受到基體稀釋率和平面晶的影響，硬度略有降低。在熱影響區(qū)，基體溫度較高。在這種高溫環(huán)境下，由于表面不直接接觸空氣，溫度梯度不高，在溫度降低時(shí)，等同于一次淬火處理，材料得到淬火強(qiáng)化，所以在熱影響區(qū)內(nèi)顯微硬度有輕微上升的趨勢(shì)。不同Gr含量復(fù)合涂層的平均顯微硬度分別為623.12HV、647.47HV、681.33HV、828.65HV、764.4HV，當(dāng)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，熔覆層區(qū)平均硬度為828.65HV，而純Ni60涂層的平均硬度僅為623.12HV，相比之下硬度提升了約33%。這主要是因?yàn)镚r在熔覆層中引起晶體的晶格畸變，導(dǎo)致材料內(nèi)能增高，微觀應(yīng)力增大，阻礙了位錯(cuò)滑移運(yùn)動(dòng)的變形，使材料強(qiáng)度、硬度顯著提高。Gr添加量的增加會(huì)使熔池中游離態(tài)的C原子增加，并且這些C原子更傾向于與強(qiáng)碳化物Cr結(jié)合反應(yīng)，生成Cr23C6和Cr7C3。此外，當(dāng)加入Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，晶粒尺寸最小，硬質(zhì)碳化物含量較多且分布均勻。根據(jù)上述XRD分析可知，當(dāng)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，在76°左右的Cr7C3峰的強(qiáng)度相對(duì)最高。由此可見(jiàn)，Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，熔覆層的平均硬度相對(duì)最高。

圖5 Gr/Ni60復(fù)合涂層的顯微硬度

2.4 摩擦性能測(cè)試分析

不同Gr含量的復(fù)合涂層橫向、縱向的摩擦因數(shù)見(jiàn)圖6—7，可以看出整個(gè)磨損過(guò)程分為3個(gè)階段：第1階段為跑合磨損階段，在初期磨損時(shí)表面與摩擦副剛接觸時(shí)，光滑表面遭到破壞且變得粗糙，摩擦因數(shù)上升較快，所以在初期摩擦因數(shù)不穩(wěn)定且大幅波動(dòng)，發(fā)生在摩擦剛開(kāi)始的200 s內(nèi)，表面發(fā)生了較大的磨損；第2階段為過(guò)渡磨損階段，摩擦因數(shù)在經(jīng)過(guò)初期磨損后逐步趨于穩(wěn)定，被控制在一個(gè)范圍波動(dòng)，發(fā)生時(shí)間為200～700 s；第3階段為穩(wěn)定摩擦階段，此時(shí)摩擦副之間通過(guò)磨合，表面不像開(kāi)始那樣光滑，故磨損過(guò)程變得比較穩(wěn)定，摩擦因數(shù)波動(dòng)相對(duì)減小。由此，采用穩(wěn)定磨損階段的數(shù)值作為摩擦因數(shù)的數(shù)值，但在磨損后期橫向摩擦因數(shù)有小范圍的波動(dòng)，主要原因是磨損類型的改變。此測(cè)試中將1 000～1 800 s所測(cè)得的瞬時(shí)摩擦因數(shù)的平均值作為該熔覆層的平均摩擦因數(shù)。從圖7可以看出，縱向磨損時(shí)純Ni60涂層穩(wěn)定磨損階段摩擦因數(shù)的波動(dòng)范圍高于其他涂層。添加Gr之后涂層的摩擦因數(shù)波動(dòng)范圍明顯下降。通過(guò)計(jì)算，各個(gè)涂層穩(wěn)定磨損階段的平均摩擦因數(shù)分別為0.7、0.68、0.63、0.58、0.61，且摩擦因數(shù)的波動(dòng)程度明顯降低。由此可以看出，Gr的添加能夠有效降低涂層的摩擦因數(shù)。反觀橫向摩擦因數(shù)（圖6），平均摩擦因數(shù)分別為0.65、0.62、0.52、0.48、0.65。由于磨損方向垂直于熔覆方向，因此搭接界面處會(huì)對(duì)磨損產(chǎn)生一定的阻礙作用。橫向摩擦因數(shù)的波動(dòng)幅度明顯高于縱向磨損方向的，但平均摩擦因數(shù)均低于縱向磨損時(shí)的平均摩擦因數(shù)。此時(shí)，純Ni60涂層的波動(dòng)幅度最大，隨著Gr添加量的增加曲線波動(dòng)幅度進(jìn)一步減小。當(dāng)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，橫向平均摩擦因數(shù)為0.48?？梢缘贸?，橫向磨損比縱向磨損具有更低的平均摩擦因數(shù)。

圖6 Gr/Ni60復(fù)合涂層橫向摩擦因數(shù)

圖7 Gr/Ni60復(fù)合涂層縱向摩擦因數(shù)

不同Gr含量的復(fù)合涂層磨損率及磨損體積見(jiàn)圖8。從圖8可以看出，無(wú)論是橫向還是縱向，磨損率總是隨著Gr含量的增加而下降，但橫向磨損時(shí)磨損率的下降程度高于縱向磨損時(shí)的磨損率，當(dāng)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)磨損率有一定的上升。純Ni60涂層的橫向磨損率為7.5×10–5mm3/(N·m)，當(dāng)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，橫向磨損率達(dá)到最低值3.6×10–5mm3/(N·m)，橫向磨損率降低了52%。純Ni60涂層的縱向磨損率為5.7×10–5mm3/(N·m)，當(dāng)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，縱向磨損率為 4.5×10–5mm3/(N·m)，僅降低了約21%，當(dāng)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，縱向磨損率為最低值。2個(gè)摩擦方向的磨損體積具有同樣的趨勢(shì)，當(dāng)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)橫向磨損體積達(dá)到最小值(6.5×10–4mm3)，相較于橫向磨損時(shí)Ni60涂層的磨損體積（13.5×10–4mm3）下降了約52%。當(dāng)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，縱向磨損體積僅降低了19%。由此可見(jiàn)，橫向摩擦磨損性能的變化隨著Gr含量的變化較為明顯，且橫向磨損時(shí)具有最低的磨損率和磨損體積，可見(jiàn)橫向耐磨性優(yōu)于縱向耐磨性。由圖5可知，Gr的添加使熔覆層硬度升高，硬度的升高有利于熔覆層減磨耐磨性能的提高。進(jìn)一步增加Gr的添加量會(huì)導(dǎo)致碳化物分布不均勻，從而導(dǎo)致其耐磨性降低。

縱向磨損表面SEM形貌見(jiàn)圖9，縱向磨損表面白光干涉形貌見(jiàn)圖10。從圖9a、圖10a中看出，當(dāng)存在一個(gè)垂直于磨損表面的壓力時(shí)，GCr15鋼球在與涂層的相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生了犁削行為。當(dāng)加入Gr后，磨損變得均勻，犁溝也不再明顯，并開(kāi)始出現(xiàn)層狀物質(zhì)。隨著Gr添加量的增加，層狀物的出現(xiàn)變得均勻，層狀物質(zhì)的元素映射圖見(jiàn)圖11，可以清晰地看出這種層狀物質(zhì)中氧元素聚集明顯，同時(shí)含有少量的鉻元素，并且鐵、碳元素在該區(qū)域中分布均勻。結(jié)合XRD分析可知，這種層狀物質(zhì)中含有鐵和鉻的氧化物，且含有少量碳化鉻。由此得出，這種層狀物質(zhì)為氧化與硬化的混合保護(hù)層。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因：在熔覆過(guò)程中Gr的熔點(diǎn)較低，且碳原子活性高、擴(kuò)散速度快。在高能激光照射下，Gr特殊的褶皺會(huì)加速碳原子的擴(kuò)散和溶解，使涂層組織更加均勻化，提高了復(fù)合涂層的強(qiáng)度，且韌性也有一定程度的提升。純Ni60涂層在進(jìn)行摩擦磨損時(shí)，磨屑為小顆粒狀，所以在磨損過(guò)程中形成了明顯的犁溝，表明此時(shí)磨損類型為磨粒磨損。黏著現(xiàn)象是在一定壓力和溫度下發(fā)生的，加入Gr的復(fù)合涂層的導(dǎo)熱率會(huì)升高，隨著磨損的持續(xù)進(jìn)行，摩擦副與表面持續(xù)摩擦?xí)?dǎo)致表面溫度升高，磨屑轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺罨蛐K狀，磨損過(guò)程中產(chǎn)生的片狀磨屑粘在磨損表面上，并被不斷地氧化堆積并壓平，導(dǎo)致黏著現(xiàn)象的發(fā)生。可判斷此時(shí)磨損類型為黏著磨損，所以在熔覆層的磨損表面形成了這種混合保護(hù)層。在這種磨損情況下犁削狀的溝槽仍然存在，并被層狀物質(zhì)切斷，從而在宏觀形態(tài)上形成間歇性犁削狀溝槽與層狀結(jié)構(gòu)同時(shí)出現(xiàn)的形貌。在摩擦過(guò)程中，這種混合層有效地減小了摩擦副與涂層之間的表面接觸，降低了復(fù)合涂層的磨損率，所以磨損機(jī)制隨著Gr含量發(fā)生了變化，逐漸由磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp，并伴隨氧化磨損。這種混合保護(hù)層在摩擦過(guò)程中承擔(dān)了很大的切應(yīng)力，從而提升了復(fù)合涂層的摩擦磨損性能。

圖8 Gr/Ni60復(fù)合涂層磨損率及磨損體積

圖9 Gr/Ni60復(fù)合涂層縱向摩擦磨損表面SEM形貌

圖10 Gr/Ni60復(fù)合涂層縱向摩擦磨損表面白光干涉形貌

圖11 圖9c中白色長(zhǎng)方形區(qū)域元素映射圖

橫向磨損表面SEM形貌見(jiàn)圖12，橫向磨損表面白光干涉圖見(jiàn)圖13。隨著Gr添加量的升高，犁溝變得不再明顯，且當(dāng)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，表面磨損均勻，彌散在熔覆層內(nèi)的碳化物形成了耐磨骨架，可以有效抵抗摩擦過(guò)程中的剪切力，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的犁溝。Ni60+Gr（0.8%）復(fù)合涂層磨損表面下部形貌見(jiàn)圖14。由圖14a可知，在下部也出現(xiàn)這種保護(hù)層。當(dāng)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，磨損表面出現(xiàn)了剝落坑。這主要是由于周期性摩擦磨損過(guò)程中發(fā)生了塑性變形，且與保護(hù)層相間出現(xiàn)，表明此時(shí)磨損機(jī)制是由磨粒磨損逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp和疲勞磨損的混合磨損機(jī)制。此外，從圖13a中可以看出，當(dāng)Gr的含量為0時(shí)，磨損程度高于其他試樣，并且磨痕表面窄而深；當(dāng)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.5%時(shí)，磨痕表面雖然變寬，但是深度變淺，作為硬面涂層來(lái)說(shuō)，窄而深的磨痕更容易引起工件出現(xiàn)因應(yīng)力集中產(chǎn)生的缺陷，同時(shí)對(duì)于涂層較薄的基體，這種窄而深的磨痕會(huì)損害基體，從而導(dǎo)致基體被磨損，影響工件使用壽命。對(duì)比2個(gè)方向上Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)的磨損表面形貌圖發(fā)現(xiàn)，橫向磨損的表面劃痕窄而淺，而縱向磨損表面間歇性的犁削狀溝槽要多些，結(jié)合2個(gè)方向上的磨損率和磨損體積來(lái)看，在橫向磨損時(shí)涂層表現(xiàn)出較好的耐磨性和減磨性。

圖12 Gr/Ni60復(fù)合涂層橫向摩擦磨損表面SEM形貌

圖13 Gr/Ni60復(fù)合涂層橫向摩擦磨損表面白光干涉形貌

圖14 Ni60+Gr(0.8%)涂層橫向摩擦磨損表面下部SEM形貌

3 結(jié)論

研究了石墨烯（Gr）含量對(duì)鎳基熔覆層物相組成、微觀組織、顯微硬度、摩擦磨損性能的影響，具體結(jié)論如下。

1）隨著Gr添加量的增加，溶質(zhì)發(fā)生富集，產(chǎn)生了成分過(guò)冷區(qū)，增大了形核率，從而使凝固組織細(xì)化。尤其是當(dāng)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，得到了分布均勻且細(xì)小的微觀組織。

2）Gr的加入提高了復(fù)合涂層的顯微硬度，尤其是Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)的復(fù)合涂層硬度最高。當(dāng)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，復(fù)合涂層晶粒尺寸比質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)有所增加，且硬度和耐磨性略有下降。

3）在該實(shí)驗(yàn)條件下，Gr的加入對(duì)復(fù)合涂層摩擦因數(shù)有明顯的影響，Gr的加入能有效降低熔覆層的平均摩擦因數(shù)。當(dāng)Gr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，橫向平均摩擦因數(shù)低于縱向摩擦因數(shù)，且橫向、縱向磨損率磨損體積均達(dá)到最小值，但橫向磨損率與磨損體積均低于縱向磨損率和磨損體積。結(jié)合SEM磨損表面形貌圖分析發(fā)現(xiàn)，0.8%是Gr的最優(yōu)含量，橫向耐磨性比縱向耐磨性更好。

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Effect of Graphene Content on Microstructure and Properties of Ni Based Laser Cladding

,

(College of Mechanical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830017, China)

The work aims to study the effect of graphene (Gr) content on the microstructure and properties of Ni based laser cladding, and therefore determine the optimal Gr content. Besides, the work analyzes the influence of the scanning direction on the friction and wear properties by conducting friction and wear tests in transverse and longitudinal directions. Graphene Ni-based composite (Gr/Ni60) coatings were prepared by preset powder method with such GrGr mass fractions as 0%, 0.3%, 0.5%, 0.8% and 1%, and therefore such aspects as phase detection, microstructure, microhardness, and friction properties were analyzed. The results showed that the addition of graphene did not transform the phase components of the Ni-based cladding, which mainly include γ-Ni, Cr7C3,and Cr23C6. With the raise of Gr content, the grain size of the composite coating decreased, that is, the grain is obviously refined, the microhardness increased gradually from 623.12HV to 828.65HV, the average friction coefficient of transverse wear decreased from 0.65 to 0.48, and the transverse wear rate decreased from 7.5×10?5mm3/(N·m) to 3.6×10?5mm3/(N·m). Meanwhile, the average friction coefficient of longitudinal wear decreased from 0.70 to 0.58 and the longitudinal wear rate decreased from 5.7×10?5mm3/N·m to 4.5×10?5mm3/(N·m). When the Gr content was 1wt.%, the grain size of the composite coating was larger than that of 0.8wt.%, and the microhardness and tribology properties decreased slightly. When the Gr content was 0.8wt.%, the composite coating had more excellent grain structure, microhardness and tribology properties. At the same time, the transverse tribology properties were better than longitudinal tribology properties. The addition of graphene in the Ni based cladding plays a very good strengthening role, but excessive addition of graphene will reduce the micro-hardness and tribology properties of the cladding. Besides, the wear mechanism of the cladding before adding graphene is mainly abrasive wear. After adding graphene, it changes to adhesive wear and oxidative wear simultaneously accompanied by abrasive wear.

laser cladding; graphene; Ni60; microstructure; microhardness; tribology properties

TG174.4

A

1001-3660(2022)07-0420-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.07.042

2021?08?03；

2021?12?23

2021-08-03；

2021-12-23

新疆維吾爾自治區(qū)天山青年計(jì)劃（2017Q015）

Tianshan Youth Program in Xinjiang Uygur Autonomous Region (2017Q015)

單嘉祿（1997—），男，碩士，主要研究方向?yàn)榧す馊鄹布夹g(shù)。

SHAN Jia-lu (1997-), Male, Master, Research focus: laser cladding.

烏日開(kāi)西·艾依提（1972—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)樵霾闹圃旒夹g(shù)。

AIYITI Wurikaixi (1972-), Male, Doctor, Professor, Research focus: additive manufacturing technology.

單嘉祿, 烏日開(kāi)西·艾依提. 石墨烯含量對(duì)激光熔覆鎳基熔覆層組織和性能的影響[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(7): 420-429.

SHAN Jia-lu, AIYITI Wurikaixi. Effect of Graphene Content on Microstructure and Properties of Ni Based Laser Cladding[J]. Surface Technology, 2022, 51(7): 420-429.

責(zé)任編輯：彭颋