氧化釔對激光熔覆鎳基40Cr 鋼組織與性能的影響

張新建，牛 莉，王 甫，孫 燕

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空與材料學(xué)院, 安徽 蕪湖 241000）

激光熔覆技術(shù)是利用高能激光束在極短時間內(nèi)熔化熔覆材料和基體表面， 然后經(jīng)快速冷卻和凝固后， 在熔覆材料和基體表面之間形成良好冶金性能的表面改性技術(shù)［1］。

稀土元素具有凈化金屬熔池的功能， 可以不同程度改善金屬材料的一些性能，如鑄造性、耐腐蝕性、耐磨性和抗氧化性等，被譽(yù)為“鋼鐵中的青霉素”［2］。為了提高金屬材料的性能， 在激光熔覆過程中加入適量的稀土元素可以達(dá)到細(xì)化晶粒、 改善微觀組織以及減少裂紋和氣孔缺陷的目的［3］。譚友宏等［4］通過激光熔覆技術(shù)在60CrMnMo 鋼表面制備出WCB4W-Y2O3復(fù)合材料，實驗表明,加入適量Y2O3可有效改善熔覆層的冶金性能；王玉玲等［5］通過激光熔覆技術(shù)在42CrMo 鋼表面制備了添加CeO2的稀土3540Fe 基合金熔覆層， 得到組織較細(xì)的熔覆層，其耐磨性得到提高；張哲浩等［6］通過添加稀土Nd 元素，在Cr12MoV 模具鋼表面獲得耐磨性良好的稀土鎳基合金熔覆層。

40Cr 鋼主要用于制造軸類、連桿類、螺釘類和重要齒輪類等要求高硬度、高耐磨性和一定耐腐蝕性的零件［7］，這些零件工作條件差，磨損嚴(yán)重，使用壽命低。 為了提高40Cr 鋼的機(jī)械性能，本文采用激光熔覆技術(shù)在40Cr 鋼基體表面制備稀土鎳基熔覆層，研究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Y2O3對熔覆層組織和性能的影響。

1 材料和方法

1.1 材料

基體材料為40Cr 鋼， 熔覆層材料為Ni60 粉末，其成分含量分別見表1 和表2， 其中Ni60 粉末粒度為50～100 μm。 添加稀土元素為Y2O3粉末， 粒度為40～110 μm。 首先將質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1.0%和2.0%的Y2O3粉末加入Ni60 粉末中，放入球磨機(jī)（球磨機(jī)型號為QM-3SP4， 球磨罐與磨球材質(zhì)均為硬質(zhì)合金，球料比為10∶1）球磨3 h，充分混合，球磨速度設(shè)定為120 r/min。 然后用砂紙對40Cr 鋼基體表面進(jìn)行打磨， 去除氧化層及油污， 并用丙酮清洗，再將水乙醇與熔覆層材料粉末以1∶5 的質(zhì)量比例調(diào)成的糊狀覆層材料均勻地涂覆在基體表面， 厚度為1.0 mm，最后將經(jīng)涂覆的樣品放入干燥箱中干燥4 h，溫度設(shè)定為100 ℃。

表1 40Cr 鋼的化學(xué)成分

表2 Ni60 合金粉末的化學(xué)成分

1.2 試樣準(zhǔn)備

采用TJ-HL-5000 型光纖激光器對40Cr 鋼進(jìn)行激光熔覆， 實驗樣品尺寸為40 mm×10 mm×10 mm，激光熔覆參數(shù)如表3 所示。 為了減少裂紋，在激光熔覆前將40Cr 鋼基體先預(yù)熱到150 ℃， 同時， 為減少激光熔覆過程中周圍空氣對熔覆層組織的影響， 激光熔覆前預(yù)先通氬氣作為保護(hù)氣體，氣體流量為16 L/min。 熔覆好的樣品用線切割機(jī)床切割成尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的試樣。

表3 激光熔覆參數(shù)

1.3 組織與性能表征

沿垂直于激光熔覆掃描方向的表面首先用200目砂紙進(jìn)行打磨，然后用400 目砂紙進(jìn)行打磨，最后用600 目砂紙進(jìn)行打磨， 直至光滑。 經(jīng)拋光機(jī)拋光后，用王水腐蝕60 s，采用型號為EVO-60 的掃描電鏡（SEM）觀察激光熔覆層的微觀形貌；采用型號為D/max-2200 的X 射線衍射儀（XRD）測定激光熔覆層 的 相 組 成（Cu 靶，掃 描 速 率 為4°/min）；采 用HV-S1000 型顯微硬度計測試激光熔覆層的顯微硬度，加載8 N，保壓15 s；采用型號為MFT-EC4000的摩擦磨損試驗機(jī)對試樣磨損性能進(jìn)行檢測， 試驗條件為干摩擦，摩擦副材料為Si3N4 陶瓷球，摩擦頻率為4 Hz，摩擦?xí)r間為25 min，摩擦長度為6 mm，載荷為25 N，磨損時間為60 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 熔覆層的宏觀形貌

添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Y2O3的激光熔覆層的微觀結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 從圖1 可以看出， 添加Y2O3的激光熔覆層均呈現(xiàn)出亞共晶結(jié)構(gòu)的特征。 這是因為在激光熔覆過程中，鎳顆粒在高溫作用下溶解，周圍液相成分發(fā)生變化，并隨著凝固溫度的降低，熔覆層的成分由亞共析向亞共晶轉(zhuǎn)變，析出枝晶。 在圖1 中，隨著Y2O3含量的增加， 熔覆層的組織逐漸細(xì)化，均勻性也得到改善，共晶組織的數(shù)量逐漸增加。這是因為Y2O3具有凈化熔池的功能，可以與合金中的雜質(zhì)元素反應(yīng)，形成精細(xì)的稀土化合物。這些化合物是非自發(fā)成核的核心， 提高了成核速率， 促進(jìn)了晶粒細(xì)化。 此外，添加稀土元素還可以減少枝晶間的間隙，阻礙枝晶的生長，減少中間雜質(zhì)，提高液態(tài)合金的流動性。當(dāng)Y2O3含量超過1.0%時，熔覆層組織變粗，出現(xiàn)枝晶生長方向不一致的現(xiàn)象。 這是因為過量的Y2O3和雜質(zhì)元素形成的大量難熔材料不容易從熔池中漂浮出來，降低了液態(tài)合金在熔池中的流動性，并使合金層的晶粒變粗。

圖1 不同含量Y2O3 的熔覆層的掃描電鏡圖

2.2 熔覆層相結(jié)構(gòu)

圖2 為未添加Y2O3的激光熔覆Ni60 涂層的XRD圖譜。 由圖2 可知，在40Cr 基體表面形成了由γ-Ni、M23C6（M=Fe、Ni、Cr）、FeNi3、Ni3B 和CrB 組 成 的 硬化相。

圖2 未添加Y2O3 激光熔覆Ni60 涂層的XRD 圖譜

圖3 為添加不同含量Y2O3的熔覆層的XRD 圖。從圖3 可以看出： 隨著Y2O3含量從0.5%增加到2.0%，熔覆層物相類型沒有發(fā)生變化，主要由?-（Fe，Ni）、Ni3Si、Cr23C6、FeNi3、Ni3B 等相組成。 隨著Y2O3含量從0.5%增加到1.0%時，組織中? -（Fe，Ni）在45.9°、75.4°處所對應(yīng)的衍射峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，說明? -（Fe，Ni） 相 對 含 量 逐 漸 增 多；Cr23C6在42.6°、51.7°處所對應(yīng)的衍射峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)， 說明Cr23C6相 對 含 量 逐 漸 增 多；FeNi3、Ni3Si、Ni3B 在37.3°、54.1°處所對應(yīng)的衍射峰強(qiáng)度逐漸減弱， 說明其相對含量逐漸減少。 這主要是由于Y2O3可以促進(jìn)鎳顆粒的分解，增加周圍液相中的鎳含量，使液相成分轉(zhuǎn)變?yōu)閬喒簿С煞?，增加了Cr23C6相的含量。 但是當(dāng)Y2O3含量為2.0%時，共晶Cr23C6相的含量反而降低，這是由于稀土元素的添加增大了熔覆材料對激光的吸收率，使熔覆層中的Cr23C6出現(xiàn)分解， 由于添加的Y2O3較少， 且Y2O3與雜質(zhì)元素反應(yīng)生成稀土化合物， 上浮到熔池表面，因此未檢測到Y(jié)2O3及其相關(guān)物相。

（a）Y2O3 含 量 為0.5% ； （b）Y2O3 含 量 為1.0% ；（c）Y2O3 含量為2.0%。

2.3 熔覆層的顯微硬度

圖4 是不同含量Y2O3的熔覆層的顯微硬度分布曲線。 從圖4 可以看出，當(dāng)Y2O3未添加到熔覆層時，由于熔覆材料對激光輻照能量的吸收率相對較低，40Cr 基體材料吸收了大量的能量， 使得基體溫度急劇升高，熔化后鐵大量進(jìn)入到熔覆層中，提高了激光熔覆層的稀釋率［8］，導(dǎo)致平均硬度較低，硬度為616 HV。在熔覆層中加入Y2O3， 可以有效提高熔覆材料對激光輻照能量的吸收率， 改善合金元素在基體材料中的溶解能力，使基體中少量的鐵進(jìn)入到熔覆層，熔覆層組織分布更加均勻，形貌更加規(guī)則，結(jié)合更加緊密。 此外，稀土元素在金屬材料中的固溶性很小，微量稀土元素可以留在晶界和位錯等缺陷處，與晶界處的其他原子相互作用，影響晶界結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化晶界［9］，并大大提高熔覆層的硬度。 所以，當(dāng)Y2O3含量為0.5%時，熔覆層的平均硬度達(dá)到657 HV，比未添加Y2O3時提高了6.7%； 當(dāng)Y2O3含量為1.0%時，熔覆層的平均硬度達(dá)到786 HV， 比未添加Y2O3時提高了27.6%。 然而，當(dāng)Y2O3含量為2.0%時，熔覆層的平均硬度為734 HV， 比未添加Y2O3時提高了19.2%，低于Y2O3含量為1.0%的熔覆層的平均硬度。這是由于Y2O3含量太高， 熔覆材料的激光吸收率太大，導(dǎo)致熔覆層中大量碳化物（如Cr23C6）分解，同時使基體中的鐵熔化后進(jìn)入熔覆層中， 熔覆層硬度降低。因此，Y2O3的含量應(yīng)嚴(yán)格控制在合理范圍內(nèi)。

圖4 不同含量Y2O3 的熔覆層的顯微硬度曲線

2.4 熔覆層的耐磨性

利用MFT-EC4000 摩擦磨損試驗機(jī)測試熔覆層的摩擦磨損性能， 結(jié)果如圖5 所示。 從圖5 可以看出， 當(dāng)Y2O3的添加量分別為0、0.5%、1.0%和2.0%時， 激光熔覆層的平均摩擦系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢， 分別為0.56、0.47、0.42 和0.45。 其中不含Y2O3的熔覆層的摩擦系數(shù)最高， 因為其顯微組織粗大，平均硬度較低，耐磨性較差；當(dāng)Y2O3含量達(dá)到1.0%時，熔覆層的組織變得較細(xì)，熔覆層的平均硬度增加， 摩擦過程相對穩(wěn)定， 平均摩擦系數(shù)較小；當(dāng)Y2O3含量為2.0%時，熔覆層組織變粗，平均硬度相比含量1.0%時下降，耐磨性降低，平均摩擦系數(shù)增加，并且隨著時間的推移，曲線呈上升趨勢。

圖5 不同含量Y2O3 熔覆層的摩擦系數(shù)曲線

不同含量Y2O3的熔覆層的磨損量如圖6 所示。由圖6 可知： 當(dāng)未添加Y2O3時， 熔覆層磨損量為14.26×10-3mm3。 當(dāng)Y2O3的添加量分別為0.5%、1.0%和2.0%時，熔覆層磨損量分別為13.24×10-3、11.27×10-3、12.13×10-3mm3， 與不含Y2O3的激光熔覆層相比，磨損量分別降低了7.2%、21.0%、14.9%。 因此，添加適量的Y2O3可以達(dá)到細(xì)化熔覆層晶粒的目的，使熔覆層的組織更加均勻，提高熔覆層的耐磨性。

圖6 不同含量Y2O3 的熔覆層的磨損量

圖7 是不同含量Y2O3的激光熔覆層磨損痕跡形貌的SEM 照片。 由圖7 發(fā)現(xiàn)：未添加Y2O3的熔覆層的磨損表面出現(xiàn)寬而深的溝槽， 熔覆層磨損程度最高， 這是由于未添加Y2O3熔覆層的組織比較粗大，硬度較低。隨著Y2O3含量的增加，在Y2O3作用下晶粒細(xì)化，熔覆層硬度逐漸增加，其耐磨性也隨之提高，磨損表面的溝槽變得更窄、更淺［10］；當(dāng)Y2O3含量達(dá)到2.0%時，熔覆層組織粗化，硬度降低，耐磨性也降低，使磨損表面上的溝槽又變寬變深。

圖7 不同含量Y2O3 熔覆層的磨痕形貌

3 結(jié)論

在40Cr 鋼表面激光熔覆含有稀土氧化物Y2O3的Ni60 涂層，研究了添加不同含量Y2O3的激光熔覆層的組織與性能。 實驗結(jié)果表明：添加Y2O3的鎳基熔 覆 層 組 織 為 樹 枝 晶， 主 要 由γ-（Fe，Ni）、Ni3Si、FeNi3、Cr23C6、Ni3B 等相組成， 沒有出現(xiàn)Y2O3相。 在40Cr 鋼基體表面制備Ni 基的熔覆層， 添加適量的Y2O3可以起到凈化熔池、改善枝晶形態(tài)、細(xì)化晶粒組織的作用， 達(dá)到提高激光熔覆層硬度和耐磨性的目的。當(dāng)Y2O3含量為1.0%時，熔覆層組織最細(xì)，冶金性能最好。 過量Y2O3的加入反而使熔覆層的微觀組織變粗，并降低熔覆層的耐磨性。