激光熔覆制備Fe基合金涂層的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能*

王躍明 侯偉鵬 解 路 李晨龍 韓旭航 黃 杰 鄧鵬飛 顏建輝

(1.湖南科技大學(xué)高溫耐磨材料及制備技術(shù)湖南省國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖南湘潭 411201；2.湖南領(lǐng)恒機(jī)械科技有限公司 湖南湘潭 411100；3.江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院管理工程學(xué)院 江蘇常州 213147)

激光熔覆是一種先進(jìn)表面技術(shù)，其使用高能量密度的激光束在基體表面形成熔池，并同時(shí)將粉末進(jìn)行熔融，涂覆在熔池中，迅速冷卻凝固形成涂層[1-3]。相對(duì)于傳統(tǒng)的熱噴涂、冷噴涂、氣相沉積等涂層制備技術(shù)，激光熔覆具有涂層致密、結(jié)合強(qiáng)度大、制備效率高等優(yōu)勢(shì)，可用于制備合金[4-8]及復(fù)合材料[9-12]等材料體系涂層。

激光熔覆一般采用鐵基、鎳基、鈷基等金屬合金粉末作為熔覆材料，其中，鐵基粉末因其硬度大、與鋼基體相溶性好、成本低廉等優(yōu)勢(shì)越來越多地被用于鋼基體表面制備激光熔覆耐磨涂層。LU等[13]采用激光熔覆研究了WC含量對(duì)鐵基合金涂層微觀結(jié)構(gòu)和耐磨性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)添加WC之后，鐵基合金涂層的摩擦因數(shù)減小，耐磨性能提高。LUO等[14]采用高能球磨制備了Fe-Al合金粉，然后通過激光熔覆在1045鋼表面制備了涂層，研究發(fā)現(xiàn)涂層摩擦因數(shù)為0.64，磨損速率為0.325 1×10-3mm3/(N·m)。ZHAO等[15]采用激光熔覆制備了Fe-Al-Si合金涂層，并研究了激光功率和掃描速度等因素對(duì)涂層的影響。研究表明，隨激光功率和掃描速率的增加，涂層的晶粒度不斷減小，硬度和耐磨性也達(dá)到了峰值，最優(yōu)激光功率為1 600 W，掃描速率為400 mm/min。JU等[16]采用激光熔覆在42CrMo鋼表面制備了鐵基合金涂層，并研究了元素分布、微觀結(jié)構(gòu)和性能。結(jié)果表明，涂層顯微硬度為基體的3倍，磨損速率約為基體的1/2，抗腐蝕性能也得到提高。LI等[17]采用激光熔覆在熔鑄鐵塊表面制備了Fe-Cr合金涂層，研究發(fā)現(xiàn)過渡區(qū)域出現(xiàn)珠光體結(jié)構(gòu)，界面處未發(fā)生明顯的元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象，涂層的耐磨性并不高于基體。

綜上所述，目前關(guān)于激光熔覆鐵基合金涂層的研究主要集中于新增元素、激光功率、掃描速率等因素對(duì)涂層的組織結(jié)構(gòu)和性能影響，而關(guān)于涂層剪切強(qiáng)度及摩擦磨損性能等的系統(tǒng)研究報(bào)道還較少。因此，本文作者采用鐵基合金粉末進(jìn)行激光熔覆，研究涂層微觀形貌、耐磨性能、抗剪切強(qiáng)度、顯微硬度等性能，為鐵基合金涂層在耐磨等領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

25Cr2Ni4MoV鋼基材尺寸為100 mm×100 mm×40 mm，F(xiàn)e基合金粉末成分見表1。

表1 Fe基合金粉末成分

在激光熔覆之前，使用除油劑對(duì)基體進(jìn)行清洗，然后用去離子水清洗后烘干。粉末在熔覆之前放入烘箱在120 ℃保溫30 min，以除去其中的水分和消除團(tuán)聚現(xiàn)象，提高其流動(dòng)性。

1.2 激光熔覆工藝參數(shù)

激光熔覆采用德國(guó)Laserline激光器，基體平放于工作臺(tái)上，F(xiàn)e基合金粉末通過送粉器在氬氣保護(hù)作用下送入熔覆區(qū)域，具體工藝參數(shù)見表2。

表2 激光熔覆工藝參數(shù)

1.3 性能檢測(cè)

線切割加工出10 mm×10 mm的塊狀涂層樣品，在鑲嵌機(jī)上熱鑲成形，依次用320、600、1 000、1 500、2 000#水磨砂紙打磨，然后在SAPHIR 520型自動(dòng)拋光機(jī)上依次用8～15 μm及0～1 μm粒度的金剛石微粉粗拋及精拋制備金相樣品。采用Rigaku 2550型X射線衍射儀檢測(cè)Fe基合金粉末的物相組成，電壓40 kV，電流40 mA，掃描速度2 °/min，步長(zhǎng)為0.02°。采用Tescanmira4場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察粉末的微觀形貌，以及涂層磨損前后的微觀形貌，采用牛津探頭能譜儀檢測(cè)涂層的元素分布。采用維氏硬度計(jì)(華銀)檢測(cè)涂層和基體不同區(qū)域的顯微硬度，載荷為49 N，加載時(shí)間15 s，每個(gè)樣品重復(fù)多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)取平均值作為該點(diǎn)的維氏硬度值。采用HRS-2M型高速往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)(蘭州中科凱華)檢測(cè)涂層和基體的室溫摩擦磨損性能，載荷為20 N，轉(zhuǎn)速600 r/min，對(duì)偶球?yàn)橹睆? mm的GCr15鋼球，往復(fù)長(zhǎng)度5 mm，摩擦?xí)r長(zhǎng)30 min，每個(gè)樣品重復(fù)3次，取代表性的數(shù)據(jù)和曲線作為該樣品的摩擦磨損結(jié)果。采用美國(guó)Instron3369材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)涂層的力學(xué)性能，剪切加壓速度為2.0 mm/min，剪切試樣為3個(gè)，開展重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

2 分析與討論

2.1 粉末形貌及物相分析

圖1所示為Fe基合金粉末的剖面形貌?？梢?，粉末顆粒大多為球形和橢球形，在激光熔覆過程中能夠順暢送粉，并且形成均勻的熔融狀態(tài)，有利于形成結(jié)構(gòu)和性能均勻的涂層。經(jīng)測(cè)試，粉末粒度范圍為50～120 μm，平均粒度為110 μm。

圖1 Fe基合金粉末剖面SEM形貌照片

圖2所示為單個(gè)粉末截面形貌和Fe基合金粉末的元素面掃描分布?？芍現(xiàn)e基合金粉末中的Fe、Cr、Ni等主要元素分布均勻。

圖2 Fe基合金單個(gè)粉末截面形貌及元素面分布

Fe基合金粉末X射線衍射圖譜如圖3所示?？梢?，F(xiàn)e基合金粉末衍射峰中主要為FeCrXNiY相，晶面為(110)、(200)、(211)、(220)；并含有少量Fe3Ni2相，晶面為(111)、(200)。分析表明，鐵基合金粉末的主要相成分為Fe、Cr、Ni三者之間形成的化合物，在激光熔覆過程中由于粉末熔體急冷容易形成鐵基納米晶和樹枝晶，有利于提高涂層的整體硬度和耐磨性等性能[18-21]。

圖3 Fe基合金粉末X射線衍射圖譜

2.2 涂層顯微組織分析

圖4顯示了Fe基合金涂層與基材的界面形貌和成分分布?？梢?，涂層與基體結(jié)合緊密，F(xiàn)e、Cr、Ni、Mo元素在涂層中分布均勻，說明激光熔覆并沒有改變?cè)牧现性氐姆植紶顟B(tài)，有利于形成結(jié)構(gòu)和性能均勻的涂層。圖4(e)表明，O元素主要分布在涂層之外(最上方)的鑲嵌物中，涂層中O含量極低，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1.00%。相對(duì)于Fe基合金粉末而言，激光熔覆涂層中O元素并無劇烈增加，說明惰性氣氛保護(hù)能夠減少激光熔覆過程中元素氧化，有效控制涂層中雜質(zhì)含量。

圖4 激光熔覆Fe基合金涂層與25Cr2Ni4MoV基體的界面形貌和元素成分分布

圖5顯示了Fe基合金激光熔覆涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)。由圖5(a)中可見，涂層與基體結(jié)合較為緊密，存在一部分界面處的微細(xì)縫隙，這是由于激光熔覆過程中基體與Fe基合金熔融并急冷，兩者之間的熱膨脹系數(shù)差異所導(dǎo)致的。由圖5(b)可以看出，涂層與基體的界面結(jié)合融為一體，形成了冶金結(jié)合。由界面附近涂層一側(cè)局部放大形貌圖5(c)可見，熔池底部熔覆層為典型的樹枝晶形貌，由淺灰色及深灰色2種不同物相相間組成。將深灰色相區(qū)局部放大，如圖5(d)所示，其由細(xì)片狀淺灰色及深灰色兩相構(gòu)成。

圖5 激光熔覆Fe基合金涂層SEM微觀形貌照片

圖6顯示了激光熔覆Fe基合金涂層的元素面分布。由圖6(c)、(f)可見，Cr元素及Mo元素主要分布在深灰色相區(qū)，而Fe元素(見圖6(b))及Ni元素(見圖6(d))主要分布在淺灰色相區(qū)。由此可見，樹枝晶主要成分為Fe、Ni合金相，而其他區(qū)域主要為Cr、Mo等合金相。激光熔覆過程中，由于基體和粉末形成的熔池溫度極高，在激光噴嘴移動(dòng)過程中又迅速冷卻，在急冷過程中，F(xiàn)e、Ni等合金元素先析出粗大的柱狀晶，并逐漸生長(zhǎng)成為晶軸。晶軸結(jié)晶時(shí)向兩側(cè)液相中放出潛熱，使液相中垂直于晶軸的方向又產(chǎn)生負(fù)向溫度梯度，進(jìn)而晶軸上又會(huì)出現(xiàn)二次晶軸，呈現(xiàn)出樹枝晶的形態(tài)，而Cr和Mo等元素在凝固過程中填充樹枝晶的間隙[13,17,22-23]。

圖6 激光熔覆Fe基合金涂層元素面分布

圖7所示為激光熔覆Fe基合金涂層的內(nèi)部顯微形貌。由圖7(b)可見，F(xiàn)e基合金涂層內(nèi)部可觀察到一些微細(xì)孔隙，這是由于激光熔覆過程中，粉末和基體熔池中形成的揮發(fā)物逸出形成氣泡，氣泡未能完全上浮逸出，導(dǎo)致涂層內(nèi)部形成一些微細(xì)孔隙。由局部放大形貌照片圖7(c)、(d)可見，涂層中間部位也形成了大量樹枝晶。

圖7 激光熔覆Fe基合金涂層中部SEM形貌照片

2.3 激光熔覆Fe基合金涂層力學(xué)性能分析

2.3.1 顯微硬度分析

激光熔覆過程中，基體表面形成一定厚度的熔池，因而在熔覆涂層形成時(shí)，涂層與基體界面處會(huì)產(chǎn)生一定厚度的熱影響區(qū)。圖8示出了激光熔覆Fe合金涂層在基體、熱影響區(qū)、熔覆涂層3個(gè)區(qū)域的顯微硬度。

圖8 激光熔覆Fe基合金涂層不同區(qū)域的顯微硬度

由圖8可見，3個(gè)區(qū)域中的顯微硬度存在較為明顯的差異，激光熔覆區(qū)的硬度顯著高于基體區(qū)和熱影響區(qū)。分析表明，激光熔覆過程中所形成的Fe、Cr、Ni合金固溶體可以大幅增加涂層的硬度和強(qiáng)度，且所形成的Fe基固溶體越多，對(duì)涂層硬度和力學(xué)性能的增強(qiáng)作用越大[24-25]。熱影響區(qū)既包含了Fe基合金粉末熔覆后的成分，又包含了基體成分，所以硬度介于熔覆層和基體之間。

2.3.2 剪切強(qiáng)度分析

剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)過程如圖9所示，機(jī)械加工后的涂層最終將在剪切應(yīng)力的作用下斷裂。

圖9 激光熔覆Fe基合金涂層剪切強(qiáng)度試驗(yàn)

圖10示出了激光熔覆Fe基合金涂層的剪切強(qiáng)度-位移曲線。圖中，3組曲線的剪切位移≤0.7%，均呈現(xiàn)明顯脆性斷裂的典型特征；曲線1、2、3的剪切強(qiáng)度分別為209.3、315.6、317.6 MPa，平均剪切強(qiáng)度達(dá)280.8 MPa。分析表明，激光熔覆過程中所形成的Fe、Cr、Ni合金固溶體越多，涂層剪切強(qiáng)度及硬度越大。此外，涂層內(nèi)部孔隙率也是影響其剪切強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一。

圖10 激光熔覆Fe基合金涂層剪切強(qiáng)度-位移曲線

圖11所示為激光熔覆Fe基合金涂層的剪切斷口顯微形貌。由圖11(a)、(b)可見，激光熔覆Fe基合金涂層的局部剪切斷口呈現(xiàn)出大量的韌窩，說明該涂層受到剪切應(yīng)力時(shí)，斷裂方式主要以顆粒之間或晶間的脫離為主。Fe基合金涂層的剪切斷口還可觀察到大量的脆性斷裂特征，并可觀察到少量的河流紋理，即晶內(nèi)斷裂的典型特征，見圖11(c)、(d)。結(jié)合剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)可以推斷，F(xiàn)e基合金涂層在受到剪切應(yīng)力時(shí)，由于晶粒結(jié)合緊密，因此斷裂優(yōu)先從位錯(cuò)、空穴等區(qū)域發(fā)展，最終造成晶內(nèi)斷裂，這種斷裂主要為脆性斷裂。在剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中，涂層一旦出現(xiàn)裂紋，則擴(kuò)展非常迅速，尤其是脆性涂層。

圖11 激光熔覆Fe基合金涂層的剪切斷口形貌

2.3.3 激光熔覆Fe基合金涂層摩擦磨損性能

圖12所示為激光熔覆Fe基合金涂層及基體的干摩擦因數(shù)曲線。激光熔覆Fe基合金涂層的干摩擦因數(shù)曲線1前半程波動(dòng)較大，而后逐漸趨于平緩；曲線2則平緩穩(wěn)定，波動(dòng)較小。經(jīng)計(jì)算，激光熔覆Fe基合金涂層平均摩擦因數(shù)為0.45±0.01。25Cr2Ni4MoV鋼基材干摩擦因數(shù)曲線1及曲線2前半程均波動(dòng)較大，后半程逐漸平緩穩(wěn)定，平均摩擦因數(shù)為0.60±0.01。相對(duì)于25Cr2Ni4MoV鋼基材而言，F(xiàn)e基合金涂層平均摩擦因數(shù)下降了25%。

圖12 激光熔覆Fe基合金涂層及基體的干摩擦因數(shù)曲線

圖13所示為激光熔覆Fe基合金涂層和25Cr2Ni4MoV基體的磨痕輪廓曲線。可見，激光熔覆Fe基合金涂層磨痕輪廓曲線1、曲線2及曲線3的深度分別為(17±3)、(21±3)及(26±3)μm。而25Cr2Ni4MoV鋼基材3組磨痕輪廓曲線深度及寬度較接近，其平均深度為(39±3)μm。分析表明，激光熔覆Fe基合金涂層后，其磨痕輪廓深度較之基材下降了約45%。

圖13 激光熔覆Fe基合金涂層和25Cr2Ni4MoV基體的磨痕輪廓曲線

測(cè)試結(jié)果表明，激光熔覆Fe基合金涂層平均磨損體積約0.066 615 m3，而25Cr2Ni4MoV基材總體磨損體積約0.130 85 m3。在同樣工況下，激光熔覆Fe基合金涂層平均磨損體積僅約為25Cr2Ni4MoV基材的1/2，表明其干摩擦性能更為優(yōu)越。

綜合摩擦因數(shù)曲線、磨痕輪廓、磨痕體積等數(shù)據(jù)結(jié)果來看，激光熔覆的Fe基合金涂層的耐磨性能遠(yuǎn)高于基體，可說明這種Fe基合金涂層能夠很好地保護(hù)基體不受磨損。

圖14所示為25Cr2Ni4MoV鋼基體和激光熔覆Fe基合金涂層的摩擦面微觀形貌。由圖14(a)、(b)可見，鋼基體的摩擦面出現(xiàn)大量的破碎顆粒，且有少量尺寸很大的顆粒和裂紋。結(jié)合顯微硬度數(shù)據(jù)，可知鋼基體的硬度低，在對(duì)偶球的壓力和摩擦力作用下，基體內(nèi)部受到的剪切力大于其自身抵抗外力的強(qiáng)度，進(jìn)而產(chǎn)生微裂紋。隨著摩擦的進(jìn)行，裂紋不斷增多和擴(kuò)展，最終斷裂成大量的塊狀和細(xì)顆粒狀，呈現(xiàn)出典型的磨粒磨損特征。由圖14(c)、(d)可見，激光熔覆Fe基合金涂層的摩擦面相對(duì)較為光滑，有很多層狀凸起。分析表明，這主要是因?yàn)樵撏繉佑捕容^高，抵抗對(duì)偶球壓入的能力也越強(qiáng)，摩擦力對(duì)其造成的剪切應(yīng)力也難以在涂層內(nèi)部造成裂紋，因此摩擦面上沒有觀察到磨損顆粒和裂紋。隨著摩擦?xí)r間的增加，涂層因應(yīng)力來回作用產(chǎn)生疲勞微裂紋，部分薄弱區(qū)域發(fā)生片狀剝落，而大量區(qū)域仍保持原狀，因此凸現(xiàn)出表面，呈現(xiàn)出層狀凸起。

圖14 鋼基體和激光熔覆Fe基合金涂層的摩擦表面微觀形貌照片

3 結(jié)論

(1)激光熔覆Fe基合金涂層與25Cr2Ni4MoV鋼基材界面形成了良好的冶金結(jié)合。激光熔覆層為典型的樹枝晶形貌，由淺灰色及深灰色2種不同物相相間組成。

(2)鐵基合金涂層熔覆區(qū)的顯微硬度顯著高于基體區(qū)和熔合區(qū)。激光熔覆Fe基合金涂層的剪切強(qiáng)度-位移曲線均呈現(xiàn)脆性斷裂的典型特征，平均剪切強(qiáng)度達(dá)280.83 MPa。

(3)激光熔覆Fe基合金涂層的平均干摩擦因數(shù)為0.45±0.01，磨痕輪廓深度為(26±3)μm，平均磨損體積約0.066 615 m3。25Cr2Ni4MoV基材平均干摩擦因數(shù)為0.60±0.01，磨痕輪廓深度為(39±3)μm，磨損體積約0.130 85 m3。綜合摩擦因數(shù)曲線、磨痕輪廓、磨痕體積等數(shù)據(jù)結(jié)果來看，激光熔覆的Fe基合金涂層的耐磨性能遠(yuǎn)高于基體，可說明Fe基合金涂層能夠很好地保護(hù)基體不受磨損。