高速激光熔覆Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層高溫耐磨性能研究

桂萬元,畢文亞,鐘誠,付凱,丁宇航,吳韜,聶寶賢,王曉明

（北京科技大學(xué)國家材料服役安全科學(xué)中心，北京 100083）

鍋爐受熱面在運行過程中長時間經(jīng)受高溫?zé)煔饧帮w灰顆粒的沖刷、磨損，易導(dǎo)致鍋爐發(fā)生爆破泄漏的安全事故［1-2］。因此，采用表面改性技術(shù)提高鍋爐受熱面的高溫磨損性能具有重要的研究價值。目前，主要采用堆焊技術(shù)在鍋爐受熱面制備耐磨涂層，然而堆焊技術(shù)具有較高的熱輸入，極易造成基體材料變形。此外，高的熱輸入也導(dǎo)致了大量鐵元素進入到涂層中，所制備的涂層稀釋率大、耐腐蝕性顯著下降［3-4］。與堆焊技術(shù)相比，高速激光熔覆技術(shù)具有稀釋率低、結(jié)合性能好及效率高的特點，因而被廣泛應(yīng)用于工程器件表面防護領(lǐng)域中，用于提高工程器件的表面耐磨和耐蝕性能［5-6］。

Inconel 625是一種依靠Mo、Nb等元素固溶在Ni-Cr基體中來獲得高強度的固溶強化鎳基高溫合金，其具有典型的面心立方晶體結(jié)構(gòu)，在從低溫加熱到高溫的過程中不會發(fā)生結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性、優(yōu)異的耐蝕性和高溫抗氧化性的特點，被廣泛地用作熱端部件的涂層材料［7-8］。然而，激光熔覆Inconel 625合金涂層依然存在硬度值偏低和耐磨性能不足的問題。針對該問題，當(dāng)前主要采用添加合金元素和陶瓷顆粒兩種方式來提高其硬度與耐磨性能。金頂?shù)龋?］通過對激光熔覆Inconel 625涂層進行不同熱處理后的組織耐磨性研究發(fā)現(xiàn)，涂層中的組織越細小，其摩擦系數(shù)就越小，耐磨性能就越好。司武東等［10］在20號碳鋼表面激光熔覆了一層Inconel 625合金，該合金涂層產(chǎn)生的固溶強化使其硬度比基體高2.4倍、耐磨性提高了2倍。路程等［11］證明了向鎳基合金中添加Cr、Mo和Nb難熔元素會對熔覆層起到固溶強化作用，同時難熔元素還可以作為硬質(zhì)相彌散分布在涂層中，從而提高涂層的硬度和耐磨性。褚清坤等［12］證明了在Inconel 625合金中添加不同含量的TiC陶瓷顆?？尚纬啥喾N金屬間化合物，進而提高涂層的硬度和耐磨性。王亞敏等［13］通過在鎳基合金中添加TiC陶瓷顆粒，也獲得了耐磨性比較好的TiC增強鎳基復(fù)合涂層。Xu等［14］在激光熔覆Inconel 625合金粉末的過程中，通過向Inconel 625合金粉末中添加一定量的TiC陶瓷顆粒而獲得了腐蝕電位更高、電流密度更低的耐蝕性涂層。王書文［15］、胡伯林［16］等在激光熔覆鎳基合金粉末的過程中，向其中添加WC陶瓷顆粒，同樣也獲得了硬度高、耐磨性能好的涂層。

與添加碳化物陶瓷顆粒來提高Inconel 625合金激光熔覆層硬度及耐磨性的原理不同，在激光熔覆過程中加入稀土元素可以起到細化晶粒、減少裂紋、提高涂層耐磨性能等作用［17］。Shu等［18］在鈦合金中添加稀土CeO2陶瓷顆粒，熔覆層中的析出相均被顯著細化，并且隨著CeO2含量的增多樹枝晶會向細小顆粒狀轉(zhuǎn)變且彌散分布于熔覆層中，當(dāng)添加量（質(zhì)量分數(shù)）達到3%時熔覆層中的析出相均被顯著細化。劉佳等［19］在40Cr10Si2Mo鋼表面制備含有稀土Y2O3的鎳基WC涂層后發(fā)現(xiàn)：在激光熔覆過程中添加適量的Y2O3陶瓷顆?？梢蕴岣呷鄢氐牧鲃有裕档投嗟来罱尤鄹矊拥氖椎栏叨?，優(yōu)化熔覆層中的組織，凈化熔覆層，以及提升熔覆層的硬度和耐磨性；當(dāng)添加質(zhì)量分數(shù)1.5%的Y2O3陶瓷顆粒時，涂層的顯微硬度提升了18.4%、磨損量下降了12.7%［19］。然而，該研究是通過添加稀土氧化物來改變氧化物在熔覆涂層中的含量，進而改善涂層的硬度和耐磨性，但稀土氧化物陶瓷顆粒在激光熔覆過程中對涂層的微觀組織相貌、硬度及耐磨性的深層次作用機理仍未得到明確揭示。

本文采用高速激光熔覆技術(shù)，在20G碳鋼表面成功地制備了Inconel 625涂層和質(zhì)量分數(shù)為4%的Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層。同時，通過系統(tǒng)研究及對比分析涂層的物相組成、顯微組織、顯微硬度，以及高溫摩擦磨損性能變化的規(guī)律，揭示了Y2O3陶瓷顆粒改善Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層硬度及耐磨性的作用機理，為工業(yè)化應(yīng)用提供了一定的研究基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗研究中所使用的Inconel 625合金粉末，采購于瑞典H?gan?s公司。Inconel 625合金粉末的形貌及粒徑如圖1所示。從圖1可見，Inconel 625合金粉末的形貌為球形，其粒徑范圍為25—110 μm，成分列于表1。實驗使用的Y2O3納米顆粒，采購于德科島金有限公司，其粒徑范圍為30—50 nm。

圖1 Inconel 625合金粉末Figure 1 Inconel 625 powder

表1 Inconel 625合金粉末中各元素含量Table 1 Chemical composition of Inconel 625 powder

1.2 實驗方法

將Inconel 625粉末和質(zhì)量分數(shù)為4%的Y2O3納米陶瓷顆粒置于球磨機中進行球磨混粉，磨機轉(zhuǎn)速為120 r·min―1，混粉時間為1 h。在激光熔覆前先將粉末在100℃的干燥箱中保溫2 h，然后隨爐自然冷卻以消除粉末中的水分，使其具有良好的流動性，以及減少氣孔缺陷。實驗設(shè)備為中科中美4000 W高速激光熔覆設(shè)備，激光為連續(xù)激光，波長1064 nm，光斑直徑為2 mm，有效工作焦距是15—17 mm，高純氬氣作為保護氣、送粉氣。采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)（見表2），制備Inconel 625涂層和Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層。

表2 高速激光熔覆優(yōu)化工藝參數(shù)Table 2 Optimization process parameters of high speed laser cladding

1.3 樣品測試

采用線切割法，截取出帶有基體和熔覆層的金相樣品，樣品尺寸為5 mm×5 mm×3 mm。用碳化硅砂紙打磨并進行機械拋光，然后在含10%的草酸溶液中3 V直流電壓下電解10 s。用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM，ZEISS SUPRA55），觀察樣品的微觀組織形貌。采用振動拋光技術(shù)去除樣品表面殘余應(yīng)力，然后利用電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)對熔覆層的晶體結(jié)構(gòu)進行表征，收集的EBSD數(shù)據(jù)用Channel 5分析軟件進行處理。采用X射線衍射儀對20G鋼基體、Inconel 625涂層和Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層的物相組成進行分析，其中靶材為銅靶、掃描角度為30—100 °、掃描步長為20 °·min-1。利用維氏顯微硬度計對熔覆層到20G鋼基體的截面硬度進行測量，每一水平測量5次取平均值，選定的測試載荷為500 g，設(shè)置的飽載時間為15 s。

采用高溫摩擦磨損試驗儀（THT-1000，Anton Paar）對試樣進行滑動摩擦試驗。在測試摩擦磨損性能之前，將基體和樣品加工成30 mm×10 mm的圓柱形，并將需要測試的表面進行打磨拋光，同時選擇直徑為6 mm的氮化硅球作為對磨球，并在進行測試之前用乙醇清洗。以20℃·min-1的加熱速度將實驗溫度加熱到600℃，讓樣品保溫10 min后開始磨損實驗，試驗載荷為5 N、轉(zhuǎn)速為580 r·min-1、磨損時間為20 min。在滑動摩損試驗過程中，由機器自動記錄摩擦系數(shù)（COF）隨時間變化的曲線，用掃描電鏡觀察和分析磨損試樣的表面。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀組織演變規(guī)律

圖2為激光熔覆Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層的微觀組織掃描電鏡照片。熔覆層與基體結(jié)合良好，根據(jù)熔覆層與20G基體的遠近程度依次將其分為頂部、中部和底部組織（見圖2（a））。熔覆層的組織主要由溫度梯度和凝固速率共同決定［5，20-21］。在熔覆層底部，熱量可以通過基體快速傳遞出去，因此在熔覆層底部就形成了與基體成一定夾角向外生長的細小晶粒（見圖2（b））；在熔覆層中部，熱量主要通過基體向下傳遞和通過熔覆層頂部向外散熱，而在其他方向溫度梯度較小，散熱較慢，因此就形成了柱狀晶為主的組織（見圖2（c））；在熔覆層頂部，熱量既可以向外直接散熱，也可以通過熔覆層向下傳熱，因此就形成了比較發(fā)達的樹枝晶組織（見圖2（d））。

圖2 Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層的掃描電鏡照片F(xiàn)igure 2 FESEM images of Inconel 625/Y2O3 composite coating

進一步用EBSD對Inconel 625涂層和Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層的晶粒形貌、晶界和晶粒取向進行表征，結(jié)果如圖3所示。從圖3可見：在Z軸方向（垂直基體的方向）上Inconel 625涂層的<001>取向比Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層強，Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層晶粒取向更加隨機，添加質(zhì)量分數(shù)為4%的Y2O3后使復(fù)合涂層中細小晶粒所占的比例增多，這說明Y2O3在凝固過程中作為形核劑來細化晶粒；從Inconel 625涂層和Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層的大小角度晶界分布圖中發(fā)現(xiàn)，紅色代表的是取向差在2—10 °之間的小角度晶界、黑色為取向差大于10 °的大角度晶界，Inconel 625涂 層和Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層組織都以大角度晶界分布為主。

圖3 復(fù)合涂層的EBSD表征Figure 3 EBSD analysis of coatings

對20G基體、Inconel 625涂 層和Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層進行XRD實驗分析，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出：基體20G鋼基體的相組成均為鐵的衍射峰，Inconel 625涂層的相組成均為鎳的衍射峰；由于質(zhì)量分數(shù)4%的Y2O3納米陶瓷顆粒的添加，在Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層中出現(xiàn)了大量Y2O3的衍射峰。

圖4 20G、Inconel 625涂 層和Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層的XRD圖譜Figure 4 X-ray diffraction patterns of 20G steel substrate，Inconel 625 coating and Inconel 625/Y2O3 composite coating，respectively

2.2 硬度分布規(guī)律

圖5為Inconel 625涂 層 和Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層的顯微硬度分布圖。從圖5可見，涂層/基體界面附近硬度最高。這是由于在激光熔覆過程中激光熱作用導(dǎo)致基體表面與熔覆粉末共同熔融，涂層界面附近基體元素與涂層中元素形成一定量的金屬間化合物，從而使其硬度得到了一定程度的提高［22］。從圖5還可見，Inconel 625涂 層 和Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層的顯微硬度與基體相比均得到了顯著提升，Inconel 625涂層的硬度相較于基體提高了1倍，而Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層硬度最高達到240 HV0.5。這是因為部分Y2O3顆粒作為形核劑細化了晶粒，還有部分Y2O3顆粒沒有完全溶解而是彌散地分布在熔覆層，起到了彌散強化的作用，從而提高了熔覆層的顯微硬度。

圖5 Inconel 625涂層和Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層截面硬度分布圖Figure 5 Cross-sectional hardness of Inconel 625 coating and Inconel 625/Y2O3 composite coating on 20G steel，respectively

2.3 高溫摩擦磨損性能

圖6為20G基 體、Inconel 625涂 層 和Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層在600℃下摩擦磨損系數(shù)隨時間的變化。從圖6可見：與20G基體相比，Inconel 625涂層和Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)均有所降低，磨痕寬度也有所減小，并且Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層表現(xiàn)出最低的摩擦系數(shù)和最窄的磨痕寬度。在磨損實驗開始5 min內(nèi)，摩擦系數(shù)波動比較大，在5—15 min間基本保持穩(wěn)定，這是樣品表面原有的粗糙度造成的；在經(jīng)歷磨損的平穩(wěn)階段之后，摩擦系數(shù)增加，這是由于表面劃痕和氧化物黏著物的增加，使表面粗糙度增大導(dǎo)致的。

圖6 20G基體、Inconel 625涂層和Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層摩擦磨損系數(shù)隨時間的變化Figure 6 Friction coefficient curves of 20G steel，Inconel 625 coating and Inconel 625/Y2O3 composite coating on 20G steel，respectively

圖7為試樣600℃下高溫摩擦磨損后微觀組織掃描電鏡照片。從圖7可見：20G基體磨損表面沿滑動方向有劃痕并呈溝槽狀形貌，說明表面發(fā)生了磨粒磨損［23］，在高溫磨損實驗中表面粗糙度越大，粗糙峰越尖銳，更容易形成溝槽，磨粒磨損更嚴重；Inconel 625熔覆層的磨損表面有大量被壓實的氧化層和明顯的凹坑，這是粘著磨損的典型特征［24-25］，在磨損過程中產(chǎn)生的磨屑在高溫下被壓成光滑的扁平狀附著在熔覆層表面，對熔覆層能夠起到一定的保護作用；4%的Y2O3納米陶瓷顆粒的加入，使得Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層內(nèi)存在大量硬質(zhì)顆粒，因此在磨損表面也會有大量細密的犁溝和微小的凹坑。

圖7 試樣高溫摩擦磨損后微觀組織掃描電鏡照片F(xiàn)igure 7 FESEM images of worn surfaces of specimens after 600℃/20 min friction and wear tests

結(jié)合摩擦系數(shù)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：20G基體的摩擦系數(shù)最高，這因為20G鋼材的硬度低，材料表面塑性較高，導(dǎo)致摩擦系數(shù)較高；Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)最小，表面硬度的增加使得試樣的表面塑性降低，提高了試樣的抗粘著能力，同時Y2O3納米陶瓷顆?？梢宰鳛橛行魏藙┰黾恿诵魏怂俣榷@得更加細小的組織，細化的組織在摩擦過程中受到的阻力更小，摩擦系數(shù)更小，摩擦學(xué)性能更好，耐磨性更好。

3 結(jié)論

通過系統(tǒng)對比Inconel 625涂層與Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層的微觀組織形貌、晶粒形貌、晶界和晶粒取向、相組成、硬度及耐磨性，研究了Y2O3的加入對高速激光熔覆Inconel 625涂層的微觀組織及高溫耐磨性的影響，揭示了Y2O3陶瓷氧化物改善硬度與耐磨性的作用機制。

（1）Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層的顯微組織以柱狀晶為主，由于Y2O3的加入使熔覆過程中熔池內(nèi)形核點位增加，導(dǎo)致復(fù)合涂層中晶粒取向更加隨機。同時，復(fù)合涂層中細小晶粒的占比明顯增多。

（2）與Inconel 625涂層相比，Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層的硬度有一定程度的提高，大約是20G基體的2倍，達到240 HV0.5。

（3）Inconel 625/Y2O3復(fù)合涂層具有更低的高溫摩擦系數(shù)，這是由于Y2O3的添加具有一定細化晶粒的作用，細化的組織使得在摩擦過程中受到的阻力更小，從而使摩擦系數(shù)更小，表現(xiàn)出更好的摩擦學(xué)性能和耐磨性能。