CeO2 添加量對(duì)激光熔覆TiB2-TiC/Ni復(fù)合涂層組織和性能的影響

田鹿巖,李新梅,劉偉斌

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

0 引言

鈦合金具有高硬度、低密度、優(yōu)良的耐腐蝕性能和生物相容性等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用在海洋、石油、航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域。但是鈦合金的耐磨性能較差,大大限制了實(shí)際應(yīng)用范圍[1-2]。因此,如何改善鈦合金的耐磨性是學(xué)者研究的重點(diǎn)。目前,常用的表面改性技術(shù)有化學(xué)氣相沉積[3]、離子注入[4]、激光熔覆[5]、噴丸[6]等。其中,激光熔覆因具有低能耗、基體與涂層的結(jié)合強(qiáng)度高、熱變形程度小、界面組織細(xì)密均勻、稀釋率小等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于鈦合金表面改性[7-8]。

研究[9]表明,添加稀土氧化物能夠減少涂層中的缺陷,改善涂層組織,而被廣泛用于激光熔覆表面改性。侯曉云等[10]研究發(fā)現(xiàn),在Ti811鈦合金表面制備TC4+Ni45+CeO2復(fù)合涂層的過(guò)程中,當(dāng)添加CeO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí),TiB/TiC復(fù)合涂層的平均顯微硬度最高。馬永等[11]研究發(fā)現(xiàn),在熔覆粉末中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%的Y2O3后,TiB/TiC復(fù)合涂層組織細(xì)化明顯,硬度是基體的3.7 倍,磨損量比基體降低了66.7%。張?zhí)靹偟萚12]研究發(fā)現(xiàn),在TiC-TiB2鈦基復(fù)合涂層中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的Y2O3后,復(fù)合涂層的耐磨性最優(yōu),磨損機(jī)理為磨粒磨損。王成磊等[13]研究發(fā)現(xiàn),添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)2% CeO2的Ni60合金涂層中的缺陷比未添加CeO2的涂層少,且晶粒更加細(xì)小,表面硬度更高,磨損量更低。

TiB2-TiC/Ni復(fù)合涂層因具有優(yōu)良的耐磨性、高的硬度而具有廣闊的應(yīng)用前景。侯南等[14]采用激光熔覆技術(shù)在Q235D 鋼表面制備了TiB2-TiC/Ni復(fù)合涂層,發(fā)現(xiàn)隨著掃描速度的增加,陶瓷相顆粒逐漸細(xì)化,在380 mm·min-1掃描速度下涂層的顯微硬度達(dá)到1 216 HV。孫榮祿等[15]利用激光熔覆技術(shù)在TC4合金表面制備出以原位合成的TiC和TiB2顆粒為增強(qiáng)相的鎳基金屬陶瓷涂層,發(fā)現(xiàn)涂層的硬度為900～1 100 HV,摩擦因數(shù)為0.2～0.3,磨損率比TC4合金降低約1個(gè)數(shù)量級(jí)。然而,目前關(guān)于稀土氧化物對(duì)激光熔覆TiB2-TiC/Ni復(fù)合涂層組織和性能影響的研究報(bào)道較少。為此,作者采用激光熔覆技術(shù)在TC4鈦合金表面制備了添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.0%,1.5%,2.0% CeO2的TiB2-TiC/Ni復(fù)合涂層,研究了CeO2含量對(duì)復(fù)合涂層物相組成、顯微組織和顯微硬度的影響,并研究了搭接率對(duì)最佳CeO2含量條件下復(fù)合涂層摩擦磨損性能的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

基體材料為TC4鈦合金,試樣尺寸為150 mm×60 mm×8 mm,化學(xué)成分如表1所示。熔覆材料為Ni60合金粉末、TiC粉末、TiB2粉末和CeO2粉末,其中自熔性Ni60合金粉末由中國(guó)冶金研究總院提供,粒徑為45～106μm,TiC粉末、TiB2粉末和CeO2粉末均由清河縣創(chuàng)盈金屬材料有限公司提供,粒徑均為53～106μm。熔覆材料的化學(xué)成分如表2 所示,CeO2的純度為99.9%。按照TiC 和TiB2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8%和4%,CeO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%,1.5%,2.0%,其余為Ni60合金粉末的配比進(jìn)行配料。利用KQM 型行星式球磨機(jī)將原料粉末球磨混合2 h,球料質(zhì)量比為1∶4,然后放入干燥箱中于120℃干燥2 h。用砂紙將基體表面的污垢去除,再用無(wú)水乙醇清洗后,放入溫度為100℃的干燥箱中干燥1 h,取出。采用YSL-2000型光纖激光器在基體表面熔覆單道單層復(fù)合涂層,激光功率為1 000 W,掃描速度為7 mm·s-1,光斑直徑為2 mm,送粉率為1.8 r·min-1,氬氣作為送粉氣體和保護(hù)氣體,氣體流量為9 L·min-1。

表1 TC4鈦合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of TC4 titanium alloy

表2 熔覆材料的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of cladding materials

利用電火花線切割出尺寸為8 mm×8 mm×8 mm 的金相試樣,將試樣浸入王水中腐蝕15 s后,采用S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯微組織。采用D8 Advance型X射線衍射儀(XRD)對(duì)復(fù)合涂層的物相組成進(jìn)行分析,采用銅靶,Kα射線,工作電壓為40 k V,工作電流為30 m A,掃描范圍為20°～80°,掃描速率為0.5(°)·min-1。利用HXD-1000TB型顯微維氏硬度計(jì)對(duì)復(fù)合涂層的截面硬度進(jìn)行測(cè)試,載荷為2 N,保載時(shí)間為15 s,同一截面測(cè)3次取平均值。通過(guò)分析復(fù)合涂層的組織和硬度得到最佳的CeO2添加量,在該條件下采用相同的激光熔覆工藝在基體上制備尺寸為30 mm×8 mm×7 mm的試樣,搭接率分別為30%,40%,50%。利用M-2000型環(huán)塊式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行干摩擦磨損試驗(yàn),對(duì)磨副為直徑40 mm 的GCr15鋼球,硬度為60～63 HRC,試驗(yàn)載荷為100 N,轉(zhuǎn)速為180 r·min-1,磨損時(shí)間為60 min,采用精度為0.1 mg的電子天平稱取磨損前后試樣的質(zhì)量,計(jì)算磨損質(zhì)量損失。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同CeO2 含量下的宏觀形貌和物相組成

由圖1可以看出,添加不同含量CeO2的復(fù)合涂層的成形質(zhì)量均良好,表面均勻連續(xù)。

圖1 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CeO2 復(fù)合涂層的宏觀形貌Fig.1 Macromorphology of composite coatings added with different mass fractions of CeO2

由圖2可以看出,不同復(fù)合涂層的物相組成基本一致,均主要由TiB2、TiB、α-Ti、TiC、Ni3Ti、Cr23C6、Ti2Ni、Cr3C2、γ-Ni等相組成。在激光熔覆過(guò)程中,部分TiC粉末分解出碳原子和鈦原子,碳與Ni60自熔性合金中的鉻發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成Cr23C6和Cr3C2,而鈦與鎳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Ti2Ni和Ni3Ti,與TiB2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成TiB。由于在熔覆粉末中加入的CeO2含量比較少,因此在XRD譜中未發(fā)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的衍射峰。

圖2 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CeO2 復(fù)合涂層的XRD譜Fig.2 XRD spectra of composite coatings added with different mass fractions of CeO2

2.2 不同CeO2 含量下的顯微組織

由圖3可以看出,不同復(fù)合涂層中都存在大量長(zhǎng)條狀組織和不規(guī)則塊狀組織。隨著CeO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)由1.0%增加到1.5%,復(fù)合涂層的組織細(xì)化,分布更加致密均勻,這是因?yàn)檩^多的CeO2減小了液態(tài)金屬的表面張力和臨界形核阻力,促進(jìn)了形核,阻礙了晶粒長(zhǎng)大,同時(shí)較多的CeO2能使粉末吸收更多的能量,使得熔池的流動(dòng)更加充分[16],因此組織更加致密均勻。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0% CeO2的復(fù)合涂層組織分布均勻,但是具有彌散強(qiáng)化作用的不規(guī)則塊狀組織較少,其原因是熔覆粉末中添加的CeO2含量過(guò)高,導(dǎo)致熔覆過(guò)程中熔池對(duì)激光的吸收率變大,熔覆層的稀釋率過(guò)大[17]。

圖3 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CeO2 復(fù)合涂層的SEM 形貌Fig.3 SEM morphology of composite coatings added with different mass fractions of CeO2

2.3 不同CeO2 含量下的顯微硬度

由圖4可以看出,不同復(fù)合涂層的截面硬度分布曲線的變化規(guī)律是相同的,都是隨距表面距離的增加呈降低趨勢(shì)。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%,1.5%,2.0% CeO2復(fù)合涂層的平均顯微硬度分別為957,1 015,881 HV。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5% CeO2的復(fù)合涂層的顯微硬度最大,約為基體硬度(330 HV)的3倍。這是因?yàn)檫m量的CeO2加入可使熔池內(nèi)的形核率增加,促進(jìn)晶粒細(xì)化,同時(shí)還會(huì)增強(qiáng)熔池的流動(dòng)性,改善組織分布均勻性,在細(xì)晶和彌散強(qiáng)化作用下涂層硬度得到顯著提高。當(dāng)CeO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.5%時(shí),復(fù)合涂層的平均顯微硬度降低的原因是CeO2的添加量過(guò)多,導(dǎo)致在激光熔覆過(guò)程中熔池吸收的能量過(guò)大,熔池的流動(dòng)性過(guò)大,塊狀組織減少,減弱了彌散強(qiáng)化效果[18]。綜上,復(fù)合涂層中CeO2的最佳添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%。

圖4 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CeO2 復(fù)合涂層的截面顯微硬度分布曲線Fig.4 Section microhardness distribution curves of composite coatings added with different mass fractions of CeO2

2.4 不同搭接率下的宏觀形貌和摩擦磨損性能

在質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%的最佳CeO2添加量下制備塊狀復(fù)合涂層試樣,研究不同搭接率下復(fù)合涂層的摩擦磨損性能。由圖5可以看出,30%和40%搭接率下試樣的外觀良好,無(wú)明顯缺陷,但是50%搭接率下表面存在較為明顯的裂紋,主要是因?yàn)殡S著搭接率的增加,激光熔覆過(guò)程中的溫度升高,導(dǎo)致試樣中產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力,從而增加了表面產(chǎn)生裂紋的傾向[19]。

圖5 不同搭接率下添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5% CeO2 復(fù)合涂層試樣的宏觀形貌Fig.5 Macromorphology of composite coating samples added with 1.5wt% CeO2 under different lapping rates

在30%,40%,50%搭接率下,復(fù)合涂層試樣的磨損質(zhì)量損失分別為0.9,0.7,1.9 mg。當(dāng)搭接率由30%增大到40%時(shí),在激光熔覆過(guò)程中重疊部分的加熱溫度升高,組織細(xì)化,硬度提高,因此磨損質(zhì)量損失減小[20]。但是隨著搭接率的繼續(xù)增加,熔池的冷卻速率降低,重疊部分受到的激光加熱時(shí)間變長(zhǎng),涂層中產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力,促使表面產(chǎn)生缺陷,導(dǎo)致硬度降低[21],因此磨損質(zhì)量損失增加。

由圖6可以看出:30%搭接率下復(fù)合涂層試樣磨損表面出現(xiàn)片狀分層、剝落和較淺的犁溝,磨損機(jī)制為磨粒磨損和輕微黏著磨損;40%搭接率下磨損表面較為平整,片狀分層減少,磨損機(jī)制為磨粒磨損;50%搭接率下磨損表面出現(xiàn)大量的片狀分層和剝落現(xiàn)象,磨損機(jī)制主要為黏著磨損。

圖6 不同搭接率下添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5% CeO2 復(fù)合涂層試樣的磨損形貌Fig.6 Wear morphology of composite coating sample added with 1.5wt% CeO2 under different lapping rates

3 結(jié)論

(1)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%,1.5%,2.0% CeO2復(fù)合涂層的成形質(zhì)量均良好,均由TiB2、TiB、α-Ti、TiC、Ni3Ti、Cr23C6、Ti2Ni、Cr3C2、γ-Ni等相組成;隨著CeO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)由1.0%增加到1.5%,復(fù)合涂層的組織細(xì)化,分布更加致密均勻,但是當(dāng)CeO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí),塊狀組織減少。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5% CeO2復(fù)合涂層的組織最為均勻致密。

(2)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%,1.5%,2.0% CeO2復(fù)合涂層的平均顯微硬度分別為957,1 015,881 HV,添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5% CeO2復(fù)合涂層的硬度最高,約為基體的3倍。復(fù)合涂層中CeO2的最佳添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%。

(3)30%和40%搭接率下添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5% CeO2復(fù)合涂層試樣的外觀良好,無(wú)明顯缺陷,50%搭接率下表面存在明顯的裂紋;30%,40%,50%搭接率下的磨損質(zhì)量損失分別為0.9,0.7,1.9 mg。當(dāng)搭接率為40%時(shí),復(fù)合涂層試樣的磨損質(zhì)量損失最小,其磨損機(jī)制主要為磨粒磨損。