重熔處理過程對鎳基合金組織變化的影響

劉 鐸 劉 穎 劉秋實 欒 波

（1.沈陽特種設(shè)備檢測研究院，遼寧沈陽110035；2.沈陽鼓風(fēng)機集團有限公司壓力容器公司，遼寧沈陽110870）

0 前言

磨損是最常見的材料失效形式之一，它所造成的經(jīng)濟損失是十分嚴(yán)重的。 為了增加材料的耐磨性能，提高使用壽命，利用熱噴涂技術(shù)，在工件表面噴涂一層硬度高耐磨損性能好的合金涂層是一種常用的方法。 許多研究表明，噴熔涂層的耐磨損性能取決于零件磨損工況及噴熔涂層的顯微組織結(jié)構(gòu)等因素，而噴熔涂層的組織結(jié)構(gòu)一方面與所選擇的自熔合金粉末有關(guān)，另一方面與使用的噴熔工藝方法和參數(shù)有很大的關(guān)系[1]。 鎳基自熔性合金（NiCrBSi）具有較好的力學(xué)性能和耐蝕性， 形成的NiCr、Cr2B、Cr5B3、CrB 及一些碳化物有助于提高結(jié)合強度和硬度[2-3]。 涂層的制備方法也有很多種，常見的有激光熔覆、火焰噴涂、等離子噴涂、高頻感應(yīng)熔覆、噴焊等等[4-7]。 其中等離子噴涂方法使用較為普遍，其參數(shù)調(diào)整方便靈活，沉積效率高，在耐磨耐蝕涂層制備方面應(yīng)用廣泛。

本文主要探討利用超音速等離子噴涂技術(shù)制備NiCrBSi 合金涂層，并對噴涂后的涂層進行火焰重熔處理，之后對涂層的顯微組織進行檢測分析，了解其微觀結(jié)構(gòu)變化對機械性能的影響。

1 試驗方法

所選用基體材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼

Q235A，試樣尺寸為80×40×5mm，表面經(jīng)噴砂處理后粗糙度達到Ra=3.2μm，并用丙酮清洗。 噴涂材料選用NiCrBSi 合金粉末，粒子尺寸在50-150μm，形貌為球狀，見圖1。

圖1 NiCrBSi 合金粉末形貌

NiCrBSi 合金粉末中各元素成分（wt%）如下：B，3.3%；C，0.8%；Cr，16%；Fe，10.8%；Si，4%；Ni，其余。

沉積涂層使用美國普萊克斯生產(chǎn)的超音速等離子噴涂設(shè)備，等離子槍為SG-100 型。 噴涂前利用等離子焰流對基體進行預(yù)熱處理，噴涂工藝參數(shù)為：電壓38V；電流500A；氬氣40psi；氫氣10psi；噴涂距離110mm。 涂層的厚度約0.4mm。 噴涂后的涂層經(jīng)氧-乙炔火焰重熔后，制備金相試樣，用5%的硝酸酒精對界面和涂層部分進行腐蝕，使用掃描電鏡觀察涂層的微觀結(jié)構(gòu)，能量色散譜（EDS）分析涂層的成分，X射線衍射儀的Cu 靶Kα線進行相結(jié)構(gòu)研究。用顯微硬度儀分析橫截面的顯微硬度，測試點選取10 個，取平均值，載荷砝碼為100g。 利用滑動摩擦磨損試驗機進行磨損試驗15 分鐘， 并用掃描電鏡觀察磨損區(qū)域的表面形貌。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 涂層的相結(jié)構(gòu)與微觀形貌

從對等離子噴涂后的NiCrBSi 涂層進行衍射的結(jié)果中可以看出，其構(gòu)成相較為單一，與激光熔覆或噴焊所獲得的復(fù)雜相不同，主要為γ-（Ni，F(xiàn)e）。

大氣等離子噴涂后的NiCrBSi 涂層形貌，具有典型的熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)特征，主要是由扁平化的粒子組成，其間夾雜熔化不完全的顆粒，存在部分孔隙。 圖2 為掃描電鏡下的NiCrBSi 涂層斷面形貌，呈韌性斷裂。 可以觀察到細小的未熔化粒子。 由于超音速等離子噴涂速度較快，粉末送入后，個別粒子來不及熔化便沉積在涂層中，但大部分的熔化粒子撞擊基體后，形成扁條狀組織。

圖2 掃描電鏡下的NiCrBSi 涂層斷面形貌

選取涂層中的白點密集區(qū)域進行能譜分析，結(jié)果表明其主要成分為Ni，質(zhì)量百分比為47.8%，其余物質(zhì)則由Si、Cr、Fe、C 和O 組成。

圖3 為經(jīng)氧-乙炔火焰重熔后的NiCrBSi 涂層， 可以發(fā)現(xiàn)涂層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，元素富集形成枝晶狀組織，原有的缺陷基本消失。 火焰重熔處理對于整個涂層來說，使各種合金元素相互擴散，形成Cr7C3、CrB、Cr2B 等彌散分布于γ-Ni（主要是Ni-Cr）的硬質(zhì)相。 一般來說，Cr7C3維氏硬度可以達到1450HV，而CrB 可達1300HV。 經(jīng)過重熔處理，由于加熱充分和元素的擴散效應(yīng)明顯，涂層與基體能夠形成冶金結(jié)合，較之等離子噴涂形成的主要是機械結(jié)合的涂層，其結(jié)合強度大幅提高。

圖3 重熔后的NiCrBSi 涂層組織

2.2 硬度測試

對重熔前后的NiCrBSi 涂層進行顯微硬度分析，通過對比多組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，等離子噴涂涂層維氏硬度約為250HV，而重熔后可達400HV。 這與重熔后硬質(zhì)相彌散分布，缺陷減少有很大關(guān)系。

2.3 摩擦磨損試驗

通過對重熔前后NiCrBSi 涂層進行摩擦磨損試驗比較可以發(fā)現(xiàn)，火焰重熔后的涂層犁溝深度變淺，耐磨性能明顯增強。 這是由于重熔后硬質(zhì)相數(shù)量增多且為彌散分布。

3 結(jié)論

3.1 利用超音速大氣等離子噴涂技術(shù)成功制備了NiCrBSi 涂層，其構(gòu)成相較為單一，主要為γ-（Ni，F(xiàn)e）。 但夾雜熔化不完全的顆粒，存在部分孔隙。

3.2 經(jīng)火焰重熔處理使各種合金元素相互擴散，形成Cr7C3，CrB，Cr2B等彌散分布于γ-Ni（主要是Ni-Cr）的硬質(zhì)相。且涂層與基體能夠形成冶金結(jié)合，結(jié)合強度大幅提高。

3.3 重熔后硬質(zhì)相彌散分布，缺陷減少，涂層維氏硬度可達400HV。

3.4 重熔后的涂層耐磨損性能明顯提高，元素擴散遷移，細小的硬質(zhì)顆粒及較低的孔隙率等因素對涂層耐磨性提高起到關(guān)鍵作用。

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