激光熔覆特定材料涂層的微觀組織和硬度特性

臧春城，王延忠，張以都

(北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京100191)

1 引言

NiCr－Cr3C2是一種常用的金屬陶瓷粉末，兼具NiCr合金與Cr3C2粉末的優點，是非常理想的耐磨、抗氧化和耐蝕材料，因而常被用于制備耐磨涂層［1－3］。激光熔覆作為先進的表面工程技術，可以在瞬間產生高能量，作用在材料表面，改變表面層的組織和成分，顯著提高金屬零部件使用壽命。因此，利用激光熔覆技術在金屬零件表面熔覆鎳鉻碳化鉻陶瓷涂層以增強零部件的耐磨耐蝕性能，得到了越來越廣泛的應用。國內外諸多專家學者對該項技術進行了細致的研究，并取得了一些研究成果。陸益軍等［4］利用激光重熔等離子噴涂NiCr－Cr3C2陶瓷涂層，有效提高了涂層的硬度和致密度，減少了孔隙率。李杰等［5］研究了NiCr－Cr3C2顆粒尺寸對熔覆層性能的影響，結果表明大顆粒NiCr－Cr3C2對熔覆層的顯微硬度約提高50%。劉秀波等［6－9］在NiCr－Cr3C2粉末中添加CaF2和WS2自潤滑成分，制備了自潤滑耐磨涂層，試驗結果表明該自潤滑涂層具有較好的減摩耐磨性能。俞友軍等人［10］制備了NiCr/Cr3C2－Ag－BaF2/CaF2金屬基高溫自潤滑耐磨覆層，該涂層從室溫到500℃試驗溫度范圍內表現出了良好的減摩抗磨效果。

本文利用激光熔覆技術，在45鋼基體上熔覆25NiCr－75Cr3C2涂層，以期得到高硬度的耐磨金屬層表面。在初期試驗過程中發現，在45鋼基體上直接熔覆25NiCr－75Cr3C2涂層時，由于基體與涂層材料物理性能差異較大，難以獲得較好的熔覆效果。而鎳基合金粉末通過激光熔覆能夠與45鋼基體及25NiCr－75Cr3C2涂層均有良好的結合。因此，分別以Ni45和Ni60鎳基合金為過渡層，分析了不同鎳基合金作為過渡層對25NiCr－75Cr3C2涂層的微觀組織和顯微硬度的影響。

2 實驗材料與方法

2．1 實驗材料

采用45鋼作為基體，其試樣尺寸為50 mm×130 mm×10 mm，試驗前對基體表面用砂紙進行打磨，并用無水乙醇清洗。實驗所用的過渡層材料選用鎳基合金粉末，牌號分別為Ni45和Ni60，其規格尺寸均為－140～+325目，化學成分含量如表1所示。

表1 鎳基合金粉末的化學成分(質量分數，%)Tab．1 Chemical composition of Ni－base alloy powder(Wt．%)

表面涂層選用鎳鉻碳化鉻復合粉末25NiCr－75Cr3C2，其中NiCr質量百分比為25%，Cr3C2為75%，其規格尺寸為－325～+500目，理論硬度為HV0．3800～1000，工作溫度范圍≤850℃。

2．2 實驗方法

激光熔覆試驗采用具有高光束質量的DISTA3000半導體激光器，該激光器具有熔覆效率高、速度快、能耗低、熔覆層深度分布均勻、熱影響區小的特點。采用FHPF－20型激光加工送粉器和同軸送粉方式。激光功率0～3000 W，掃描速度范圍0～1．2 m/min，送粉率范圍為(6～25)g/min。熔覆試驗過程中，光斑尺寸調整為2 mm，采用正離焦量20 mm。粉末噴嘴直徑1．5 mm，噴嘴軸線與基體夾角45°。采用多道搭接，搭接率為30%。

激光熔覆后的試樣經過線切割、打磨、拋光后，采用JXA－8100電子探針顯微分析儀(Electron Probe Microanalyzer，EPMA)觀察涂層橫截面微觀組織形貌，并用電子探針自帶的能譜分析儀(EDS)檢測和分析微區元素成分。FM－800型顯微硬度計用來測定沿涂層深度方向的顯微硬度，載荷200 gf，加載時間15 s。

3 實驗結果與分析

3．1 熔覆層的微觀組織

圖1和圖2所示分別以Ni45和Ni60為過渡層時，激光熔覆25NiCr－75Cr3C2涂層的截面微觀組織，其中，(a)為涂層組織全貌圖，(b)為涂層25NiCr－75Cr3C2接近表面處的組織，(c)為涂層25NiCr－75Cr3C2與過渡層交界處的組織，(d)為過渡層與基體交界處組織。從圖中不難看出，不同部位的組織結構是不同的，這是由于各部分材料成分不同，以及熔覆過程中溫度場的差別所致。

圖1 以Ni45為過渡層的鎳鉻碳化鉻涂層微觀組織Fig．1 Micro－structure of 25NiCr－75Cr3 C2 with transition layer of Ni45

圖2 以Ni60為過渡層的鎳鉻碳化鉻涂層微觀組織Fig．2 Micro－structure of 25NiCr－75Cr3C2 with transition layer of Ni60

鎳基合金經過熔覆后得到的組織比較致密均勻，與45鋼基體形成了一條細窄的光亮帶，如圖1(d)和圖2(d)中的E區，也稱為熔合區。這是由于在高能量密度激光束加熱作用下，在形成熔池的過程中，熔池和基體之間元素濃度梯度大，因而合金元素之間互相強烈擴散，凝固后即形成了熔合區。過渡層的組織呈胞狀結構，晶粒細小且尺寸均勻，這是由于激光熔覆快速加熱快速冷凝的典型特征所致。過渡層組織在靠近基體的部位具有垂直于界面向上生長的趨勢，方向性明顯。鎳鉻碳化鉻涂層與過渡層之間的結合也比較牢固，但在結合面處的組織不太均勻，有黑色塊狀晶組織，通過EDS分析可知，該晶體組織主要成分為Cr和C，如表2所示，Cr和C的重量百分比和原子百分比都比較高，Cr與C的原子百分比為49．44/28．78，，可以推測該晶體可能為Cr3C2。當Ni45為過渡層時，25NiCr－75Cr3C2涂層接近表面處的組織呈絮狀和針狀，并分散排布有少量的花團狀晶體組織，如圖1(b)所示;接近過渡層處的組織除了塊狀晶外，主要為絮狀和針狀晶。當Ni60為過渡層時，25NiCr－75Cr3C2涂層組織呈現葉片狀和枝晶狀，與Ni45為過渡層的組織具有明顯的差別，此外，過渡層Ni60除胞狀晶外，還有呈帶狀分布的黑色球狀物。經過EDS分析，涂層各區組織中主要化學成分重量百分比如表3所示，圖3和圖4分別為不同過渡層時25NiCr－75Cr3C2涂層接近表面的能譜圖。從表3中數據可以看出，從接近基體處到涂層表面，Cr和C的含量逐漸增加，而Ni的含量逐漸減少。表面涂層同為25NiCr－75Cr3C2，與過渡層Ni45相比，以Ni60為過渡層時，25NiCr－75Cr3C2涂層中Cr的含量明顯偏高，而C和Ni的含量則基本接近。這主要由于鎳基粉末材料Ni60的Cr含量為17．21%(如表1所示)，明顯高于Ni45粉末中Cr的含量7．52%，C元素也明顯偏高，激光熔覆過程中，元素亦存在涂層間的擴散，因而在涂層中有更多的碳化鉻硬質相生成，導熱系數降低，使得涂層內溫度梯度增加從而導致熱應力的產生，使涂層容易出現裂紋，如圖2(c)所示，裂紋垂直于基體表面一直延伸到涂層表面，調整激光熔覆的工藝參數，可以控制或減少裂紋的產生。

表2 Ni60/25NiCr－75Cr3 C2涂層B區塊狀晶元素成分Tab．2 Main chemical components of the block crystal in area B of Ni60/25NiCr－75Cr3C2 coating

表3 涂層各區元素成分重量百分比Tab．3 Mass percentage of chemical components in different areas of coatings

圖3 Ni45/25NiCr－75Cr3 C2涂層A區能譜圖Fig．3 EDSspectrum in the area A of Ni45/25NiCr－75Cr3 C2 coating

圖4 Ni60/25NiCr－75Cr3C2涂層A區能譜圖Fig．4 EDSspectrum in the area A of Ni60/25NiCr－75Cr3C2 coating

3．2 熔覆層的顯微硬度

圖5 為激光熔覆Ni基過渡層及鎳鉻碳化鉻涂層的顯微硬度，橫坐標正值表示接近涂層表面的方向。從圖5可以看出，顯微硬度從涂層內部到涂層表面具有上升的趨勢，硬度分布規律明顯。當過渡層為Ni45時，上升趨勢比較平緩，25 NiCr－75Cr3C2涂層表面處硬度在890 HV0．2左右，約為基體硬度300 HV0．2的3倍。當過渡層為Ni60時，25 NiCr－75Cr3C2涂層表面硬度高達1660 HV0．2，遠遠高于基體的顯微硬度，硬度分布出現階梯狀。而且，與Ni45過渡層相比，Ni60為過渡層的25 NiCr－75Cr3C2涂層硬度提高了一倍。主要原因是Ni60合金粉末中含有更多的Cr和C元素，激光熔覆過程中，元素存在涂層間的擴散，因而在涂層中有更多的碳化鉻硬質相生成，從而提高了涂層的硬度。

圖5 不同過渡層的涂層顯微硬度對比Fig．5 Micro hardness comparison of cladding coatings with different transition layers

4 結論

本文分別以鎳基合金Ni45和Ni60為過渡層，通過激光熔覆技術，在45鋼基體上熔覆25NiCr－75Cr3C2涂層，對比分析和研究了兩種條件下涂層的微觀組織和顯微硬度，可以得出以下結論:

1)以鎳基合金為過渡層，在45鋼基體上熔覆25NiCr－75Cr3C2涂層，可以得到與基體結合緊密的涂層組織，且涂層硬度明顯高于基體硬度。

2)不同的鎳基過渡層上熔覆的25NiCr－75Cr3C2涂層微觀組織結構及元素成分也不相同。

3)選擇不同的鎳基合金Ni45和Ni60為過渡層，得到的25NiCr－75Cr3C2涂層的硬度值不同。與過渡層Ni45相比，過渡層為Ni60時25NiCr－75Cr3C2涂層的顯微硬度明顯提高，但產生裂紋等缺陷的幾率也增加。

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