激光原位制備CrFeAlTi復合涂層及性能*

鄭文權，張曼莉，邱長軍

(南華大學機械工程學院，湖南衡陽 421001)

0 引言

目前，加速器驅動次臨界系統(ADS)是最強有力的核廢物嬗變及能量產生的核能系統，是解決大量核放射性廢料最有效工具，中國低活化馬氏體鋼(CLAM鋼)作為首選堆結構材料要承受高磨損、強腐蝕性介質等極端工況的作用［1-2］。因此，國內外一些學者采用火焰噴涂和激光原位合成等技術對堆結構材料關鍵部件進行了表面改性技術［2-4］。一些研究表明，火焰噴涂涂層與基體呈機械結合以及涂層內部存在較多孔隙和微裂紋等因素難以適應核反應堆中的極端工況環境，而采用高能量激光束對噴涂涂層進行激光原位快速掃描，可除去噴涂涂層中的氧化物雜質以及孔隙等缺陷，從而可以獲得均勻致密、含有多種硬質陶瓷相以及與基體形成良好冶金結合的復合涂層［3-5］。孫榮祿等［6］以NiCrBSiC 合金粉末為涂層材料，獲得了TiC-TiB2/Ni基金屬陶瓷涂層，提高了鈦合金的耐磨性能。Knut Partes等［7］在哈氏合金上激光熔覆原位合成NiCrAlY耐高溫氧化復合涂層，明顯提高了基材的抗氧化性。然而目前對激光原位合成CrFeAlTi復合涂層的研究鮮有報道。為此，筆者以三種粉末作為涂層原材料，利用火焰噴涂方法在CLAM鋼表面制備了噴涂涂層，并通過激光原位反應制備出CrFeAlTi復合涂層，研究和測試了復合涂層表面和截面形貌、涂層與基體界面結合性能以及涂層摩擦磨損性能。

1 實驗材料及方法

選用CLAM鋼作為基體實驗材料(質量分數%:Cr8．91，W1．44，Mn0．35，Ta0．15，C0．13，Fe 余量)，試樣尺寸為50 mm×25 mm×13 mm。實驗前對基體表面超聲波清洗10 min，再對基體表面進行噴砂處理，除去試樣表面油銹以及氧化物等雜質。復合涂層原材料選用20%鈦粉(99%純度)+40%鐵鋁粉(Al-Fe50)+40%鉻鐵粉(Fe-Cr60)。將上述三種粉末機械混合后，加入定量的純凈水，采用加熱攪拌、破碎等工藝方法制備出復合粉末，并置于干燥箱干燥72 h。

首先利用火焰噴涂方法將復合粉末噴涂在基體表面，厚度約為0．25 mm，其噴涂工藝參數為:氧氣壓力 0．5 MPa，乙炔壓力 0．09 MPa，空氣壓力 0．38 MPa，。然后將試樣進行300℃預熱處理，利用5 kW橫流CO2激光器對噴涂涂層進行激光快速掃描，通過原位反應制備出CrFeAlTi復合涂層。原位合成的復合涂層在高純氬氣保護氣氛下進行，采用熔池側吹方式供氣。激光原位制備復合涂層工藝參數為:激光功率1 400～1 500 W，掃描速度6 mm/s，光斑直徑3 mm，多道搭接率33%。

利用TESCAN MIRA3 LMU型掃描電鏡觀察復合涂層表面和截面形貌。采用基材拉伸法在PWSE100型電液伺服動靜萬能試驗機進行涂層與基體的界面結合性能測量，然后根據涂層表面剝落與裂紋形貌特征定性評定涂層與基體界面結合性能。在室溫條件下，利用MMW-1型立式萬能摩擦磨損試驗機測試干摩擦條件下復合涂層摩擦磨損性能，并采用失重法評定復合涂層的耐磨性能。

2 實驗結果與分析

2．1 復合涂層表面和截面形貌分析

圖1(a)為復合涂層表面宏觀形貌，可看出復合涂層表面光整均勻，無孔洞及過熔等現象，主要是由于熱噴涂涂層呈層狀結構，涂層內部夾雜著一些未熔化的粉末顆粒，激光快速掃描涂層試樣過程中，這些顆粒在復合涂層快速凝固之前再次熔化且平整均勻鋪展在基體表面。另外，復合涂層表面沒有產生裂紋，主要是由于激光掃描試樣前后進行了預熱處理，降低了涂層中的殘余應力并排除了熔池中的造渣和氣孔［8］。圖1(b)為復合涂層截面形貌，可知截面由復合涂層、結合區和基體組成，涂層厚度約為120 μm。圖1(c)為復合涂層顯微組織形貌，可看出，復合涂層組織致密分布均勻，內部無氣孔和裂紋等缺陷，涂層組織多呈不規則塊狀和細小取向紊亂的樹枝狀結構，同時在組織間彌散分布著細小的顆粒。此外，涂層與基體之間出現一條狹窄的白亮帶，也即平面狀生長組織，輪廓清晰可見，表明涂層與基體形成了良好的冶金結合。產生白亮帶的主要原因是涂層凝固過程中，涂層上部冷卻速度快，來不及長大就結晶，形成了組織細小的枝晶組織，涂層底部組織形成后阻礙了涂層中底部組織與基體的熱傳遞，組織多呈平面外延生長，因此在結合面附近就形成了無明顯襯度的白亮帶［8-9］。

圖1 復合涂層形貌

2．2 復合涂層與基體界面結合性能分析

拉伸試樣經線切割加工制成非標準拉伸試樣，尺寸如圖2所示。然后利用自制的夾具在拉伸試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速度設定為0．15 mm/min，根據不同拉伸量分析復合涂層與基體界面結合性能。

圖2 拉伸試樣示意圖

結果表明，當伸長量為1．5%時，涂層表面局部很小區域開始出現少量裂紋，但不明顯且沒有規律性。隨著伸長量的增加，裂紋密度略有增加。當拉伸量為5%時，涂層表面出現部分裂紋，裂紋相互平行且間距比較大，基本與拉伸載荷方向垂直，如圖3所示。當拉伸量增加到7%時，涂層表面存在明顯裂紋但基本沒有大塊涂層剝落現象，如圖4所示。這主要是由于涂層試樣經激光輻照后，粉末和基體表面融化，基體和涂層材料的主要成分在界面處互相擴散，復合涂層與基體之間形成了良好冶金結合。

圖3 伸長量為5%時的涂層表面形貌

圖4 伸長量為7%時的涂層表面形貌

2．3 復合涂層摩擦磨損性能分析

采用銷盤對磨方式對復合涂層和CLAM鋼基體分別進行干摩擦試驗，涂層試樣尺寸為φ4．5mm×13 mm，對磨試塊為淬火45#鋼(硬度54 HRC)，加載載荷為30 N，轉速為60 r/min，對磨時間為50 min，試樣在精度為0．1 mg的電子天平上稱重，磨損量為試樣磨損前后的差值。結果顯示，在同等條件的摩擦條件下，CLAM鋼的磨損量為1．5 mg，而復合涂層的磨損量為0．18 mg，其耐磨性能明顯優于CLAM鋼。由上述結果可知，CLAM鋼表面激光原位合成復合涂層以后，其表面耐磨性能得到了較大的改善，這主要是因為復合涂層組織致密分布且多呈細小塊狀和樹枝狀組織，與基體結合強度高，當受到外力作用產生滑動磨損時，涂層沒有產生裂紋，故涂層磨損量較小，耐磨性能得到較大提高。

3 結論

(1)選取合適的激光工藝參數在CLAM鋼表面向諧振頻率與聲源驅動器頻率相近，利于增強振動，提高了熱聲制冷機效率。

(2)觀察到了板疊兩端冷熱端溫差的變化過程，證實了熱聲效應的產生。對比了不同驅動壓力所產生的溫差不同，從側面證實了提高壓力有利于熱聲效應效率的提高。

(3)采用軟件數值模擬Fluent，觀測到了一個周期內諧振管中板疊周圍流場的速度大小和方向變化情況，為微型熱聲制冷機進一步的探究提供了基礎。

［1］ 石華林．熱聲制冷技術進展及未來展望［J］．機電信息，2010(6):39．

［2］ 謝龍漢．趙新宇．張炯明ANSYSCFX流體分析及仿真［M］．北京:電子工業出版社，2011．

［3］ 張師帥．計算流體動力學及其應用［M］．武漢:華中科技大學出版社，2010．

［4］ 韓占忠．王 敬．蘭小平．FLUENT流體工程仿真計算實例與應用［M］．北京:北京理工大學出版社，2004．

［5］ 胡鵬舉．熱聲制冷機數值模擬研究［D］．包頭:內蒙古科技大學，2011．