鋁合金表面2%CeO2／Ni60A激光熔覆層的組織及耐腐蝕性能

張光耀，王成磊，高 原，韋文竹，陸小會，張 焱，吳煒欽

（桂林電子科技大學材料科學與工程學院，桂林541004）

0 引 言

鋁及鋁合金具有密度小、易加工、熱膨脹系數低、熱導率高、比剛度和比強度高等諸多優點，是有色金屬中應用最廣泛的材料之一，可用于汽車車身、航空航天器殼體和機車車廂結構部件［1-3］。但是，鋁合金的耐磨性、耐腐蝕性等較差，這阻礙了它的進一步應用［4-5］。人們通常采用表面處理技術來提高金屬的表面性能，如物理氣相沉積（PVD）法、化學氣相沉積（CVD）法、熱噴涂、激光重熔以及激光表面熔覆等。其中，激光表面熔覆技術可以在金屬材料表面制備出高性能的熔覆層，并使熔覆層與基體材料實現良好的冶金結合，大幅提高了基體材料的耐磨、耐蝕、耐沖擊等性能［6-8］。NiCrBSi合金具有較高的硬度、耐磨性、良好的力學性能和工藝性能，在材料表面熔覆NiCrBSi合金可以改善材料的表面性能。目前，在鋁合金表面激光熔覆NiCrBSi合金取得了一定進展［9-10］，但由于鎳基合金與鋁基合金在物理性能和化學性能方面的差異，導致鋁合金表面的鎳基合金熔覆層會不可避免地出現大量組織缺陷。

有研究表明，適量的稀土元素對提高鋼鐵等材料表面熔覆層的性能效果顯著［11-13］，但關于稀土元素對鋁合金熔覆層影響方面的研究較少。為此，作者利用激光熔覆技術在6063鋁合金表面制備了添加有稀土CeO2的Ni60A合金熔覆層，對熔覆層的組織、截面形貌、顯微硬度、耐腐蝕性能進行了分析，并與未添加稀土元素的Ni60A合金熔覆層進行了對比。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗用基體材料為6063鋁合金，平均硬度為140HV0.05，尺寸為50mm ×60mm×12mm，其化學成分如表1。熔覆層原料為Ni60A合金粉，粒徑為35～100μm，其化學成分見表2。稀土CeO2粉的粒徑為20～60μm。

表1 6063鋁合金的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of 6063 aluminum alloy（mass） %

表2 Ni60A合金粉的化學成分（質量分數）Tab.2 Chemical composition of Ni60Aalloy powders（mass） %

先用細砂紙打磨基體表面，然后分別用丙酮和體積分數為8%的鹽酸清洗，再用蒸餾水清洗干凈后烘干，以去除基體表面的氧化膜。分別以Ni60A合金粉以及2%（質量分數，下同）CeO2／Ni60A混合粉為原料，采用6kW大功率HANSGS通用型激光熱處理成套設備在基體表面制備Ni60A熔覆層和2%CeO2／Ni60A熔覆層，熔敷過程在氬氣氣氛中進行，以防止熔池的吸氧和合金的氧化。根據前期的研究成果，激光熔覆工藝參數為：功率4 000W，光斑直徑6mm，掃描速度600mm·min-1。

1.2 試驗方法

用ZEISS AXIO型光學顯微鏡觀察熔覆層的截面形貌；用HV1000型顯微硬度儀測熔覆層的顯微硬度，加載載荷為0.5N，加載時間為10s；用Bruker-axs-D8型X射線衍射儀分析熔覆層表面的相結構；用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察熔覆層的表面形貌。

在PS-268A型電化學測量儀上對6063鋁合金、Ni60A熔覆層和2%CeO2／Ni60A熔覆層進行耐腐蝕性能測試，電解池采用三電極系統，鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，以待測試樣為工作電極，腐蝕表面積均為1cm×1cm；腐蝕溶液分別為1mol·L-1H2SO4溶液，3.5%NaCl溶液以及1mol·L-1NaOH 溶液。

2 試驗結果與討論

2.1 熔覆層的形貌

由圖1（a）可見，在Ni60A熔覆層中有較明顯的網格狀胞晶或枝晶，晶粒尺寸為1～4μm，組織不均勻，白色顆粒為未熔解的Ni60A粉體顆粒，左上角的黑色區域是處理過程中產生的氣孔。這可能是熔覆過程中熔池的流動性較差，導致熔覆層受熱不均而產生的組織缺陷。2%CeO2／Ni60A熔覆層的組織則完全由均勻分布的網狀枝晶構成，晶粒尺寸細?。?～2μm），無組織缺陷，如圖1（b）所示。這是由于稀土元素鈰一方面能提高熔池的流動性［14］，既可使熔融態的元素混合均勻，又可使反應生成的氣體逸出，減少了疏松、氣孔等缺陷；另一方面可使合金中的雜質重新分布，細化晶粒，凈化晶界。對比可知，在相同的熔敷參數下，添加CeO2的Ni60A合金粉可以獲得更好的激光熔覆層。

由圖1（c）可見，2%CeO2／Ni60A 熔覆層的組織均勻，熔池深度可達600～900μm，未發現裂紋及明顯的組織缺陷，僅在底部有若干小氣孔。此外，熔覆層與基體的結合界面處無氣孔和裂紋，達到了較好的冶金結合效果。

2.2 XRD譜

由圖2可知，與Ni60A熔覆層相比，2%CeO2／Ni60A熔覆層中出現了微量的Cr3C2、Fe2C、SiC、Fe23（C，B）6等析出相，這些強化相分布在熔覆層組織中，對提高熔覆層的硬度等性能是有利的?？梢?，添加CeO2可以促進鋁合金表面鎳基熔覆層中金屬化合物硬質相的形成，這可能與稀土元素本身的催化作用及改善熔池的流動性有關［15］。

圖1 兩種熔覆層的形貌Fig.1 Morphology of two kinds of cladding layers：（a）Ni60Acladding layer，surface SEM morpphology；（b）2%CeO2／Ni60Acladding layer，surface SEM morphology and（c）2%CeO2／Ni60Acladding layer，cross section OM morphology

圖2 兩種熔覆層的XRD譜Fig.2 XRD patterns of two kinds of cladding layers

2.3 硬 度

在相同深度處2%CeO2／Ni60A熔覆層的硬度均明顯高于Ni60A熔覆層的，如圖3所示。稀土元素可以細化晶粒尺寸，提高組織的致密度，同時也形成了一定量的硬質相，故能提高熔覆層的硬度。2%CeO2／Ni60A熔覆層的硬度最高可達1 180HV，是6063鋁合金基體平均硬度的8.4倍。此外，兩種熔覆層從表面至基體的硬度均逐漸降低，這主要是因為激光加工時界面附近基體中的合金元素受溫度影響而熔化，并擴散進入熔池中，熔覆層的鎳基合金逐漸被稀釋，且越靠近熔池底部，稀釋率越大。

圖3 兩種熔覆層的顯微硬度-深度關系曲線Fig.3 Micro-hardness vs depth for two kinds of cladding layers

2.4 耐腐蝕性能

由圖4（a）可知，在1mol·L-1H2SO4溶液中，2%CeO2／Ni60A熔覆層的自腐蝕電位高于6063鋁合金和Ni60A熔覆層的，并且在相同的電位下，兩種熔覆層的電流密度都遠遠小于6063鋁合金的。結合表3可知，與6063鋁合金相比，兩種熔覆層耐H2SO4腐蝕的性能都有大幅提高，且2%CeO2／Ni60A熔覆層的最好。

表3 6063鋁合金和兩種熔覆層在1mol·L-1H2SO4溶液中的腐蝕測試結果Tab.3 Corrosion test results of 6063aluminum alloy and two kinds of cladding layers in 1mol·L-1H2SO4solution

由圖4（b）可以看出，在3.5%NaCl溶液中，2%CeO2／Ni60A熔覆層在電位升高至其自腐蝕電位（-105mV）時進入陽極極化，Ni60A熔覆層在自腐蝕電位為-499mV時進入穩定的陽極極化，6063鋁合金在自腐蝕電位為-915mV時進入陽極極化。2%CeO2／Ni60A熔覆層的自腐蝕電位較高，這說明添加CeO2后的Ni60A熔覆層的耐腐蝕性能得到提高。結合表4可知，在3.5%NaCl溶液中，2%CeO2／Ni60A熔覆層的相對腐蝕速率最小，耐蝕性能最好。

由圖4（c）和表5可知，在1mol·L-1NaOH溶液中，2%CeO2／Ni60A熔覆層的耐蝕性能最好。

表4 6063鋁合金和兩種熔覆層在3.5%NaCl溶液中的腐蝕測試結果Tab.4 Corrosion test results of 6063aluminum alloy and two kinds of cladding layers in 3.5%NaCl solution

表5 6063鋁合金和兩種熔覆層在1mol·L-1NaOH溶液中的腐蝕測試結果Tab.5 Corrosion test results of 6063aluminum alloy and two kinds of cladding layers in 1mol·L-1NaOH solution

圖4 6063鋁合金和兩種熔覆層在不同溶液中的極化曲線Fig.4 Polarization curves of 6063aluminum alloy and two kinds of cladding layers in different solutions

3 結 論

（1）與Ni60A熔覆層相比，2%CeO2／Ni60A熔覆層的組織更加均勻，晶粒較細小，氣孔等組織缺陷更少，熔覆質量較好。

（2）與Ni60A熔覆層相比，2%CeO2／Ni60A熔覆層中出現了微量Cr3C2、Fe2C、SiC、Fe23（C，B）6等硬質相，這說明添加CeO2促進了熔覆層中硬質相的生成。

（3）在相同深度處，2%CeO2／Ni60A熔覆層的顯微硬度明顯比Ni60A熔覆層的高，且最高硬度可達1 180HV。

（4）在 1mol·L-1H2SO4、3.5%NaCl 和1mol·L-1NaOH腐蝕溶液中，2%CeO2／Ni60A 熔覆層在的耐腐蝕性能最好，Ni60A熔覆層的次之，6063鋁合金的最差。

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