750?℃環(huán)境溫度下制備鎳基合金激光熔覆層的力學(xué)性能研究

馮鑫++魏祥賽++肖安永++王廣蘭++丁悅婕++趙偉

摘 要：該文研究了在750 ℃環(huán)境溫度下制備Inconel 718鎳基合金激光熔覆層的力學(xué)性能。通過(guò)納米劃痕實(shí)驗(yàn)，研究激光熔覆層的表面摩擦系數(shù)和耐磨性；通過(guò)納米壓痕實(shí)驗(yàn)，研究激光熔覆層的納米硬度分布狀態(tài)。結(jié)果表明，750 ℃環(huán)境溫度對(duì)鎳基合金熔覆層耐磨性和硬度的提高有著明顯的促進(jìn)作用。這可能是由于750 ℃環(huán)境溫度使鎳基合金熔覆層發(fā)生再結(jié)晶行為，合金組織由沉積態(tài)的初始柱狀晶轉(zhuǎn)化為等軸晶，Laves相完全固溶，針狀δ相以及γ"強(qiáng)化相分別在晶界處以及γ基體上大量彌散析出。

關(guān)鍵詞：激光熔覆 力學(xué)性能 納米壓痕

中圖分類號(hào)：TG174 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）12（b）-0074-02

隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，單一材料往往無(wú)法滿足某些應(yīng)用領(lǐng)域的嚴(yán)苛要求。為了解決此局限性，高性能的功能梯度材料得到廣泛研究，以便滿足各種獨(dú)特的操作條件和要求[1]。例如：鈦合金材料由于其優(yōu)越的比強(qiáng)度得到廣泛應(yīng)用，然而，由于其較高的摩擦系數(shù)決定了鈦合金的耐磨性能較差。因此，應(yīng)用激光熔覆技術(shù)對(duì)鈦合金材料表面進(jìn)行改性處理，制備高性能耐磨鈦合金復(fù)合板就顯得尤其重要。激光熔覆技術(shù)[2]是以高能激光束為熱源，將預(yù)置或同步供給在基體表面的具有優(yōu)異耐磨、耐蝕等性能的涂層材料熔化，并與基體形成良好冶金結(jié)合，從而獲得特殊要求的表面改性技術(shù)。此技術(shù)具有稀釋率低、熱影響小、熔覆件扭曲變形小、過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。在激光熔覆過(guò)程中，激光、粉末材料及基體間相互作用形成熔覆層是一個(gè)較復(fù)雜的熔化-凝固冶金過(guò)程，熔池的凝固在固液界面前沿存在柱狀晶和等軸晶的相互競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)與轉(zhuǎn)化，這便導(dǎo)致熔覆層組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。不同的環(huán)境溫度會(huì)直接影響熔池的凝固過(guò)程，從而形成力學(xué)性能迥異的微觀組織結(jié)構(gòu)。因此，分析不同的環(huán)境溫度下制備鎳基合金激光熔覆層的力學(xué)性能，探索制備具有最優(yōu)力學(xué)性能鎳基合金熔覆層的最佳環(huán)境溫度是十分有意義的。該文研究了在750 ℃環(huán)境溫度下制備Inconel 718鎳基合金激光熔覆層的力學(xué)性能，并與室溫下制備鎳基合金熔覆層的力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

一個(gè)4 mm厚的Ti-6Al-4V合金板被用做實(shí)驗(yàn)基底材料，熔覆層材料為Inconel 718粉末，粉末顆粒尺寸介于50～100 μm。鎳基合金粉末通過(guò)有機(jī)粘結(jié)劑預(yù)置在基底材料表面，其厚度是1.0 mm。一束5kW CO2激光通過(guò)水冷銅鏡反射照射在樣品表面。選用的激光加工參數(shù)如下：功率P=4 kW，掃描速度V=10 mm/s，光束直徑d=5 mm，重疊系數(shù)為0.3，實(shí)驗(yàn)分別在750 ℃環(huán)境溫度與室溫下進(jìn)行。最后，納米壓痕儀被用來(lái)分析鎳基合金激光熔覆層的耐磨性與硬度。

2 結(jié)果與討論

通過(guò)納米劃痕試驗(yàn)，分別研究在750 ℃環(huán)境溫度下與室溫下制備鎳基合金熔覆層的表面摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)是指納米劃痕實(shí)驗(yàn)過(guò)程中切向力Pl和法向力Pn之間的比率。在劃痕試驗(yàn)中，法向載荷在3 s內(nèi)從0μN(yùn)增加到3 000 μN(yùn)，當(dāng)達(dá)到最大載荷時(shí)壓頭以0.3 μm/s的速度在樣品上保持滑動(dòng)40 s，最后法向載荷在3 s內(nèi)減小到0 μN(yùn)。750 ℃環(huán)境溫度下制備鎳基合金熔覆層的平均摩擦系數(shù)大約是0.168，而在室溫下制備的樣品平均摩擦系數(shù)卻為0.215，如圖1所示。較低的摩擦系數(shù)說(shuō)明具有更強(qiáng)的耐磨性，這一發(fā)現(xiàn)表明750 ℃環(huán)境溫度有利于鎳基合金激光熔覆層耐磨性的提高。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，750 ℃環(huán)境溫度下制備鎳基合金熔覆層的摩擦系數(shù)波動(dòng)范圍較小，這說(shuō)明了熔覆層組織結(jié)構(gòu)的均勻性也得到了優(yōu)化。

為了進(jìn)一步研究熔覆層的表面力學(xué)性能，圖2分別出示了在750 ℃環(huán)境溫度下與室溫下制備鎳基合金熔覆層橫截面的納米硬度分布狀態(tài)。圖2（a）出示了室溫下制備樣品在0.45 mm×1 mm尺寸范圍內(nèi)的納米硬度分布，壓痕在水平與垂直方向上的間隔都為0.05 mm，Y方向?yàn)槿鄹矊雍穸确较颍瑘D像最上端對(duì)應(yīng)熔覆層表面；圖2（b）出示了750 ℃環(huán)境溫度下制備熔覆層樣品的納米硬度分布，方法參數(shù)與圖2（a）一致。從圖2中可以看出，750 ℃環(huán)境溫度下制備熔覆層的平均納米硬度約為7.4 GPa，較室溫下制備的樣品（6.7 GPa）高10.4 %，這進(jìn)一步證明了750 ℃環(huán)境溫度對(duì)鎳基合金激光熔覆層的強(qiáng)化作用。其內(nèi)在機(jī)理可能是由于750 ℃環(huán)境溫度使鎳基合金熔覆層發(fā)生再結(jié)晶行為，合金組織由沉積態(tài)的初始柱狀晶轉(zhuǎn)化為等軸晶，Laves相完全固溶，針狀δ相以及γ"強(qiáng)化相分別在晶界處以及γ基體上大量彌散析出。

3 結(jié)語(yǔ)

提高環(huán)境溫度對(duì)鎳基合金激光熔覆層的力學(xué)性能優(yōu)化具有重要意義，750 ℃環(huán)境溫度能夠提升熔覆層的耐磨性和硬度。此強(qiáng)化機(jī)制可能主要依賴于鎳基合金熔覆層再結(jié)晶過(guò)程中析出的高強(qiáng)度第二相，即γ"相、δ相以及碳化物。

參考文獻(xiàn)

[1] J.T. Liu， M. Li， S. Sheu， et al. Macro- and micro-surface engineering to improve hot roll bonding of aluminum plate and sheet[J]. Mater. Sci. Eng， 2008（479）：45-57.

[2] S.S. Babu， S.A. David， R.P. Martukanitz， et al.Toward prediction of microstructural evolution during laser surface alloying[J]. Metall. Mater. Trans， 2002（33）：1189-1200.