激光熔覆Fe基合金涂層組織與性能研究

劉志鵬，伍文星，李勝，邱長軍

（南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽421000）

0 引言

激光熔覆技術作為近年來表面改性的研究熱點，具有基體變形小、稀釋率低、效率高、易與基體形成冶金結合等優點，其原理是利用高能量密度激光束在基材表面輻照快速融化形成熔池，同時向熔池中添加熔覆材料，使得熔覆材料在基材表面快速熔凝，從而制備高性能的涂層[1-6]。X. Xu等[7]采用激光熔覆法在4Cr5MoSiV1鋼表面制備了混合不同元素的鐵基粉末，并進行多層熔覆處理。結果表明：在相鄰多層熔覆層的界面上均存在等軸枝晶和網狀共晶組織，過量鎳元素的加入會使合金元素分布更加均勻。此外，在鐵基合金中增加Ni元素顯著提高了熔覆層的沖擊韌性，并表現出較高的耐腐蝕性能。J.H. Wen等[8]在2205雙相不銹鋼表面進行了激光熔覆實驗。結果表明：所制備的熔覆層顯微硬度約為328 HV，抗拉強度約為900 MPa，與2205雙相不銹鋼相比耐蝕性有所下降。本文在Q235基材表面采用光纖激光器激光熔覆了約4 mm的Fe基合金涂層，對其涂層性能進行了表征和分析，為工程應用提供一定的參考。

1 實驗材料和方法

熔覆材料為鐵基球形粉末，經真空氣霧化方法制備而成，粉末粒度為48～180 μm，采用ICP-AES法測其成分，粉末的化學成分如表1所示。實驗基材為Q235鋼板，尺寸為120 mm×50 mm×15 mm，激光熔覆之前先將實驗基材進行打磨和酒精超聲波清洗，以去除基材表面氧化層和油漬，將粉末跟基材放入干燥箱中進行干燥處理，設置干燥溫度為50 ℃，干燥時間為2 h。

表1 粉末的化學成分質量分數 %

采用500 W光纖激光器在基材表面進行多層熔覆處理，送粉方式為側向送粉，保護氣體為高純氮氣，激光熔覆過程如圖1（a）所示，將基材放置在通有冷卻水的低溫工作平臺上面，水溫設置為15 ℃。基于前期的研究[9-10]，選擇優化的激光工藝參數，激光功率為480 W，光斑直徑為2 mm，掃描速度為6 mm/s，搭接率為50%，送粉速度為6 g/min。圖2為制備的鐵基熔覆層表面形貌，從圖中可以看出，Fe基涂層表面無氣孔和開裂等缺陷，其尺寸為60 mm×30 mm×4 mm。利用HXD-1000B型顯微硬度儀測量基材至Fe基涂層表面橫截面之間的顯微硬度，載荷為0.2 N，保壓時間為10 s。利用電火花線切割制備出多個非標拉伸試樣，如圖1（b）為拉伸試樣取樣位置，尺寸如圖1（c）所示。利用WDW-20E材料萬能試驗機測試Fe基涂層的室溫拉伸性能，拉伸速率為0.2 mm/min。利用CS300型電化學工作站分析Fe基涂層電化學腐蝕性能，其中參比電極和輔助電極分別為飽和甘汞電極和鉑電極，Fe基涂層試樣作為工作電極，腐蝕液為3.5%的NaCl 溶液，電壓范圍電位掃描速度為5 mV/s。

2 結果與討論

2.1 顯微硬度

圖1 激光熔覆過程和拉伸試樣

基材至Fe基涂層橫截面之間的顯微硬度測試結果如圖3所示。從圖中可以看出，從基材至熱影響區到涂層的顯微硬度值是呈現上升趨勢的。基材的顯微硬度為146～168 HV0.2，涂層的顯微硬度為 298 ～322 HV0.2，大約是基材的2倍。涂層的顯微硬度提高的原因一方面是激光熔覆過程中快速冷卻產生的細晶強化，獲得均勻、細化的組織；另一方面涂層中生成了碳化物，碳化物是典型的硬質相，這些產生的碳化物也是導致涂層顯微硬度提高的原因[11-12]。

2.2 拉伸性能

圖4為激光熔覆Fe基涂層試樣的室溫拉伸性能分析結果。涂層拉伸曲線如圖4（a）所示，從圖中可以看，出涂層抗拉強度為（1040±20）MPa，屈服強度為（430±20）MPa，斷后伸長率為（24±2）%。拉伸試樣取自激光熔覆涂層的2個不同位置，值得注意的是，2個試樣的拉伸性能比較相近，這說明涂層的組織相對來說比較均勻。利用掃描電子顯微鏡對Fe基涂層試樣的拉伸斷口形貌進行觀察，如圖4（c）所示。從圖中可以看出，Fe基涂層試樣斷口有大量、均勻的韌窩存在，屬于韌性斷裂。結合圖4（b）涂層拉伸斷口宏觀圖，可以很明顯看到試樣拉伸過程中產生縮頸現象，這進一步表明涂層具有很好的塑性。

2.3 電化學腐蝕性能

圖2 Fe基涂層表面形貌

圖3 基材到Fe基涂層的顯微硬度

涂層試樣的腐蝕電壓、腐蝕電流和腐蝕速率如表2所示，圖5為涂層試樣的電化學腐蝕極化曲線。由圖5和表2可知，Fe基涂層具有良好的耐腐蝕性能，其腐蝕電壓為-0.236 V，自腐蝕電流密度為5.855×10-6A/cm2，腐蝕速率為0.046 mm/a。涂層耐腐蝕性能優異的主要原因如下[13-17]：1）激光快冷條件下制備的涂層的組織比較均勻和細密；2）該涂層Cr元素含量較高及少量Si元素的加入，涂層在電化學腐蝕的過程中表面容易產生致密的氧化物，避免涂層被進一步腐蝕，這些都有利于提高涂層的耐腐蝕性能。

圖4 Fe基涂層試樣室溫拉伸性能

表2 Fe基涂層的電化學參數

圖5 Fe基涂層電化學腐蝕極化曲線

3 結語

1）本文利用激光熔覆技術制備了低成本高性能的Fe基合金涂層，所制備的涂層表面無氣孔和裂紋等缺陷；2）涂層的顯微硬度為298～322 HV0.2，大約是基材的2倍，熱影響區的顯微硬度在基材跟涂層兩者顯微硬度范圍之間；3）涂層試樣在室溫下的抗拉強度為（1040±20）MPa，屈服強度為（430±20）MPa，斷后伸長率為（24±2）%，其腐蝕電壓為-0.236 V，自腐蝕電流密度為5.855×10-6A/cm2，腐蝕速率為0.046 mm/a，涂層具有較好的綜合性能。