功率參數對AerMet100/C276涂層組織及性能的影響

2023-11-17 07:18:10楊廣峰

激光與紅外 2023年10期

崔靜,郜峰,楊廣峰

(1.中國民航大學航空工程學院,天津 300300;2.中國民航大學交通科學與工程學院,天津 300300)

1 引言

飛機起落架因其服役的環境極其復雜,不僅需要承受很大的載荷和沖擊,還必須要承受嚴重的腐蝕,這些問題嚴重影響了飛機的可靠性、安全性和壽命[1-4]。隨著航空航天工業高速發展對高強度鋼材料的需求日益增多,AerMet100超高強度鋼因其自身高彈性模量、強度、高剛性模量以及優異的斷裂韌性和耐蝕性逐漸廣泛地應用于制造飛機起落架、發動機等關鍵結構,但抗蝕性能差的缺點難以避免。因此,提高AerMet100高強鋼的抗蝕性變得尤為重要。

激光熔覆技術作為基材表面性能強化的常用手段,通過在金屬表面熔覆一種外加的金屬粉末或合金覆層,從而使基材的耐腐蝕性能得到增強。Hastelloy C276作為一種鎳基熔覆粉末,它不僅具有優異的耐鹽酸腐蝕性能,也是少有的對氯離子具有良好抗蝕能力的合金,并且其抗蝕性對NaCl等鹽濃度的增加并不敏感,因此被廣泛應用于海洋防腐涂層材料,這對提升A100鋼材的耐蝕性能提供了最大的可能性。本文通過激光熔覆技術在A100鋼基材表面熔覆Hastelloy C276粉末制備復合涂層,增強原基材的耐蝕性能,并探究功率參數對涂層表面組織形貌、成分組成及其性能的影響。

2 材料及實驗設計

2.1 實驗材料及其過程

試驗所用基體試件為4組AerMet100合金,熔覆材料為HastelloyC276合金粉末,粒徑分布在50～150 μm之間。通過同軸送粉的方式在A100基體表面進行C276粉末多道熔覆實驗見圖1。實驗采用LDM-8060型激光器,作用在試件上的光斑直徑1 mm,熔覆過程中用氬氣保護,掃描速度限定為12 mm/s,功率參數分別為P=1200 W、P=1400 W、P=1600 W和P=1800 W。將4組試樣分別切割下尺寸1(16 mm×6 mm×6 mm)和尺寸2(16 mm×16 mm×6 mm)兩小塊試樣,并分別對其進行熱鑲嵌、砂紙(400#、800#、1000#、1200#、1500#和2000#)打磨并用0.05 mm的磨拋液進行拋光處理。

圖1 激光熔覆工藝圖

2.2 實驗方法

尺寸1試件用體積比HCl∶HNO3=3∶1的王水腐蝕液對截面進行金相腐蝕300 s后,通過LEICA MEF4型金相顯微鏡、HITACHIS-3400N型掃描電子顯微鏡觀察橫截面熔覆層表面的形貌與微觀組織,EDS能譜儀進行元素分析,HVS-1000型維氏顯微硬度計(載荷0.2 kg、加荷時間10 s)測量熔覆層頂部至基體不同位置的硬度。尺寸2試件進行XRD衍射分析檢測物相,通過Princeton Applied Research PARSTAT4000電化學工作站,探究其耐腐蝕性能。

3 結果及分析

3.1 宏觀形貌

圖2是四組不同功率下試件多道熔覆下的宏觀形貌,可見,在不同功率下均制備出高度均勻的熔覆層。隨著功率的增加,涂層截面逐漸變得光滑,顏色也由暗黑色向亮白色轉變。在功率1200 W時熱影響區呈現暗黃色,隨著功率的增加,熱影響區顏色逐漸變為白色,同時熔覆層高度也逐漸增加,當P=1800 W時熔覆層達到最大高度,此時可明顯看到白色熱影響區域。激光功率的增加直接導致熱能輸入量與熔池凝固時間的增加,增強了內部Marangoni對流[5],促進了對流在縱深方向的延展,宏觀上增加了熔覆層的高度。同時熱量向內部傳熱也變強,結合區因受熱量過高在冷卻中生成表面氧化物時間快慢的不同繼而發生不同顏色的變化。

圖2 不同激光功率參數的宏觀形貌

3.2 微觀組織

熔覆層微觀組織見圖3,可見不同功率試樣頂部以等軸晶和胞狀晶為主,中部以柱狀晶和等軸晶為主,底部靠近基體部以柱狀晶和平面晶為主,且柱狀晶生長方向垂直于結合線。之所以不同區域出現不同的組織形態主要是受溫度梯度G和生長速率R對合金凝固組織的影響,G/R比值決定了凝固方式,GR值決定凝固組織晶粒的大小[6]。

圖3 不同功率熔覆層上中下部組織微觀圖

在距離基體較近的區域溫度梯度大凝固時間長,比率G/R很大且幾乎沒有任何成分過冷,因此組織多以平面晶為主,隨著晶體生長離界面距離越來越遠,成分過冷逐漸增加并逐漸發展,導致平面晶界固/液界面變得不穩定,開始向胞狀晶和柱狀枝晶轉變。隨著凝固的不斷進行,中部區域組織G/R變大生成更多的柱狀晶和胞狀晶,而在熔覆層頂部熱量容易向各個方向傳遞,導致G/R值變小,過冷度變大,組織多以等軸晶為主。

與其他試樣相比,由于較低的1200 W的功率參數,導致一次枝晶臂間距減小,其顯微組織相對更致密。這可以用下面的等式表示[7]:

(1)

式中,λ為一次枝晶臂間距;α為系數;η為激光吸收系數;P為激光功率;T為合金液溫;T0為基體初始溫度;k為材料熱導率;V為激光掃描速度;θ為激光掃描方向與凝固方向的夾角。因此λ將隨著P的增加而增加,這導致功率1200 W的涂層中的晶粒最為致密。

同時隨著功率的增大,熔覆層組織尺寸逐漸增大,組織趨向性也逐漸增強。晶粒的尺寸的大小不僅受晶粒形核和晶粒生長的影響,同時晶粒尺寸的大小也受功率參數的影響,可以用枝晶間距與胞晶間距來評價,其大小主要與熱輸入和激光掃描速度的比值有關,二者比值越大,枝晶間距與胞晶間距越大[8]。同等掃描速度下,激光功率越高熱輸入值越大晶粒尺寸自然也就越大。

晶粒取向受熔池強制對流和保護氣吹力和激光掃描方向等因素影響,如圖3(c1)頂部出現一種類似“太陽”的生長區域,晶粒取向沿中心向不同方向延展生長,可能是因為圓心是未熔覆的C276粉末,導致晶粒在凝固過程中受到影響,生長方向發生變化。

3.3 XRD分析

為了確定熔覆層中物相的結構和變化,對不同的熔覆層做XRD衍射檢測,結果見圖4。

圖4 涂層的X射線衍射圖

所測峰的d值與相應JCPDS卡的d值進行比較,證實涂層主要相是Ni-Cr-Co-Mo,同時與其標準衍射圖(PDF:35-1489)相比存在些許偏差。不同功率下熔覆層4個明顯衍射峰,強度大致一致,僅在功率1400 W時在衍射角43.401°衍射峰強度最高。不同試樣各衍射峰相對位置未出現明顯改變,衍射峰依次沿(111)(200)(220)(311)定向生長。由于C276粉末為鎳基低層錯能單相面心立方體結構,碳氮等間隙原子均位于晶胞八面體間隙中心,及面心立方晶胞的中心和棱邊的中點。Cr、Mo、Co等元素能夠置換Ni原子而形成置換固溶體,置換原子的存在也會引起點陣常數的改變,增加原子間的鍵合力使晶格產生畸變,降低堆垛層錯能。

3.4 EDS分析

涂層的SEM圖中還發現一種特殊現象,區域內存在凸起形狀和下方白色凹陷的形狀。為了研究兩者形成的原因以及內部的元素分布,進行EDS面掃分析,各元素分布如圖5。通過EDS譜圖可知:白色凹陷部分元素分布主要是Fe和Cr,可能是熔覆過程中熔覆層出現裂紋基體滲入到其中進而造成熔覆層出現部分凹陷現象。黑色凸起部分主要是在金屬凝固的過程中,熔池內溶質再分配,表現為Mo和W元素的偏析。元素偏析還可能會導致有害第二相的析出,影響熔覆層質量,導致性能降低。

圖5 激光功率結合界面元素分布

3.5 硬度性能分析

圖6可見顯微硬度分布存在三個區域:涂層區、過渡區和基體。四組試樣涂層硬度普遍都在150～300 HV范圍之間波動,說明涂層的顯微組織在整個區域是相對均勻的,對比A100基體的硬度降低大約1倍。硬度隨著功率的增加先變大后變小,且在功率參數1400 W時涂層整體硬度最佳。整個硬度曲線表現出在涂層區上下波動直至過渡區突增最終降低并穩定在一個范圍中。之所以出現曲線突增的走勢是因為在過渡區有大量的原位合成增強體,涂層中的Cr元素也會擴散到基體中與基體中的C元素形成Cr的硬質C化物,這都有效提升了硬度性能。激光熔覆快速加熱和冷卻中所產生的細晶強化也會對硬度性能產生影響,晶粒越細小,強化效果越好。這一關系可用Hall-Petch關系[9]表示:

圖6 不同功率下涂層的顯微硬度分布曲線

Re=R+Ksd-1/2

(2)

式中,Re是屈服強度;R是位錯移動的摩擦阻力;Ks是晶格阻礙強度系數;d是晶粒平均直徑。C276粉末中的C、Si、Ni等活性元素的加入提高了熱影響區域晶界的阻礙位錯運動能力,|Ks|值變大,一定意義上硬度也會變大。

3.6 耐蝕性能分析

根據電化學分析軟件擬合極化曲線(圖7)。可見:熔覆層的極化曲線形狀類似,且隨著功率參數的增加,腐蝕電位Ecorr在-500～-200 mV范圍內先增大后減小,且在P=1400 W時涂層具有最高的腐蝕電位,同時也具有最低的腐蝕電流,也意味著耐蝕性最強。因為腐蝕電位是反映金屬表面開始腐蝕的難易程度的腐蝕熱力學參數,而腐蝕電流是反映金屬表面腐蝕速度的腐蝕動力學參數[10]。低腐蝕電位的材料在沒有施加電壓的情況下更傾向于作為原電池的陰極,更容易由于失去電子而遭受嚴重的腐蝕,因此腐蝕電位越高耐腐蝕性越強,而腐蝕電流是指在腐蝕電位處的腐蝕電流密度,用來表征材料的腐蝕速率,腐蝕電流越低腐蝕速率越低耐蝕性越強。在1200 W涂層陽極溶解過程中出現明顯的“鈍化”狀態,這種現象具體表現為當施加的電勢超過Ecorr時,電極表面會隨著電勢的增加迅速進入激活狀態,促進電極表面的氧化反應,將離子形式的金屬釋放到NaCl電解質中。隨著電位的進一步增加,曲線增加趨勢緩慢最終達到一個比較穩定的值,電極進入一個比較穩定的腐蝕狀態。從活性狀態到相對穩定的腐蝕狀態的轉變與電極表面形成一層薄而致密的氧化膜密切相關,氧化膜將材料與電極隔離,大大延緩了金屬離子的釋放速度。因為C276粉末中存在大量Cr元素,Cr元素與氧反應形成致密的Cr2O3保護膜延緩涂層的腐蝕。