激光熔覆Fe基TiC涂层的组织与性能

王植，雷剑波，姜伟，孙亚娟，方艳，王云山



激光熔覆Fe基TiC涂层的组织与性能

王植，雷剑波，姜伟，孙亚娟，方艳，王云山

(天津工业大学激光技术研究所，天津 300387)

采用激光熔覆方法在45#钢基体上制备含TiC质量分数为20%~50%的Fe基TiC复合涂层。分别用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X线衍射(XRD)、显微硬度计、摩擦磨损机对熔覆层的微观组织、物相、硬度及耐磨性进行研究。结果表明：当TiC质量分数为30%时，涂层组织致密，TiC颗粒分布均匀、部分溶解、尺寸减小；涂层主要是由α-Fe固溶体，FeC，FeB，B4C，B4Si，Cr5B3，TiB以及未溶解的TiC等组成；当TiC质量分数为30%时，熔覆层平均维氏硬度为783.8，磨损率为45#钢基体的1/38。

激光熔覆；Fe基；TiC熔覆层；显微组织；硬度；耐磨性

自20 世纪90 年代以来，随着激光技术、计算机技术、CAD/CAM 技术以及机械工程技术的发展，金属零件激光增材制造技术在激光熔覆技术和快速成形技术基础上应运而生，迅速成为快速成形领域内最有发展前途的先进制造技术之一[1−3]。激光熔覆是一种重要的材料表面强化与加工技术，它是利用高能量密度激光束(104~106W/cm2)在金属表面辐照，通过迅速熔化、扩展和迅速凝固(冷却速度通常达到102~106℃/s )，从而显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能[4−6]。金属陶瓷复合材料涂层将金属的强韧性和良好的工艺性与陶瓷材料优异的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性有机结合起来，是目前最具发展潜力的一类激光熔覆材料[7]。激光熔覆Fe基合金层与基材成分相近，界面结合牢固，而且可降低成本，利用激光熔覆技术在钢基体表面制备高性能的Fe基合金涂层，已成为近年来国内外学者研究的热点之 一[8−9]。TiC陶瓷属面心立方晶型，具有密度低、熔点高、导热性能好、硬度大、强度高、弹性模量高、化学稳定性好、不水解、高温抗氧化性好、耐磨及耐腐蚀等优异的物理化学性能，激光熔覆金属基TiC陶 瓷涂层具有广阔的应用前景[10−13]。贺长林等[14]使用LWS-500YAG固体激光器，在718模具钢表面熔覆TiC与Ni60混合粉末，结果表明：当使用较低功率或较高的扫描速度时，熔覆层中出现了未熔化的TiC，功率较大和扫描速度较低时，TiC全部以树枝晶的形态从液态镍中析出；达到一定功率时，硬质相碳化物为从液态镍中析出的二次相，且当扫描速度较快时，熔覆层还会出现成分不均匀。王亮亮等[15]采用丝材复合−原位反应方式在球墨铸Fe中原位生成了一种TiC颗粒束增强体，制备出颗粒束增强铸Fe基整体复合材料，在1 138 ℃保温12 h，钛丝完全反应，原位生成碳化钛颗粒束，并且分布均匀。制备出TiC颗粒增强铸Fe基整体复合材料；王晓莉等[16]采用铸造与原位合成技术制备了TiC颗粒增强Fe基表面复合材料，发现Fe基TiC表面复合材料在 900℃氧化条件下具有优良的抗氧化性。目前，使用高功率半导体激光熔覆技术制备TiC颗粒增强金属基涂层的实验研究较少，而且现有的研究中涂层组织结构多出现气孔与裂纹。本文采用半导体激光熔覆系统在45#钢基体表面熔覆不同比例的Fe基合金粉末与TiC陶瓷粉末复合材料涂层，并对其各比例涂层的显微组织、成分、维氏硬度和耐磨性进行研究。

1 实验

基体材料为45#钢，加工成长×宽×高为100 mm×60 mm×10 mm的块体，熔覆材料为Fe基合金(FJ-17)粉末(成分如表1所列)与原位TiC陶瓷粉末，粉末粒度均为58~109 μm。基体表面经砂纸打磨去除氧化层，再使用乙醇与酒精清洗干净后，分别将含TiC陶瓷粉末质量分数20%，30%，40%和50%的Fe基合金与TiC粉末混合均匀后预置在基体表面，预置粉末厚度为1.5 mm。

表1 Fe基合金粉末成分

激光熔覆系统由DILAS3000W半导体激光器、西门子802D数控系统、激光器水冷机等组成。通过调试，本实验采用的工艺参数如下：激光输出功率3 kW、焦距为370 mm，扫描速度为8 mm/s，光斑尺寸5 mm×4 mm。

熔覆后所得的样品用DK77型电火花数控机床沿垂直于激光扫描方向切成长×宽×高为10 mm×10 mm×20 mm的金相试块，经砂纸打磨以及抛光后，用王水((HCL):(HNO3)=3:1)进行腐蚀。用HatchiS- 4800场发射扫描电镜观察熔覆层微观组织、用EDAX Genesis XM2能谱仪分析熔覆层的成分；用D/MAX- 2500型X线衍射仪分析熔覆层的物相；用DHV-1000型维氏数显显微硬度计测量激光熔覆横断面的硬度分布，加载载荷300 g，加载时间15 s。

选取组织致密的熔覆层，切割成长×宽×高为为12.3 mm×12.3 mm×19 mm试样，用丙酮清洗掉金属屑和油污后，分别用精确度为0.1 mg的电子天平称质量4次，取其平均值作为试样初始质量。在MRH-200型高速环块摩擦磨损试验机上进行磨损试验，实验条件为：载荷600 N，转速200 r/min，实验环境为干摩擦，磨损时间为900 s。试验结束后取下试样，丙酮清洗后，电子天平称质量4次，取平均值作为磨损后的质量。初始质量与磨损后的质量差即为试样磨损质量损失，并用GX51型金相显微镜对其磨损面形貌进行观察。

2 结果与讨论

2.1 熔覆层宏观形貌分析

当激光功率为3 kW，扫描速度为8 mm/s时，含TiC 20%~50%的Fe基TiC熔覆层层宏观形貌图如图1所示。

图1 熔覆层表面形貌

由图1可以看出：各熔覆层颜色普遍发黑，当TiC质量分数为20%时，熔覆层表面出现凹坑；当TiC质量分数为30%和40%时，熔覆层表面无凹坑，但出现相同流向的树枝状波纹；当TiC质量分数50%时，熔覆层表面则有较多较大凹坑。

2.2 不同质量分数TiC对熔覆层微观组织形貌的 影响

图2所示为含不同质量分数TiC的涂层截面微观组织形貌。在合金熔覆层中加入陶瓷颗粒的目的是提高其抗磨损性能，因此，希望加入的陶瓷颗粒在熔覆过程中尽量保持原来的形状与成分，同时与基体合金浸润，使合金材料与增强颗粒结合良好[17]。当TiC质量分数为20%时，涂层如图2(a)所示，可见涂层组织致密，涂层中的TiC颗粒尺寸较小，分布较为均匀，TiC颗粒周围呈圆胞状结构；当TiC质量分数为30%时，如图2(b)所示，涂层中TiC颗粒更为明显，分布均分，部分TiC颗粒溶解后呈鱼骨状，保持了TiC颗粒的原有成分，又使TiC颗粒与涂层内基体合金结合牢固；TiC质量分数为40%的涂层如图2(c)所示，涂层组织结构致密，但因为TiC含量较高，所以，TiC颗粒溶解较为明显；TiC质量分数为50%的涂层如图2(d)所示，涂层出现较多较深的纹路，纹源在TiC颗粒的周围，这是由于TiC颗粒未能很好地与Fe基粉末冶金结合，这样既不利于涂层的耐磨、耐腐蚀，也不利于基体与涂层的结合。可见，涂层中的TiC含量并非越高越好。

当TiC质量分数为30%时，熔覆层既具有良好的组织结构，又含有较高的陶瓷颗粒含量。图3(a)所示为TiC质量分数为30%时熔覆层组织截面图(在截面图上标注涂层所在位置及厚度)，图3(b)所示为熔覆层局部组织形貌图。由图3(a)可以看出，经过激光熔覆后得到的组织致密。由图3(b)可知，涂层中TiC颗粒间无明显枝晶。对图3(b)中的点进行EDS分析，结果如表2所列，该组织含Fe 27.20%，Ti 19.03%，C 22.84%，Cr 11.10%，由此可以确定点为部分熔解的TiC颗粒。除此之外，该组织还含有Na，Al，Si和O等元素，其中Na和Al可能是在进行腐蚀操作时残留的污染物。

2.3 不同质量分数TiC熔覆层的相组成

图4所示为Fe基TiC熔覆层的XRD谱。由图4可知：不同TiC质量分数的Fe基TiC熔覆层物相组成主要由α-Fe固溶体、TiC，碳化物硬质相和FeC等金属间化合物等物相组成；当TiC质量分数为20%时，熔覆层中物相有α-Fe固溶体，TiC，FeC和FeB；当TiC质量分数增加到30%时，熔覆层物相不仅有α-Fe固溶体、TiC和FeB，还出现新的硼和钛化合物硬质相；当TiC质量分数为40%时，熔覆层物相主要为碳化物硬质相；当TiC质量分数为50%时，TiC峰明显增多。Fe基TiC粉末在高能激光束作用下，TiC颗粒部分分解出Ti和C，与B，Si，Cr和Fe元素生成FeC，FeB，Fe2Ti，B4C和Cr5B3等多种硬质相，另一部分以TiC形式存在于熔覆层中。这些硬质相的存在可大幅提高熔覆层的硬度与耐磨性。

图2 不同TiC含量的Fe基TiC熔覆层截面显微组织

图3 30% TiC熔覆层截面宏观形貌

表2 30% TiC熔覆层EDS分析结果 (质量分数)

图4 不同TiC含量的熔覆层XRD谱

2.4 不同质量分数TiC熔覆层的显微硬度

图5所示为不同TiC含量的熔覆层硬度分布。从各图中的曲线走势可以看出，硬度分布规律明显，呈阶梯状分布。基体的显微维氏硬度约为160，不同TiC含量的Fe基TiC熔覆层显微硬度明显高于基体的显微硬度。从图5(a)，(b)和(c)可以看出：熔覆层中最高的硬度不是位于表面区，而是位于距表面区一定距离的亚表层，因为该区域具有最高的冷却速度[18−19]，熔覆层的组织形态受熔体中成分过冷度的影响[20]，该区域组织温度梯度较小，凝固速率大，/值小，故过冷度大，晶粒尺寸相对较细，具有最高的显微硬度。随层深增加，由于温度梯度增大和凝固速率降低，/增大，过冷度降低，晶粒尺寸逐渐变粗，显微硬度随之降低[21]。随TiC含量增加，由于熔覆层内TiC颗粒分布更加密集，平均显微硬度提高；当TiC质量分数为30%时，熔覆层平均维氏硬度为783.8，当TiC质量分数为40%时，平均硬度较(TiC)为30%时略有下降，这可能是因为当TiC质量分数增加到40%时，重新析出相的成分及含量有所变化，从而影响熔覆层整体硬度；当TiC质量分数为50%时，熔覆层平均维氏硬度明显升高，达到1 094，这是因为熔覆层组织结构中存在大量的未溶TiC颗粒。熔覆层结合区附近的显微硬度值明显低于熔覆层的硬度，这主要是基体对熔覆层具有一定的成分稀释所致。

图5 熔覆层硬度分布

2.5 耐磨性能

TiC质量分数为30%的熔覆层组织致密，TiC颗粒分布均匀，与熔覆层中的Fe基合金形成良好的冶金结合，故选用TiC质量分数为30%的熔覆层与基体作为摩擦磨损实验对象。表3所列为摩擦磨损前后质量平均值，由表3可见在相同的实验条件下TiC质量分数为30%的熔覆层磨损量为1.2 mg，磨损量占原试样的0.007%。而基体45#钢的磨损量为45.6 mg，磨损量占原试样的0.26%。TiC质量分数为30%的熔覆层磨损率为基体45#钢的1/38。

图6所示为质量分数为30%的Fe基TiC熔覆层磨损后不同区域形貌。由图6可见：磨损过程中，磨料在熔覆层表面以切削犁沟变形的方式产生磨损沟痕，熔覆层磨痕较细密，表面磨损基本一致，部分TiC颗粒裸露出来，对之后的摩擦起缓和作用，从而增强熔覆层的耐磨性。

表3 摩擦磨损前后质量平均值

图6 熔覆层磨损后不同区域形貌

3 结论

1) 当涂层TiC质量分数为30%时，与TiC质量分数为20%，40%和50%的涂层相比，该涂层组织结构最好，涂层无气孔、裂纹，涂层中TiC颗粒明显，分布均匀，部分TiC颗粒溶解后呈鱼骨状。

2) Fe基TiC熔覆层组织主要是由α-Fe固溶体，FeC，FeB，B4C，Cr5B3和TiB以及未溶解的TiC等组成，当TiC质量分数的增加到30%时，熔覆层物相不仅有α-Fe固溶体，TiC和FeB，还出现新的硼和钛化合物硬质相，这些硬质相的存在大幅提升了熔覆层的硬度与耐磨性。

3) 当TiC质量分数为30%时，熔覆层平均维氏硬度为783.8，磨损率为基体45#钢的1/38。

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(编辑 高海燕)

Microstructure and properties of Fe-based TiC laser cladding coatings

WANG Zhi, LEI Jianbo, JIANG Wei, SUN Yajuan, FANG yan, WANG Yunshan

(Tianjin Polytechnic University, Laser Engineering Center, Tianjin 300387, China)

Fe-based TiC coatings withTiC mass fraction of 20%−50% was deposited by laser cladding technology on 45#steel substrate. Scanning electron microscope (SEM), energy dispersive spectrometer(EDS), X-ray diffraction(XRD), microhardness tester, friction wear testing machine were used to investigate the microstructure, phases, microhardness and wear resistance of the coatings. The results show that when the coatings contain 30% TiC , the coating structure is compact, TiC particles in the coating are distributed uniformly and partly dissolve, and the size of TiC particle decreases. The coatings are mainly composed of α-Fe, FeC, FeB, B4C, B4Si, Cr5B3, TiB and undissolved TiC. Coating’s average microhardness is 783.8 and the rate of wear is 1/38 of 45 steel substrate when the contents of TiC is 30%.

laser cladding; Fe-based; TiC laser cladding coatings; microstructure; microhardness; wear resistance

TG665

A

1673−0224(2016)01−43−07

国家自然科学基金资助项目(61475117)；国家自然科学资金委员会与中国民用航空局联合资助项目(U1333121)；天津市应用基础及前沿技术研究计划项目(12JCQNJC02800)；天津市科技支撑重大专项(13ZCZDGX01109)

2015−01−23；

2015−03−24

雷剑波，副教授，博士。电话：13752185968；E-mail: ljbtj@163.com