Y2O3对原位自生NbC增强镍基复合涂层的影响

王永东， 李柏茹， 郑光海， 赵 霞

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150022)



Y2O3对原位自生NbC增强镍基复合涂层的影响

王永东， 李柏茹， 郑光海， 赵 霞

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150022)

为提高复合涂层的性能，采用氩弧熔覆的方法，以Q235钢为基体，制备含有一定稀土氧化物Y2O3的原位自生NbC增强Ni基复合涂层。运用 XRD、SEM等分析手段研究复合涂层的显微组织，利用显微硬度仪测试复合涂层的显微硬度，并测试了涂层的耐磨性能。结果表明: Y2O3的加入对熔覆层的组织起到明显的细化作用,改变了NbC颗粒的长大形态,组织趋于均匀。由于细晶强化和硬质相的析出作用，稀土加入复合涂层的显微硬度和耐磨性显著提高。

氩弧熔覆； 复合涂层； 稀土氧化物

0 引 言

熔覆技术是将涂覆在工件表面的预制层在热源下熔化，形成与基体性质不同，且有良好冶金结合的耐磨涂层，在工业中应用比较广泛[1-2]。在熔覆材料中，镍基合金涂层在熔覆技术中应用广泛[3-4]，其具有其良好的耐磨性、润湿性。稀土可以改善组织，提高材料的物理和化学性能，在冶金、铸造等领域得到广泛应用[5-7]。匡建新等[8]添加稀土CeO2利用激光熔覆方法制备金属基陶瓷涂层，发现涂层的磨损和界面抗开裂性能得到明显改善。K L Wang等[9-12]采用激光熔覆技术制备稀土镍基合金涂层，研究发现，添加稀土后晶粒细化比较明显，稀土加速涂层中枝晶的形成，减小枝晶间距，使组织更加致密。笔者在氩弧熔覆原位自生NbC陶瓷涂层中，加入一定量的稀土Y2O3氧化物，分析涂层组织和性能变化，以提高复合涂层的性能。

1 实 验

1.1 材料及试样制备

实验采用Q235钢为基材，表面打磨除锈，并用丙酮清洗干净。C粉、Nb粉、Y2O3粉、Ni60A粉末按照一定的比例配合好，然后在研磨钵中研磨均匀，在器皿中用胶水调成糊状，湿度适中，将混合好的粉末涂覆于基材Q235钢表面，涂覆好的试样放在空气中自然干燥24 h，然后在100 ℃的RT3-15-9型电炉中烘干2 h。最后，利用氩弧熔覆方法制备熔覆涂层。

1.2 方法

氩弧熔覆利用MW3000型数字式焊机，熔覆电流控制在120 A，熔覆速度约2.5 mm/s，氩气流量10 L/min左右，熔覆涂层的微观形貌采用MX2600型扫描电子显微镜(SEM)观察；涂层的相结构用RigakuD/max2200型X射线衍射仪(XRD)分析；显微硬度在MHV2000型显微硬度仪上测量，从涂层表面向基体测量，横向测量三点取平均值。利用MS-2A摩擦磨损试验机测量氩弧熔覆层的耐磨性能，对磨环为GGr15，加载200 N，时间40 min；磨损失重在SartoriusBS110电子天平称量。

2 结果与分析

2.1 氩弧熔覆复合涂层的微观组织

对氩弧熔覆原位自生NbC复合涂层的表面物相分析，结果见图1。对照PDF卡可知，两种成分复合涂层的相组成均为γ-Ni、Cr23C6和NbC(图1b)；两种复合涂层的NbC峰值很明显，表明熔覆层中有NbC相存在。但是加入稀土后NbC的衍射峰明显增强，说明稀土加入后有效的促进了NbC的形成。

图2a为未添加稀土复合涂层的扫描电镜形貌，图2b为添加稀土复合涂层的背散射组织形貌。对图2组织中不同物相进行能谱分析，结果见表1和2。从表1可以看出，图2a组织形貌中黑色形貌主要成分为Ni，蠕虫状物相主要成分为C和Cr，花瓣状形态的物相主要成分为C和Nb。结合图2a可以确定γ-Ni为黑色基体，Cr23C6为蠕虫状，花瓣状为NbC。从表2可以看出，组织形貌中灰色形貌富含Ni，灰色物相间的条状物相主要成分为C和Cr，白色颗粒相富含C和Nb。结合图2b可以确定灰色基体为γ-Ni，Cr23C6为长条状，白色颗粒状为NbC。

a 未加稀土

b 添加Y2O3

对比图2可以看出，添加稀土Y2O3后氩弧熔覆层中NbC颗粒相的密度明显增加，而且颗粒相尺寸和形貌发生变化，颗粒尺寸变小，长大形态从花瓣状变为粒状。分析主要原因是在氩弧熔覆过程中，添加稀土Y2O3后，由于γ-Ni晶界或NbC/Ni基体相界面处缺陷较多，所以稀土容易偏聚到此处，从而降低了整个合金系的熔点，同时陶瓷颗粒NbC不同部位表面自由能多有不同，尖角部位表面能较高，其他部位表面能较低，表面能高的部位不稳定，所以偏聚在NbC颗粒界面上的稀土会加速NbC表面的熔化及分解，使其不能沿着棱角某一方向进行长大，难以形成大的花瓣状。另外由于氩弧熔覆冷却速度极快，稀土的加入起到形核质点的作用，Nb与C原位合成反应生成NbC颗粒，在较低的过冷度条件下形成颗粒细小均匀的NbC颗粒。

a 未添加稀土

b 添加Y2O3

Fig. 2 SEM images of composite coatings with different composition

表1 图2a中不同物相的成分

表2 图2b中不同物相的成分

2.2 氩弧熔覆复合涂层的性能

两种成分复合涂层表层到基体的显微硬度分布曲线如图3所示。从图3中显微硬度的分布规律可以看出，氩弧熔覆层与基体比较具有很高的硬度，且从涂层表面到基体显微硬度缓慢降低。未添加稀土复合涂层的平均硬度 HV0.2约为1 00 MPa，添加稀土复合涂层平均硬度HV0.2约为1 20 MPa，添加稀土复合涂层的显微硬度在涂层表面和热影响区都比未添加稀土的显微硬度有所提高，而且显微硬度变化幅度较小，表现出较为稳定的变化趋势。主要原因是在熔覆涂层中加入稀土氧化物Y2O3后，整个涂层中原位自生的NbC颗粒相均匀细小的状态分布，组织比较致密，致使显微硬度分散度较小。另外，加入稀土中存在Cr23C6化合物，这些化合物和细小分布的NbC颗粒相使熔覆层的显微硬度大幅度提高，且高硬度区域不断扩大，最后显微硬度缓慢降低。

图3 不同成分复合涂层的显微硬度

Fig. 3 Microhardness of composite coatings with different composition

图4是复合涂层和基体材料在磨损实验中的磨损失重柱状图。由图4可见，氩弧熔覆后复合涂层的耐磨性较基体有很大提高，添加稀土氧化物的熔覆层的耐磨性比不添加稀土的好，m为磨损量。

图4 复合涂层和Q235钢的磨损量

Fig. 4 Wear weightlessness for Q235 steel and composite coating

图5为复合涂层的磨损表面形貌。从图5a可以看出，未添加稀土的复合涂层的表面有明显的磨痕和黏着特征，添加稀土后复合涂层的磨损表面只有轻微的划痕，如图5b所示。这是由于不添加稀土氧化物的熔覆层中NbC颗粒呈花瓣状，粗大且分布不均匀，陶瓷NbC相与金属基体界面不纯净，从而使其界面结合力薄弱，导致熔覆层容易在实验过程中较容易磨损；添加适量的稀土氧化物Y2O3的熔覆层，在熔覆涂层中起到形核质点作用，细化NbC颗粒相，使熔覆层中NbC颗粒较细密，均匀且圆滑，陶瓷相与基体结合良好，无缺陷。另外，稀土净化了NbC和金属基体的结合界面，而且熔覆层中的夹杂物降低，从而提高熔覆层的耐磨性。

a 未添加稀土

b 添加Y2O3

3 结 论

(1)Y2O3的加入，改善了复合涂层的显微组织，NbC颗粒从花瓣状变为粒状，分布均匀，颗粒细化。

(2)稀土加入后复合涂层的显微硬度和耐磨性得到明显提高。该研究可靠，能够应用于实践中。

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(编辑 晁晓筠 校对 王 冬)

Influence of Y2O3on in-situ NbC reinforced Ni-based composite coatings

WangYongdong,LiBairu,ZhengGuanghai,ZhaoXia

(School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This is paper is aimed at improving the performance of the composite coating in a effort to prepare in-situ NbC-reinforced Ni-based composite coatings with a certain amount of rare earth oxide(Y2O3) by applying argon arc cladding approach and using Q235 steel as substrate. The study works towards investigating the microstructure of composite coatings using XRD, SEM; and testing both the microhardness of the composite coating by micro hardness tester and the wear resistance of the coating. The results demonstrate that the addition of Y2O3contributes to a significant refinement in the cladding layers of tissue, changing the growth morphology of NbC particles, with a resulting uniform organization; fine grain strengthening and hard phase precipitation lead to a significant increase in the microhardness and wear resistance of rare earth-reinforced composite coating.

argon arc cladding; composite coating; rare earth oxides

2016-08-13

黑龙江省青年科学基金项目(QC2014C064)

王永东(1979-)，男，黑龙江省兰西人，副教授，博士，研究方向：材料表面改性,E-mail:wyd 04@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.05.012

TG174.44

2095-7262(2016)05-0528-04

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