等离子喷焊Mo-Fe-Cr-B合金覆层的组织性能研究

常智敏，潘应君，王 盼，柯德庆，黄 辽，李子豪

(武汉科技大学材料与冶金学院，湖北 武汉，430081)

等离子喷焊Mo-Fe-Cr-B合金覆层的组织性能研究

常智敏，潘应君，王 盼，柯德庆，黄 辽，李子豪

(武汉科技大学材料与冶金学院，湖北 武汉，430081)

采用等离子喷焊法在Q235钢表面熔敷一层Mo-Fe-Cr-B合金覆层，借助光学显微镜、SEM、EDS、XRD、显微硬度计及电化学工作站等对该覆层的组织结构及性能进行表征分析。结果表明，Mo-Fe-Cr-B合金覆层组织由均匀分布的α-Fe、Mo2FeB2、(Mo,Cr,Fe)3B2和(Cr,Fe)7C3等相组成；覆层与Q235钢基体形成良好的冶金结合，在熔合线附近存在元素的相互扩散；覆层显微硬度最高可达871HV0.3，其为Q235钢基体硬度的4倍；覆层耐腐蚀性能强于Q235钢及Ni60覆层。

等离子喷焊；合金履层；Mo2FeB2；显微组织；显微硬度；极化曲线；电化学腐蚀

硼化物系合金作为理想的覆层材料，因其优异的耐磨、耐腐蚀及耐高温性能，且与基体结合程度好、原料成本低而备受重视[1-2]。目前，普遍采用反应烧结法制备硼化物系合金覆层材料，该法所制覆层材料存在内部孔隙过多、孔隙度大等问题[3-6]。等离子喷焊法是一种能够有效改善材料表面性能的表面处理技术，具有喷焊覆层厚度及宽度可控、与基体冶金结合良好、操作自动化及生产成本较低等特点，近年来引起业界普遍关注[7-8]。为此，本文采用等离子喷焊法在Q235钢表面试制Mo-Fe-Cr-B合金覆层，并分析研究该覆层的组织及性能特点，以期为硼化物系合金覆层材料的制备工艺优化及推广应用提供参考。

1 实验

1.1 实验材料及设备

实验采用Q235钢为基体材料，切割成尺寸为50 mm×30 mm×10 mm的长方体试样，其化学成分如表1所示。

制备Mo-Fe-Cr-B合金覆层所需的原料粉末包括：Mo粉(分析纯，粒度3～5 μm)、FeB粉(化学纯，粒度8～10 μm，w(B)为19.7%)、羰基Fe粉(分析纯，粒度2～3 μm)、Cr粉(化学纯，粒度5～8 μm)及C粉(纯度大于99.55%，粒度3～5 μm)，其成分配比如表2所示。

表1 Q235钢的化学成分(wB/%)

表2 Mo-Fe-Cr-B合金原料粉末组成(wB/%)

喷焊实验采用DPT100型等离子喷枪(钨针直径为2.4 mm)、400 A等离子喷焊电源、送气控制系统和MDS-3型堆焊送粉器等设备。

1.2 实验过程

喷焊前对Q235钢基体表面进行机械加工，保证其表面粗糙度Ra<0.6 μm，然后预热至300 ℃；原料粉末在干燥箱内经200 ℃保温1 h后按照预设的等离子喷焊工艺参数(如表3所示)进行喷焊试验，在Q235钢基体表面制备厚度为5 mm的喷焊覆层。喷焊过程中喷枪与基体平面保持垂直，并通氩气保护。

表3 等离子喷焊工艺参数

1.3 分析与检测

分析试样取自等离子喷焊所得覆层横截面部位，在多功能ZEISS Axio Plan2型金相显微镜(OM)下观察试样金相组织；借助X’Pert PRO MPD型X射线衍射仪(XRD)对覆层进行物相分析；利用 Nova 400 Nano型场发射扫描电子显微镜(SEM)及其附带的能谱仪(EDS)对覆层显微组织及成分进行表征与分析；使用HX-500型显微硬度计测定试样显微硬度；采用武汉科思特CS-300系列电化学工作站分别测量Mo-Fe-Cr-B覆层、Q235钢及Ni60覆层在5%NaCl溶液中的极化曲线并进行对比分析，其中Ni60覆层是柯德庆等采用等离子喷焊法制备的Ni-Cr-B-Si系镍基自熔性合金覆层[9]。

2 结果与分析

2.1 等离子喷焊覆层的组织及物相分析

等离子喷焊覆层同Q235钢基体结合界面附近的微观组织形貌如图1所示。从图1中可以看出，覆层与Q235钢基体结合状况良好，结合处无明显裂纹及孔洞；覆层中组织分布均匀且无气孔、咬边及裂纹等宏观缺陷。

图1 结合界面处的微观组织形貌

图2为等离子喷焊覆层的XRD图谱，物相分析显示该覆层组织由Mo2FeB2、α-Fe、(Mo,Cr,Fe)3B2和(Cr,Fe)7C3等相构成，其中Mo2FeB2相的衍射峰最强，表明该物相在覆层组织中所占比例较大。

等离子喷焊覆层显微组织如图3所示。从图3中可见，白色基体上均匀分布着尺寸较大的黑色颗粒，其中部分黑色颗粒聚集在一起；黑色颗粒周围存在一些灰色共晶组织；白色基体上还分布着许多尺寸较小的黑色球形颗粒。

图2 等离子喷焊覆层的XRD图谱

图3 等离子喷焊覆层显微组织

图4为等离子喷焊覆层SEM照片，在视场中选取3个具有代表性的测试点进行EDS分析，结果如表4所示。由于B、C等轻元素偏差较大，故未将其计算在内。

测试点1所对应的尺寸较大颗粒中Mo、Fe原子数比例接近2∶1，结合XRD物相分析结果，该处应为Mo2FeB2相。在等离子喷焊过程中，B、Mo原子及其它原料在高温条件下经原位反应形成Mo2FeB2硬质相；测试点2处Mo、Fe原子比为10∶7，略低于Mo2FeB2相中Mo、Fe原子数比例，表明该处为M3B2共晶组织，其中M由Cr、Fe、Mo组成。M3B2共晶组织的形成是因为覆层中的α-Fe相在形成过程中对B元素有排斥效应，而在Mo2FeB2相形成过程中硬质颗粒周围Mo与B元素浓度很高且Mo与B有很强的亲和力，因此在α-Fe晶界处易形成M3B2共晶组织。M3B2共晶组织的形成对喷焊覆层起到了支撑和强化作用，有利于提高覆层的硬度和耐磨性；测试点3所对应的为覆层中的黏结相，对其进行局部元素扫描，结果显示其相组成主要为α-Fe相，Mo、 Cr作为强铁素体形成元素固溶于α-Fe体心立方晶格中形成固溶强化，同时尺寸细小的M7C3碳化物颗粒弥散分布在黏结相中形成弥散强化，共同增强了等离子喷焊覆层的性能[10]。

图4 等离子喷焊覆层的SEM照片

Table4EDSanalysisresultsofplasmasprayingweldingcoating

测试点wB/%MoFeCr xB/%MoFeCr134.509.493.4360.3928.5411.07228.7912.024.4549.9335.8314.2434.0535.264.2710.3483.755.91

2.2等离子喷焊覆层与基材结合界面区域分析

图5为等离子喷焊覆层同Q235钢基体结合界面的微观形貌及界面区域Mo、Fe、Cr等元素的线扫描图谱。线扫描结果表明，Mo、Fe、Cr元素含量从Q235钢基体一侧到等离子喷焊覆层一侧发生明显变化，中间存在一个元素浓度变化过渡区。

图5 结合界面SEM照片及EDS线扫描图谱

Fig.5SEMimageandEDSlinearscanningspectrumofthebindinginterface

这个过渡区的形成主要是因为在等离子喷焊过程中Q235钢基体温度迅速升高，基体与喷焊覆层结合界面上的Fe原子能量增加从而开始向覆层侧扩散，此时覆层处于熔融状态，其中的Mo、B、Cr原子浓度很高，在浓度梯度的作用下沿着液相界面向Q235钢基体侧扩散。随着元素扩散不断进行，扩散层持续长大[11]，待温度降低后即形成具有元素浓度梯度的过渡层，使等离子喷焊覆层与Q235钢基体之间产生牢固的冶金结合。

图6 为等离子喷焊Mo-Fe-Cr-B合金覆层的显微硬度曲线。从图6中可见，在熔合线喷焊覆层一侧，硬度值分布均匀，并未随着距离的增加而发生大的突变，这表明Q235钢基体同覆层结合后对覆层组织影响不大。覆层的硬度介于790～871HV0.3之间，远高于Q235钢基体硬度，这也间接表明喷焊覆层具有良好耐磨性。

图6 等离子喷焊覆层显微硬度曲线

Fig.6Microhardnesscurvesofplasmasprayingweldingcoating

2.3 极化曲线分析

图7为等离子喷焊Mo-Fe-Cr-B合金覆层、Q235钢及Ni60覆层在5%的NaCl溶液中进行电化学腐蚀实验所测得的极化曲线图。

图7 不同材料的极化曲线

对极化曲线进行塔菲尔曲线拟合后得出，Mo-Fe-Cr-B覆层的自腐蚀电流密度为1.00014×10-6A/cm2，Q235钢的自腐蚀电流密度为1.38386×10-5A/cm2，Ni60覆层的自腐蚀电流密度为4.260 15×10-6A/cm2，可见Mo-Fe-Cr-B覆层的自腐蚀电流密度最小，表明其耐腐蚀性最好。这是因为Mo-Fe-Cr-B覆层中的主要组分Mo2FeB2相是具有U3Si2四方型结构的离子晶体，离子键中无自由电子且离子对外层电子束缚力大，所以在电化学腐蚀过程中Mo2FeB2相颗粒表现稳定，不易被腐蚀，从而使覆层表现出良好的耐腐蚀性能。在Q235钢表面等离子喷焊一层Mo-Fe-Cr-B合金覆层可以在一定程度上提高Q235钢的耐腐蚀性能，延长其使用寿命。

3 结论

(1)采用等离子喷焊法在Q235钢表面制备Mo-Fe-Cr-B合金覆层，覆层组织由均匀分布的α-Fe、Mo2FeB2、(Mo,Cr,Fe)3B2和(Cr,Fe)7C3等相构成。覆层与Q235钢基体熔合处无气孔、夹杂、裂纹等缺陷，形成非常好的冶金结合，结合界面附近Fe、Mo、Cr等原子相互扩散形成一定厚度的过渡层。

(2)Mo-Fe-Cr-B覆层的显微硬度最高可达871HV0.3，且硬度分布均匀，远高于Q235钢基体硬度。

(3)Mo-Fe-Cr-B覆层的自腐蚀电流密度小于Q235钢及Ni60焊层相应值，表明其耐腐蚀性能更强。

[1] Lavernia E J，Wu Y. Spray atomization and deposition[M].New York：John Wiley and Sons,1996:338.

[2] 承新，郑勇，于海军，等. 三元硼化物基金属陶瓷的研究进展[J]. 材料导报, 2007，21(7)：52-54.

[3] 赵正，刘福田，李文虎. 金属陶瓷覆层材料界面结合层的研究[J]. 粉末冶金技术，2008，26(2)：111-114，120.

[4] 张恒，潘应君，柯德庆，等.热处理对Fe-Mo-Cr-B堆焊合金组织的影响[J].武汉科技大学学报，2016，39(3)：180-184.

[5] 李文虎，刘福田.原位反应制备Mo2FeB2基金属陶瓷烧结过程热力学分析[J].粉末冶金技术，2010，28(3)：192-195.

[6] Leithe-Jasper A，Klesnar H，Rogl P，et al.(M(M=Mo，W)-Fe-B)三元系状態図の1323K等温断面の検証[J].日本金屬學會誌，2000，64(2):154-162.

[7] 潘应君，温玉磊，刘绍友,等.金属陶瓷-钢覆层材料制备及其界面表征[J].武汉科技大学学报，2009， 32(5)：483-486.

[8] 姜银方，王宏宇.现代表面工程技术[M].北京：化学工业出版社，2014.

[9] 柯德庆，潘应君，童向阳.纯铜表面等离子喷焊Ni60涂层组织及性能的研究[J].表面技术，2013,42(4)：91-93.

[10] 潘应君，徐金龙，周青春. Mo2FeB2金属陶瓷-钢覆层材料的制备及性能研究[J]. 热加工工艺，2007， 36(2)：1-3，6.

[11] Wei X，Chen Z G，Zhong J，et al. Feasibility of preparing Mo2FeB2-based cermet coating by electrospark deposition on high speed steel[J]. Surface & Coatings Technology，2016，296：58-64.

[责任编辑沈冬冬]

MicrostructureandpropertiesofMo-Fe-Cr-Balloycoatingbyplasmasprayingwelding

ChangZhimin,PanYingjun,WangPan,KeDeqing,HuangLiao,LiZihao

(College of Materials Science and Metallurgical Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

The Mo-Fe-Cr-B alloy coatings were prepared on the surface of Q235 steel by plasma spraying welding, then characterized and tested by optical microscope, scanning electron microscope, energy dispersion spectrum, X-ray diffractometer, microhardness tester and electrochemical corrosion work station. The results show that the Mo-Fe-Cr-B alloy coatings consist of α-Fe, Mo2FeB2, (Mo,Cr,Fe)3B2and (Cr,Fe)7C3, which are evenly distributed. Favorable metallurgical coalescent has formed between the Mo-Fe-Cr-B alloy coatings and the Q235 steel substrate with elements diffusion at the interface. The Mo-Fe-Cr-B alloy coatings have the maximal microhardness of 871HV0.3, about four times that of Q235 steel. Corrosion resistance of the Mo-Fe-Cr-B alloy coatings is also better than that of Q235 steel and Ni60 coatings.

plasma spraying welding; alloy coating; Mo2FeB2; microstructure; microhardness; polarization curve; electrochemical corrosion

TG148

A

1674-3644(2017)06-0428-04

2017-09-13

武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室青年基金(2016QN18)；武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室开放基金(FMRUlab17-7).

常智敏(1993-)，男，武汉科技大学硕士生.E-mail：470713499@qq.com

潘应君(1965-)，男，武汉科技大学教授，博士生导师. E-mail：hbwhpyj@163.com

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.06.005