激光熔覆TiC/316L复合材料组织及性能

2020-10-12肖玥张元好

湖北汽车工业学院学报 2020年3期

肖玥，张元好

（湖北汽车工业学院材料科学与工程学院，湖北十堰442002）

不锈钢材料在日常生活和工业发展中有着十分重要的地位［1-2］，其中316L 不锈钢因具有无磁性、抗腐蚀性、高延展性、抗蠕变、良好焊接性以及生物相容性等优点［3-4］，广泛应用于航空航天、石油、化工、机械、医疗、食品等众多领域［5-6］。然而，316L 不锈钢的强度和硬度比较低，在服役条件越来越苛刻的背景下，其性能越来越难以满足人们的需求，这促使人们去改善、增强316L不锈钢材料的性能。316L 不锈钢属于奥氏体不锈钢，在加热和冷却过程中不发生相变，所以不能通过热处理的方法来调整材料的组织、改变材料的力学性能［7］。人们结合材料复合化思路，将低密度、高强度和高硬度的陶瓷颗粒作为增强体加入到不锈钢基体中，不仅保留了不锈钢基体良好的韧性和耐腐蚀性能，还降低了不锈钢材料密度，提高了硬度，改善了强度。Zifei 等［8］利用高温自蔓延技术和原位生成法制备了5%TiC 增强不锈钢复合材料，与基体材料相比，抗拉强度由416 MPa增至854 MPa，屈服强度有322 MPa增加至714 MPa。蔺绍江［9］利用粉末冶金法制备TiC/316L 复合材料，研究发现，当TiC 质量含量为10%时,复合材料表现出最高的抗拉强度，达到655.3 MPa。TiC 是典型的NaCl 型面心立方，是一种十分稳定的间隙化合物。TiC具有低密度、高熔点、高硬度、高化学稳定性和耐磨耐腐蚀性等优点，尤其是与不锈钢的化学相容性好［10-11］。文中以TiC颗粒和316L不锈钢粉末为原料，通过激光熔覆技术，采用同轴送粉制备TiC颗粒增强316L不锈钢复合材料，并研究其性能。

1 实验部分

1.1 实验材料

采用316L 不锈钢粉末和TiC 陶瓷颗粒为原材料制备TiC/316L复合材料。316L不锈钢粉末购自敬业集团有限公司，尺寸为75～150 μm，圆整度较好，如图1a所示。TiC颗粒购自株洲华斯盛高科有限公司，尺寸为75～120 μm，颗粒形状和尺寸相对均匀，如图1b 所示。316L 不锈钢粉末主要化学成分见表1，TiC 颗粒的部分物理性能参数如表2 所示。用316L不锈钢板做成形平台，尺寸为100 mm×50 mm×15 mm，用砂纸打磨表面至光洁平整，并用丙酮及酒精清洗表面，去除油污和杂质。

图1 316L粉末和TiC颗粒形貌

表1 316L不锈钢的化学成分

表2 TiC部分物理性能参数

1.2 实验方法

实验前将316L粉末和TiC颗粒充分烘干，分别放入双桶送粉器的2 个送粉桶中。激光熔覆系统主要包括中央控制系统、激光系统、冷却水系统、ABB 机器人系统、送粉器和保护气瓶。中控系统自主搭建。激光器为Laserline公司的LDF3000-60型半导体型激光器，最大功率为3 kW。送粉器有2个独立送粉桶，在氩气气压下将粉末送入熔覆头，通过调节送粉器的转速可改变送粉量。实验前期对工艺参数进行优化，确定激光功率为500 W，扫描速度为10 mm·s-1，送粉速率为0.3 r·min-1；激光光斑为圆形光斑直径为2.5 mm，激光熔覆头下沿距熔覆平台13 mm，激光垂直于成形平台，搭接率为40%，相邻2层激光初始扫描方向成90°。

实验过程中，通过调节送粉器的转速配比，改变TiC 颗粒在复合材料中的体积分数（0%，3.33%，6.67%，10%，13.33%，16.67%），制备出6个样品，尺寸为45 mm×40 mm×4 mm。按GB/T 22—2002用线切割将样品制备成拉伸试样，如图2 所示，采用CMT5205 型拉伸试验机对试样进行拉伸试验。采用CV-400DAT型显微硬度计测量材料的硬度。采用2T00型X射线衍射仪对实验材料和实验样品进行物相分析。采用日本电子6510型扫描电子显微镜，观察熔覆层微观组织并进行能谱（EDS）分析。

图2 拉伸试样图

2 实验结果和分析

2.1 实验结果

1）抗拉强度复合材料的抗拉强度与TiC体积分数的变化关系如图3a 所示：复合材料的抗拉强度随TiC 体积分数的增大先增大后减小；在TiC 颗粒体积分数为6.67%时达到最大，随后开始减小，最后抗拉强度低于纯316L粉末熔覆材料。由此可见，增强相颗粒TiC对复合材料有2个方面的影响。在TiC体积分数由0%到6.67%的过程中，TiC/316L复合材料的抗拉强度由582 MPa 增加至675 MPa，抗拉强度增加了15.98%，说明此阶段TiC颗粒对复合材料有强化作用；但在TiC 颗粒体积分数由6.67%增大到16.67%的过程中，抗拉强度在不断减小，甚至低于纯316L不锈钢熔覆组织。

2）延伸率复合材料的延伸率与TiC含量的变化关系见图3b，延伸率随TiC含量的增加而不断降低。增强相TiC 颗粒加入到基体中会对位错起钉扎作用，在塑性变形过程中会阻碍位错的移动，在硬质相颗粒处形成高位错密度区域，形成裂纹，使塑性变形过程终止。宏观表现为延伸率下降。

3）硬度复合材料的硬度与TiC含量的变化关系如图3c所示，复合材料的硬度随TiC含量的增加而不断增大。这是因为TiC 颗粒本身具有高硬度的特性，同时作为硬质增强相，有第二相强化的作用。复合材料中的Cr、Ni 元素和部分Ti、C 元素会形成一定的固溶［12］，也会产生部分固溶强化。

图3 TiC体积分数与抗拉强度、断裂应变和硬度的关系

图4 拉伸试样断口形貌

4）拉伸试样断口形貌根据拉伸试验抗拉强度的变化规律，选取TiC 体积分数为0%、6.67%和13.33%典型试样进行断口形貌观察，如图4所示，3个拉伸试样断口的基体材料均呈现出等轴状韧窝，且韧窝大小相对均匀。这是因为激光熔覆是激冷激热过程，熔池在凝固过程中有着很大的过冷度，大部分晶粒都来不及长大，所以形成的晶粒相对细小且均匀。图4a是316L熔覆试样拉伸断口的宏观形貌，整个断口呈现出韧窝状。图4b 是6.67%TiC的TiC/316L复合材料断口宏观形貌，与图4a相比，可以观察到明显的较大深孔洞，这是TiC颗粒拉伸断裂后脱落留下的孔洞。图4c 是13.33%TiC 的TiC/316L复合材料断口宏观形貌，在断口处可以明显观察到大颗粒TiC。在拉伸应力的作用下，TiC/316L 复合材料将产生塑性变形，位错在滑移的过程中会遇到硬质相TiC 颗粒，使滑移受阻，出现位错塞积，形成高应力区，继而扩展成裂纹。裂纹在TiC 颗粒与基体之间产生时，断裂时就会伴随着TiC 颗粒的脱落留下孔洞，如图4b 所示。TiC 含量过高时会出现大颗粒TiC，当集中应力超过TiC 强度时会出现TiC 颗粒的破碎，此时断裂后TiC 颗粒将有部分裸露出来，如图4c所示。

2.2 结果分析

对熔覆层进行XRD 衍射分析，如图5 所示。图5a是316L衍射图谱，可以看出（Fe,Ni）固溶体的衍射峰最强，证明基体中有大量的（Fe,Ni）固溶体相，这是因为Fe 和Ni 的原子半径分别为1.27 Å 和1.24 Å，两者的电负性分别为1.83 和1.9，两者有着相似的电负性和原子半径，在激光熔池中两者极易结合成为物相［13］。图5b是TiC/316L复合材料熔覆层衍射图谱，最强峰依旧是（Fe,Ni）固溶体，同时添加TiC 颗粒后，也存在着TiC 相。结合2 种图片可以看出，除了（Fe,Ni）固溶体相和TiC 增强相外，XRD 衍射图谱中没有其他明显的衍射峰，说明没有其他明显的新相或者新相的量极少。综合得出，熔覆层中的主要物相为（Fe,Ni）固溶体和TiC。

图5 熔覆层XRD图谱

经过TiC 颗粒的线扫描图如图6 所示，可以看出，经过TiC 颗粒时Ti 元素含量渐变上升，Fe 元素和Cr元素均是渐变下降。由此可知，在TiC颗粒与316L之间的界面处，存在Ti元素和Fe、Cr元素的互相扩散。TiC颗粒在基体中有良好的润湿性。

图6 线扫描元素分布图

对TiC/316L 熔覆层进行EDS 面扫描，结果如图7所示。在熔覆层中均匀弥散分布着许多TiC颗粒，会形成弥散强化。细小的TiC颗粒分布于晶界处，会阻碍晶粒的长大，尤其是阻碍枝晶的生长，从而细化晶粒，形成细晶强化。塑性变形时，硬质相TiC颗粒会对位错造成钉扎作用，位错难以切割这些颗粒且穿越晶界需要更大的能量，从而使变形抗力增加，形成位错强化。这些强化机制的共同作用使材料的抗拉强度得到提升。