激光熔覆含氮双相不锈钢涂层试验研究*

2021-01-12计东生彭如恕

机械研究与应用 2020年6期

计东生，彭如恕

(南华大学机械工程学院，湖南衡阳 421001)

0 引言

双相不锈钢(DSS)是一种含铁素体(α)和奥氏体(γ)双相组织的材料，因其具有优异的力学性能和耐腐蚀性能[1,2]，被广泛应用于石化、天然气、化工、造纸、化肥、核电、烟气脱硫、环保、建筑、海洋工程、海水淡化、深海油气开采、船舶装备等腐蚀环境苛刻的领域[3]。双相不锈钢具有明显高于奥氏体不锈钢的强度和抗氯化物应力腐蚀能力，同时还有良好的塑性和韧性[1]。氮元素的加入可以降低钢中铁素体的含量，促进奥氏体形核，对两相体积分数起到调控作用[4]。其中铁素体影响其强度和耐腐蚀性能，而奥氏体影响延伸性和耐均匀腐蚀性能[5]。激光熔覆技术是在碳钢、不锈钢、有色金属等金属基体上制备复合涂层的一种有效方法，具有热影响区小，热变形小，涂层与基体结合好，涂层组织细化，工艺过程易于实现自动化等优点，引起了人们的广泛关注[6]。

笔者针对316L不锈钢表面硬度低和耐磨性能较差的不足，提出采用激光熔覆技术，在316L不锈钢表面熔覆含氮双相不锈钢涂层，对比分析了涂层和基体的硬度和耐磨性能。有效提高了316L不锈钢的表面硬度和耐磨性能。

1 实验材料及方法

1.1 试样制备

实验粉末采用含氮双相不锈钢粉末，实验基体采用316L不锈钢，化学成分如表1所列。实验之前，所有材料在50 ℃烘箱中12 h，以待使用。

表1 基体及激光熔覆粉末化学成分(%)

实验采用侧向同轴送粉和水冷系统的FL-1500 1.5 kW光纤激光器，在流量为9 L/min的高纯度N2(99.999%)保护气下进行激光熔覆处理，激光功率密度为480 W/mm2，扫描速度为480 mm/min，搭接率为50%，送粉率为4.5 g/min。

1.2 试验方法

使用XD-3X射线衍射仪(XRD)分析涂层的相组成；采用光学显微镜观察试样的金相组织。使用HVS-1000AV显微硬度计测得显微硬度分布；通过球-盘式HT-1000摩擦磨损试验机进行耐磨性能试验，对磨球为5 mm直径Si3N4陶瓷球，时间为30 min，载荷为5 N，摩擦半径为3 mm，转速为560 r/min，并用自带的表面轮廓仪测量摩擦后的磨痕深度与磨损体积，并对其磨损量进行分析计算。

2 结果与讨论

2.1 涂层物相分析

图1为涂层XRD图谱，由图可见含氮双相不锈钢涂层未出现明显的有害相衍射峰，且相组成为奥氏体(γ)和铁素体(α)双相组织。

图1 涂层XRD图谱

2.2 显微组织与形貌

图2为含氮含氮双相不锈钢涂层显微金相图。由图2(a)可知，涂层与基体形成了良好的冶金结合，无裂纹出现；由图2(b)可知，涂层组织分布均匀，相界分明。氮元素是一种强奥氏体元素，在双相钢中加入氮元素可以促进奥氏体的形成，图中奥氏体形貌为大的块状或长条状相连的状态。

图2 显微金相图

2.3 显微硬度

图3为试样截面显微硬度分布曲线。由图3可知，涂层硬度(290 HV0.2)比基体硬度(175 HV0.2)高115 HV0.2。涂层中铁素体的存在使得涂层硬度高于基体，同时氮元素以固溶强化的方式，进一步增强了不锈钢的力学性能[4]。由于激光熔覆具有快热快冷的特性，熔覆时熔池温度高，在结合区的基体部分会形成热影响区，使结合区基体的硬度发生变化，从而导致结合区基体硬度分布变化距离较长。

图3 截面显微硬度分布

2.4 耐磨性能

图4为基体和涂层磨损表面轮廓图。由图4可测得涂层和基体的磨损量分别为0.0581 mm3和0.1294 mm3。通过公式(1)计算得涂层磨损率为3.67 × 10-5mm3/(N·m)，基体磨损率为8.18 × 10-5mm3/(N·m)，涂层的耐磨性是基体的2.23倍。材料的磨损率与材料的硬度成反比，涂层的磨损率低于基体可以归因于涂层较高的显微硬度。

(1)

式中：V为磨损量，mm3；F为载荷，N；S为磨损路径，m。

图4 磨损表面轮廓

图5为磨损形貌SEM图。由图5(a)可知，涂层表面出现了塑性变形、犁沟和块状剥落。由于激光熔覆快冷快热的特性，涂层内有很大的残余应力，而在摩擦磨损过程中，涂层表面经受外法向正压力的作用，内应力的集中在表层薄弱处引起微小裂纹，裂纹逐渐扩展并发生断裂，产生较大的块状和部分粉末状磨屑。主要磨损机理为粘着磨损和磨粒磨损[7]。

由图5(b)可知，基体表面出现了塑性变形、犁沟和团聚的磨屑。由于对磨球的硬度远大于基体，在摩擦过程中，对磨球表面的微凸体产生了显微切削作用，涂层表面微凸体受到塑性变形或断裂而产生粉末状和块状磨屑，这些磨屑嵌入摩擦表面形成三体磨粒磨损加剧摩擦。主要磨损机理表现为严重的粘着磨损和磨粒磨损[8]。