SiC增强Ni35合金激光熔覆层的组织和性能

2021-09-29李新梅王松臣

机械工程材料 2021年9期

柴程，李新梅，王松臣，王根

(新疆大学机械工程学院，乌鲁木齐 830046)

0 引言

激光熔覆技术是一种用高能激光束照射基体表面涂覆的粉末，使粉末与基体表层快速熔化形成涂层，从而改善材料表面性能的表面处理技术[1]。该技术具有熔池升温快，基体热影响区小、热变形小，涂层表面成形良好[2]以及可实现大型复杂零部件的局部区域表面处理等优点。

为了提高激光熔覆层的耐磨和耐腐蚀性能，学者们通常在铁基、镍基和钴基等合金粉末中添加WC、TiN和TiC等增强材料[3-4]。镍基陶瓷涂层是以镍基合金粉末为黏结相、陶瓷粉末为增强相制备得到的涂层。常用的镍基合金粉末有Ni60、Ni60A、Ni45和Ni35合金等，陶瓷粉末有Al2O3、Ti2O、WC和SiC等。其中，SiC因具有硬度高，热膨胀系数小，耐磨、耐腐蚀性能优异以及抗高温氧化性能良好等优点而得到广泛应用[5]。井振宇等[6]在45钢表面制备了质量分数11%WC增强Ni35合金涂层，发现该涂层的组织均匀、硬度高、耐腐蚀性能好。张维平等[7]在45钢表面制备了SiC/钴基合金复合涂层，发现该涂层的硬度约为基体的4倍，耐磨性能较基体提高。

低功率(1 000～1 500 W)激光熔覆是一种能减小热影响区尺寸、降低熔池稀释率、提高能量有效利用率的熔覆方法。目前，在低功率激光熔覆SiC/镍基合金复合涂层组织与性能方面的研究较少。作者在不同低激光功率和不同激光扫描速度下采用激光熔覆方法制备了质量分数20%SiC增强Ni35合金熔覆层，确定了最佳激光功率和激光扫描速度，并研究了最佳工艺下熔覆层的组织和性能。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

熔覆材料为粒径50～100 μm的球状Ni35合金粉末和SiC粉末。Ni35合金粉末的化学成分(质量分数/%)为10.3Cr，3.5Si，2B，10Fe，0.3C，余镍。基体材料为尺寸150 mm×60 mm×8 mm的45钢板，用600#砂纸打磨掉基体材料表层的氧化皮，再用丙酮清洗干净后，放入100 ℃干燥箱中干燥1 h，待用。

在Ni35合金粉末中添加质量分数20%的SiC粉末，放入100 ℃干燥箱中干燥1 h后，在KQM型行星式球磨机上以400 r·min-1转速球磨混合2 h。在球磨后的粉末中添加质量分数为3.5%的聚乙烯醇溶液，充分搅拌后将浆料涂敷在基体表面，涂覆厚度为0.8 mm，然后在100 ℃干燥箱中干燥2 h。采用YLS-2000型光纤激光器在氮气保护下进行单道次熔覆试验，激光束直径为2 mm，激光功率分别为1 000，1 200，1 400 W，激光扫描速度分别为6，8，10 mm·s-1。

1.2 试验方法

使用电火花线切割机垂直于熔覆方向切取截面试样，经磨抛，用王水(HCl与HNO3体积比为3…1)腐蚀20 s后，采用4XC-I型光学显微镜观察显微组织。采用HXD-1000TB型显微维氏硬度计测试涂层截面硬度，沿层深方向每隔0.15 mm取点测试，载荷200 N，加载时间15 s，测3点取平均值。采用D8 Advance型X射线衍射仪(XRD)对涂层进行物相分析，采用铜靶，测试范围为20°～90°。在M-2000型环块式摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验，试样平面尺寸均为31 mm×7 mm，对磨材料为淬火45钢，载荷为60 N，转速为180 r·min-1，磨损时间为60，120 min。采用TG328G型电子天平称取磨损前后试样的质量，计算磨损质量损失。采用VHX-5000型超景深显微镜观察磨损表面的磨痕形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 宏观形貌

由图1可以看出：激光功率相同时，扫描速度的变化对单道熔覆层的宽度影响很小；扫描速度相同时，随着激光功率的增大，单道熔覆层的宽度增大。

图1 不同激光功率和扫描速度下单道熔覆层的表面宏观形貌Fig.1 Surface macromorphology of single-channel cladding layer at different laser power and scanning speeds

不同参数下单道熔覆层的表面成形质量均较好，无明显裂纹缺陷，说明Ni35合金粉末与SiC粉末的相容性较好；单道熔覆层的表面和边缘均黏结着尺寸和数量不同的球形颗粒，球形颗粒的数量随着激光功率增大而增加。球形颗粒的出现是由于在激光熔覆过程中激光束能量不够集中，光斑边缘的熔覆粉末未完全熔化而黏结在了熔覆层表面[8]。

由图2可以看出，在激光功率1 000 W、扫描速度8 mm·s-1下，涂层的成形质量较好，截面无裂纹和气孔缺陷。结合表面和截面宏观形貌，可见在激光功率1 000 W、扫描速度8 mm·s-1条件下成形的熔覆层的表面质量最好。

图2 在激光功率1 000 W、扫描速度8 mm·s-1下单道熔覆层的截面宏观形貌Fig.2 Sectional macromorphology of single-channel cladding layer at laser power of 1 000 W and scanning speed of 8 mm·s-1

2.2 显微组织

SiC增强镍基合金熔覆层的组织主要受熔池中结晶界面处温度的影响[9]，且其晶胞状态受界面前沿温度梯度和凝固速率共同影响。由图3可以看出：在激光功率1 000 W、扫描速度8 mm·s-1下，熔覆层中形成了垂直于界面生长的树枝晶和等轴晶，晶粒细小，组织致密；熔覆层与基体的近结合界面区存在密集的柱状晶，出现了明显的金属偏析现象。在激光作用下熔覆层材料和基体表层熔化形成熔池，熔池表面凝固造成结合界面处温度梯度变得平缓，成分过冷增大，从而形成密集的柱状晶。总体来看，涂层组织由下而上呈现出枝晶逐渐细化、枝晶间距逐步缩小的趋势。

图3 在激光功率1 000 W、扫描速度8 mm·s-1下单道熔覆层截面的显微组织Fig.3 Sectional microstructure of single-channel cladding layer at laser power of 1 000 W and scanning speed of 8 mm·s-1: (a) cladding layer and (b) bonding interface

2.3 物相组成

由图4可以看出，熔覆层主要由SiC、Ni2Si、Ni4B3、FeSi和CrB等物相组成。熔池凝固过程属于非平衡过程，熔覆层中存在晶格畸变与过饱和固溶的物相，使得某些物相的主要衍射峰对应的面间距较小或重合，XRD未能辨别出来[11]。

图4 在激光功率1 000 W、扫描速度8 mm·s-1下单道熔覆层的XRD谱Fig.4 XRD pattern of of single-channel cladding layer at laser power of 1 000 W and scanning speed of 8 mm·s-1

在激光作用下，Ni35合金中的镍、铬、硼会发生反应生成Ni4B3和CrB,部分SiC发生分解析出的硅和镍、铁反应生成Ni2Si、FeSi。丁紫正等[11]在功率2 500，3 000 W下激光熔覆SiC增强Ni35合金熔覆层时发现，SiC在熔覆过程中完全分解。对比可知，低功率激光熔覆无法使SiC完全分解，这使得熔覆层中的硬质相种类增加。

2.4 显微硬度

由图5可以看出：单道熔覆层的硬度在900 HV左右，约为基体的3.5倍；熔覆过程中一部分熔池的热量通过基体端散去，导致基体发生淬火[3]，从而形成硬度高于基体的热影响区，热影响区硬度约为700 HV。

图5 在激光功率1 000 W、扫描速度8 mm·s-1下单道熔覆试样的截面硬度分布Fig.5 Sectional hardness distribution of single-channel cladding sample at laser power of 1 000 W and scanning speed of 8 mm·s-1

2.5 耐磨性能

磨损是两构件发生相对运动使得接触表面出现材料消耗和损失的过程[12]。由图6可以看出：熔覆层的磨损质量损失均明显小于45钢基体的，且磨损120 min后二者的差值较磨损60 min后的大，这主要与熔覆层内部组织相对表面更加致密有关；磨损120 min后熔覆层的磨损质量损失增幅较小，说明熔覆层具有优良的耐磨性能。由图7可以看出：磨损60 min后，熔覆层表面磨痕中存在大量剥落的附着物、小沟槽和少量划痕，熔覆层主要发生黏着磨损，同时伴有少量磨粒磨损；磨损120 min后，熔覆层表面磨痕平整光滑，但存在少量孔洞、裂纹和划痕，熔覆层处于稳定磨损阶段，主要发生磨粒磨损。

图6 45钢基体和激光功率1 000 W、扫描速度8 mm·s-1下熔覆层磨损不同时间后的质量损失Fig.6 Mass losses of 45 steel substrate and cladding layer at laser power of 1 000 W and scanning speed of 8 mm·s-1 after wearing for different times

图7 在激光功率1 000 W、扫描速度8 mm·s-1下熔覆层磨损不同时间后的表面磨痕形貌Fig.7 Wear trace morphology on surface of cladding layer at laser power of 1 000 W and scanning speed of 8 mm·s-1after wear for different times

在磨损过程中，对磨材料和熔覆层表面在加载力与分子结合力的作用下发生一定程度的黏结，随着磨损的进行黏结点发生撕裂，使得熔覆层表面形成黏着磨损特征[9]。SiC增强镍基合金熔覆层的耐磨性能与SiC在熔覆层中的分布有关[12]。熔覆层中部分SiC发生偏聚，其与Ni35合金的结合力下降，在对磨材料摩擦作用下产生剥落形成剥落坑，并使表面产生磨痕。由物相分析可知，熔覆层中均匀分布着SiC、CrB以及FeSi等硬质相，在磨损过程中黏结相首先磨损导致硬质相凸出，这些凸出的硬质相阻止黏结相的进一步磨损，从而提高熔覆层的耐磨性能。