一种激光熔覆耐锌蚀钴基合金所用粉料及改性层制备工艺的制作方法
一种激光熔覆耐锌蚀钴基合金所用粉料及改性层制备工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种铁基合金表面制备金属间化合物增强耐锌蚀钴基合金激光熔覆层所用粉料和制备工艺，属于表面工程【技术领域】，为进一步提高沉没辊、轴套等热镀锌生产线关键部件耐高温磨损及锌蚀性能，延长其使用寿命提供一种新型的防护涂层材料及制备工艺。该合金粉料成形性好，与铁基合金基体结合强度高，激光熔覆层性价比高，耐磨、耐锌蚀性能优异，适用于沉没辊、轴套等部件的激光表面防护涂层的制备与再制造，具有良好的应用前景与经济效益。
【专利说明】一种激光熔覆耐锌蚀钴基合金所用粉料及改性层制备工艺
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种铁基合金表面金属间化合物增强耐锌蚀钴基合金激光熔覆所用 粉料及改性层制备工艺，属表面工程【技术领域】，适用于带钢连续热镀锌生产线沉没辊、轴套 等重要消耗部件的表面防护及再制造。
【背景技术】：
[0002] 热镀锌是当今世界上应用最广泛、性价比最优的钢材表面防护处理方法之一。近 几年我国汽车、建筑、家用电器等行业飞速发展，对热镀锌产品的需求量逐年增加，热镀锌 技术也呈现出新的发展态势。沉没辊、轴套是带钢连续热镀锌生产线的重要消耗部件，液态 锌在热镀锌工艺温度（460±5°C)下几乎对所有金属都具有强烈的腐蚀性，国内外沉没辊 材质普遍采用SUS-316L不锈钢。普通合金在锌液中腐蚀严重，根本无法应用，目前具有良 好耐锌液腐蚀性能的材料大都是难熔纯金属陶瓷和脆性的金属间化合物。由于钢铁材料耐 液态锌腐蚀的局限性，液态锌对材料的腐蚀往往成为制约正常生产的重要环节，因此采取 一定的表面强化防护工艺来进一步提升不锈钢的表面性能，对改善镀锌制品的质量，提高 生产效率，节能降耗都具有重大意义。
[0003] 通过激光表面改性技术来提高材料耐熔融锌腐蚀性能，是近年发展起来的一项技 术。激光熔覆表面改性技术是利用高能热源将合金粉末加热熔化以使涂层材料致密化的加 工工艺，重熔可使熔覆层与基体的结合区形成致密的、呈冶金结合、较为均匀的组织，激光 辐照快速熔凝过程中熔覆层有一定的收缩，孔隙减少甚至消失，进而降低了熔融锌对基体 材料的腐蚀。
[0004] 激光表面改性技术是改善金属材料表面性能的有效手段，能够大幅度提高工件的 使用寿命。与其他一些金属表面改性技术相比，激光表面改性技术具有十分突出的优点。激 光表面改性技术可直接在金属表面制备一层具有低摩擦系数，具有优异耐磨损和抗腐蚀性 能，并与金属基材之间呈现牢固冶金结合的特殊材料表面改性层，无疑是在保持金属材料 固有优异性能的前提下，从根本上提升材料的表面性能，实现最有效、最经济、最灵活和最 具可设计性的表面防护技术之一，因此非常适合于改善热镀锌设备关键部件的表面性能。
【发明内容】：
[0005] 发明目的：
[0006] 为了进一步提升热镀锌行业沉没辊、轴套等部件高温耐磨、耐锌蚀性能，延长其使 用寿命，本发明提供一种铁基合金表面金属间化合物增强耐磨耐锌蚀钴基合金激光熔覆所 用粉末及熔覆层制备工艺。
[0007] 技术方案：
[0008] 本发明为实现上述技术目的所采用的技术方案为：
[0009] 一种铁基合金表面激光熔覆金属间化合物增强耐锌蚀钴基合金改性层所用粉料， 其特征在于：所述粉料各组分按照重量百分比为Mo24. 5?28. 5、Cr7. 0?8. 5、Ni0. 2? 1. 5、Fe0· 2 ?I. 5、C0· 05 ?0· 4、CeO2O. 5 ?I. 0、Si2· 5 ?5· 5,余量为Co的混合粉末。 [0010] 稀土 &02可以减少熔覆层的气孔、夹杂物及裂纹，细化钴基合金激光熔覆层组织， 改善合金熔覆层的成形性。
[0011] 所述各种粉末的纯度不低于99. 9%，且合金粉料的粒度为50?120微米。涂层合 金粉料需在行星式球磨机中球磨或研钵中研磨混合2?5小时。
[0012] -种如上所述的铁基合金表面激光熔覆金属间化合物增强耐锌蚀Co基合金改性 层的工艺方法，其特征在于：按权利要求1的比例称量、混合上述粉末。混合粉末采用球磨 或研磨，然后将混合均匀的粉料置于真空干燥箱中烘干2?8小时，将烘干后的合金粉末 预置于铁基合金表面，厚度为1. 5?3采用半导体激光器进行单道次和多道次激光辐 照，经优化工艺参数，激光功率2. 5kW，扫描速度800?1000mm/min，激光束大面积扫描搭接 率50 %，激光熔覆过程保护气氩气流量10?20L/min，在铁基合金表面获得厚度为1. 2? 2. 5mm的含金属间化合物增强耐锌蚀钴基合金激光恪覆层。
[0013] 优点及效果：
[0014] 本发明涉及表面工程【技术领域】，特别涉及一种铁基合金表面激光熔覆金属间化合 物增强耐锌蚀钴基合金所用粉料及改性层制备工艺，适用于带钢连续热镀锌生产线沉没 辊、轴套等重要消耗部件的表面防护，具有如下优点：
[0015] 本发明的粉料作用于铁基合金表面，主要解决现阶段冶金行业热镀锌生产 线SUS-316L不锈钢沉没辊存在严重的磨损、锌蚀等问题。液态锌在热镀锌工艺温度 (460±5°C)下几乎对所有金属均具有强烈的腐蚀性，因此，改善与锌液接触工件的表面性 能对延长其使用寿命十分重要。激光熔覆制备金属间化合物增强耐锌蚀钴基稀土合金涂层 具有高硬度、耐高温磨损、耐锌液腐蚀等优异性能，恪覆层中Co3Mo2SiLaves相可有效抑制 恪融锌对钴基合金的侵蚀，进一步改善涂层的耐磨耐蚀性能。
[0016] 该激光熔覆层成形性好，性价比高，与基体材料呈良好的冶金结合，同时在热镀锌 工作温度下具备优异的耐磨、耐锌蚀性能，可有效延长部件的使用寿命，适用于沉没辊、轴 套等部件的表面改性涂层的制备及激光再制造，为制备新型耐磨耐锌蚀防护涂层提供一种 可行的途径，具有良好的工业应用前景和经济效益。
【专利附图】
【附图说明】：
[0017] 图1为单道Co基系列合金激光熔覆层的宏观形貌图，其中，图1(a) 2. 5%Si， (b)3. 5%Si, (c)4. 5%Si, (d) 5. 5%Si；
[0018] 图2为Co基系列合金激光熔覆层中部组织形貌图，其中，图2(a)2. 5%Si， (b)3. 5%Si, (c)4. 5%Si；
[0019] 图3为含2. 5%SiCo基合金激光熔覆层XRD谱图；
[0020] 图4为含3. 5 %SiCo基合金激光熔覆层XRD谱图；
[0021] 图5为含4. 5%SiCo基合金激光熔覆层XRD谱图；
[0022] 图6为销-盘摩擦磨损试验样品图，其中，图6(a)下摩擦副，（b)上摩擦副；
[0023] 图7为Co基系列合金激光熔覆层截面硬度分布曲线图；
[0024] 图8为316L基材及Co基系列合金激光熔覆层460°C磨损过程摩擦系数曲线图；
[0025] 图9为316L不锈钢基材及Co基系列合金激光熔覆层460°C磨损样品表面磨痕形 貌图，其中，图9(a)316L不锈钢，（b)2. 5%SiCo基合金，（c)3. 5%SiCo基合金，（d)4. 5%SiCo基合金；
[0026] 图10为316L不锈钢基材及Co基系列合金激光熔覆层460°C熔锌腐蚀24h截面 组织形貌图，其中，图10(a) 316L不锈钢，（b) 2. 5%SiCo基合金，（c) 3. 5%SiCo基合金， (d) 4. 5%SiCo基合金；
[0027] 图11为Co基系列合金激光熔覆层在460°C锌液腐蚀48h截面组织形貌图，其中， 图 11 (a) 2. 5%SiCo基合金，（b) 3. 5%SiCo基合金，（C) 4. 5%SiCo基合金；
[0028] 图12为含2. 5%SiCo基合金激光熔覆层锌蚀过渡层区域截面组织形貌图；
[0029] 图13为含2. 5%SiCo基合金激光熔覆层中裂纹处及其周围涂层区域能谱图，其 中，图13(a)裂纹处；(b)上过渡层处；（c)腐蚀产物；（d)下过渡层处
[0030] 图14为含4. 5%SiCo基合金激光熔覆样品锌蚀层截面组织形貌及沿AB线EDS 成分线分析结果，其中图14(a)组织形貌，（b)成分线分布；
[0031] 图15为含4. 5%SiCo基合金激光熔覆样品截面锌蚀过渡层各元素EDS面成分分 布图；
[0032] 图16为含4. 5%SiCo基合金激光熔覆样品熔锌腐蚀界面区域X-射线衍射谱图；
[0033] 图17为含4. 5%SiCo基合金激光熔覆层锌液腐蚀模型示意图。
【具体实施方式】：
[0034] 一种铁基合金表面制备金属间化合物增强耐锌蚀钴基合金激光熔覆层所用粉料， 其特征在于：所述粉料按照重量百分比为Mo24. 5?28. 5、Cr7. 0?8. 5、Ni0. 2?1. 5、 Fe0· 2?L5、C0· 05 ?0· 4、CeO2O. 5?L0、Si2. 5 ?5. 5,余量为Co的合金粉末。
[0035] 合金粉末中Si为促进金属间化合物形成的主要元素，加入适量稀土氧化物可细 化熔覆层组织，显著降低熔覆层内气孔、夹杂物、及裂纹等缺陷产生倾向，增加合金熔覆层 的成形性。例如加入稀土 &02可以减少熔覆层的气孔、夹杂物及裂纹，细化钴基合金激光 熔覆层组织，改善合金熔覆层的成形性。
[0036] 所述粉料中各种粉末的纯度不低于99. 9%，且涂层合金粉料的粒度为50?120微 米。
[0037] 一种如上所述的铁基合金表面金属间化合物增强耐锌蚀钴基合金激光熔覆层的 制备方法，其特征在于：该方法步骤如下：
[0038] S1、按上述比例称量、混合Mo、Cr、Ni、Si、Fe、C、Ce02、Co各种粉末，混合粉末采用 球磨或研磨2?5小时，然后将混合均匀的粉料置于真空干燥箱中烘干5?8小时；
[0039] S2、铁基合金基材表面打磨、喷砂、清洗干燥后备用，将烘干后的合金粉末预置于 铁基合金基材表面，预置合金粉末厚度1. 5?3
[0040] S3、采用波长为980±IOnm的半导体激光器进行单道次和多道次激光辐照处理， 预置合金粉末厚度1. 5?3_，经优化工艺参数，激光功率2. 5kW，光斑直径3_，扫描速度 800?1000mm/min，激光束大面积扫描搭接率50%，激光熔覆过程保护气氩气流量为10? 20L/min，在铁基合金表面获得厚度为1. 2?2. 5mm金属间化合物增强耐锌蚀钴基合金激光 熔覆层。
[0041] 实施例1
[L不锈钢表面制备金属间化合物增强耐锌蚀Co基合金（2. 5%Si)激光熔覆 层。
[0043]该粉料按照重量百分比采用Mo28. 5、Cr8.5、NiL5、FeL5、C0·08、CeO2O. 5、 Si2. 5,余量为Co的混合粉末。所述涂层材料各种粉末的纯度不低于99. 9%，且涂层合金 粉料的粒度为50?120微米。涂层合金粉料需在行星式球磨机中球磨或研钵中研磨混合 2?5小时，然后将混合均匀的粉料置于真空干燥箱中烘干2?8小时。
[0044] 利用数控线切割机将316L不锈钢加工成所需样品尺寸，待激光处理表面依次打 磨至600号SiC金相砂纸，而后喷砂，并用酒精或丙酮超声波清洗，干燥备用。
[0045] 烘干后的合金粉末预置于铁基合金表面，预置合金粉末厚度1. 5?3采用半导 体激光器进行单道次和多道次激光辐照处理，具体工艺参数，激光功率为2. 5kW，光斑直径 3mm，扫描速度为800?1200mm/min，激光束大面积扫描搭接率为50%，激光熔覆过程保护 气氩气流量为10?20L/min，在铁基合金表面获得的金属间化合物增强钴基合金激光熔覆 层厚度为1. 2?2. 5mm。
[0046] 实施例2
[L不锈钢表面制备金属间化合物增强耐锌蚀Co基合金（3. 5%Si)激光熔覆 层。
[0048]该粉料按照重量百分比采用Mo28、Cr8、NiL4、FeL4、C0· 07、CeO2O. 5、Si 3. 5,余量为Co的混合粉末。所述涂层材料各种粉末的纯度不低于99. 9%，且涂层合金粉料 的粒度为50?120微米。涂层合金粉料需在行星式球磨机中球磨或研钵中研磨混合2? 5小时，然后将混合均匀的粉料置于真空干燥箱中烘干2?8小时。
[0049] 利用数控线切割机将316L不锈钢加工成所需用的样品尺寸，待激光处理表面依 次打磨至600号SiC金相砂纸，而后喷砂，并用酒精或丙酮超声波清洗，干燥备用。
[0050] 烘干后的合金粉末预置于铁基合金表面，预置合金粉末厚度1. 5?3采用半导 体激光器进行单道次和多道次激光辐照处理，具体工艺参数，激光功率为2. 5kW，光斑直径 3mm，扫描速度为800?1200mm/min，激光束大面积扫描搭接率为50%，激光熔覆过程保护 气氩气流量为10?20L/min，在铁基合金表面获得金属间化合物增强钴基合金激光熔覆层 厚度为1. 2?2. 5mm〇
[0051] 实施例3
[L不锈钢表面制备金属间化合物增强耐锌蚀Co基合金（4. 5%Si)激光熔覆 层。
[0053]该粉料按照重量百分比采用Mo27、Cr8、NiL3、FeL3、C0· 06、CeO2O. 5、Si 4. 5,余量为Co的混合粉末。所述涂层材料各种粉末的纯度不低于99. 9%，且涂层合金粉料 的粒度为50?120微米。涂层合金粉料需在行星式球磨机中球磨或研钵中研磨混合2? 5小时，然后将混合均匀的粉料置于真空干燥箱中烘干2?8小时。
[0054] 利用数控线切割机将316L不锈钢加工成所需用的样品尺寸，待激光处理表面依 次打磨至600号SiC金相砂纸，而后喷砂，并用酒精或丙酮超声波清洗，干燥备用。
[0055] 烘干后的合金粉末预置于铁基合金表面，预置合金粉末厚度1. 5?3采用半导 体激光器进行单道次和多道次激光辐照处理，具体工艺参数，激光功率为2. 5kW，光斑直径 3mm，扫描速度为800?1200mm/min，激光束大面积扫描搭接率为50%，激光熔覆过程保护 气氩气流量为10?20L/min，在铁基合金表面获得的金属间化合物增强姑基合金激光熔覆 层厚度为1. 2?2. 5mm。
[0056] 实施例4
[L不锈钢表面制备金属间化合物增强耐锌蚀Co基合金（5. 5%Si)激光熔覆 层。
[0058]该粉料按照重量百分比采用Mo25、Cr7. 5、NiL2、FeL2、C0·05、CeO2O.5、Si 5. 5,余量为Co的混合粉末。所述涂层材料各种粉末的纯度不低于99. 9%，且涂层合金粉料 的粒度为50?120微米。涂层合金粉料需在行星式球磨机中球磨或研钵中研磨混合2? 5小时。然后将混合均匀的粉料置于真空干燥箱中烘干2?8小时。
[0059] 利用数控线切割机将316L不锈钢加工成所需用的样品尺寸，待激光处理表面依 次打磨至600号SiC金相砂纸，而后喷砂，并用酒精或丙酮超声波清洗，干燥备用。
[0060] 烘干后的合金粉末预置于铁基合金表面，预置合金粉末厚度1.5?3采用半导 体激光器进行单道次和多道次激光辐照处理，具体工艺参数，激光功率为2. 5kW，光斑直径 3mm，扫描速度为800?1200mm/min，激光束大面积扫描搭接率为50%，激光熔覆过程保护 气氩气流量为10?20L/min，在铁基合金表面得到的钴基合金激光熔覆层表面出现凹痕和 气孔，出现不连续现象。
[0061] 实施例5
[0062]粉料按照重量百分比采用Mo24. 5、Cr7. 0、Ni0·2、Fe0·2、C0·4、CeO2L0、Si 3. 5,余量为Co的混合粉末，其余条件同实施例2。
[0063] 实施例6
[0064]粉料按照重量百分比采用Mo26、Cr7. 0、Ni0·8、Fe0·5、C0·1、CeO2O.8、Si 2. 5,余量为Co的混合粉末，其余条件同实施例1。
[0065] 如图1-图5所示，本发明提出的一种铁基合金表面制备含金属间化合物的耐锌蚀 钴基合金激光熔覆层，其金属间化合物显微硬度在IOOOHv以上，本身具有良好的高温稳定 性、热强性和优良的耐磨耐锌蚀性能。
[0066] 图1为单道Co基合金激光熔覆层的宏观形貌，其中，图1(a) 2.5%Si，（b) 3. 5% 31，（(：)4.5%51，（(1)5.5%51。可以看出，含2.5%51和3.5%51(：〇基合金激光熔覆层试 样可获得连续的比较平整的涂层，涂层无裂纹、气孔。含4. 5%Si的Co基合金激光熔覆层 试样表面光洁、两侧较为平滑，成形性较佳。含5. 5%SiCo基合金激光熔覆层表面存在一 些气孔缺陷，熔覆层的一侧出现不平整现象，熔覆层表面存在较大的波纹，工艺性能较差， 难以成形。
[0067] 图2是Co基系列合金激光熔覆层中部的组织形貌。其中，图2(a)2. 5%Si， (b)3. 5%Si，（c)4. 5%Si。可以看出，含2. 5%SiCo基合金激光熔覆层主要由粗大的树枝 晶和等轴晶组成，灰色层片状组织为Co基固溶体，如图2a所示。含3. 5%SiCo基合金激光 熔覆层主要由网状Co基固溶体基体和少量组织比较粗大的花瓣状Laves相组成，如图2 (b) 所示。含4. 5%SiCo基合金激光熔覆层组织中灰色花瓣状Laves相明显增多，且弥散均匀 分布，组织细小，共晶相数量逐渐减少且由层片状变化成连续的网状，如图2(c)所示。
[0068] 结合图3-5进一步说明，随着合金粉料中Si含量的增加，熔覆层中CoMoSi相逐渐 减少，Co3Mo2SiLaves相增多，Co基固溶体的相对含量则有所降低，并且其择优取向性减弱。 Co基合金激光熔覆层的相结构主要由γ-C〇、M23CdPCo3M〇2SiLaves相组成。其中M23C6(M=Cr，Co,Fe)为面心立方晶体，而Co3Mo2Si是AB2(MgZn2)型六方结构的金属间化合物。
[0069] 实施例7
[0070] 请参考图6-9,本发明提出的一种铁基合金表面激光熔覆金属间化合物增强耐锌 蚀Co基合金改性层。其中激光熔覆层内增强相金属间化合物的显微硬度约为IOOOHv以上， 具有优异的耐磨性能。对于沉没辊及轴套等部件，其在460±5°C高温锌液环境下承受腐蚀、 磨损的交互作用，因此对于316L不锈钢而言激光熔覆原位合成金属间化合物增强Co基合 金改性层的高温稳定性可以保持沉没辊的高硬度，从而有利于提高其高温耐磨损性能。
[0071] 图6为销-盘式摩擦磨损上下摩擦副样品图。
[0072] 采用MMU-5G材料端面高温摩擦磨损试验机，对不同Si含量的钴基系列合金激光 熔覆层进行摩擦磨损性能测试。试验形式为销-盘磨损，采用含4. 5%SiCo基合金激光 熔覆层材料作为盘状的下摩擦副试样，将316L不锈钢基体材料和不同Si含量Co基系列 合金激光恪覆层加工成销棒状的上摩擦副试样。盘试样尺寸：Φ43ι?πιΧ3mm，销试样尺寸 Φ4ι?πιΧ15mm。把加工好的摩擦副用200#砂纸将磨损面磨平，并用600#，1000 #，2000#砂纸按 照由粗到细的顺序进行依次打磨，然后将试样置于丙酮中超声波清洗l〇min，以去除表面油 污及其它杂质，用电吹风吹干，而后采用精确度为0.OOOlg电子天平称量磨损试验前后销 的重量。摩擦磨损方式：干滑动摩擦磨损；温度460°C，磨损时间为15min，法向载荷150N， 磨盘的转速150r/min。
[0073] 相对耐磨性可表征为：
【权利要求】
1. 一种铁基合金表面制备金属间化合物增强耐锌蚀钴基合金激光熔覆层所用粉料，其 特征在于：所述粉料按照重量百分比为Mo 24. 5?28. 5、Cr 7. 0?8. 5、Ni 0. 2?1. 5、Fe 0? 2 ?1. 5、C 0? 05 ?0? 4、Ce02 0 ? 5 ?1. 0、Si 2. 5 ?5. 5,余量为 Co 的合金粉末。
2. 根据权利要求1所述的铁基合金表面制备含金属间化合物增强耐锌蚀钴基合金激 光熔覆层所用粉料，其特征在于：所述粉料中各种粉末的纯度不低于99. 9 %，且涂层合金 粉料的粒度为50?120微米。
3. -种如权利要求1所述的铁基合金表面金属间化合物增强耐锌蚀钴基合金激光熔 覆层的制备方法，其特征在于：该方法步骤如下： 51、 按权利要求1的比例称量、混合Mo、Cr、Ni、Si、Fe、C、Ce02、Co各种粉末，混合粉末 采用球磨或研磨2?5小时，然后将混合均匀的粉料置于真空干燥箱中烘干5?8小时；
52、 铁基合金基材表面打磨、喷砂、清洗干燥后备用，将烘干后的合金粉末预置于铁基 合金基材表面，预置合金粉末厚度1. 5?3
53、 采用波长为980±10nm的半导体激光器进行单道次和多道次激光辐照处理，预置 合金粉末厚度1. 5?3_，经优化工艺参数，激光功率2. 5kW，光斑直径3_，扫描速度800? 1000mm/min，激光束大面积扫描搭接率50%，激光熔覆过程保护气氩气流量为10?20L/ min，在铁基合金表面获得厚度为1. 2?2. 5mm金属间化合物增强耐锌蚀钴基合金激光熔覆 层。
【文档编号】C23C24/10GKSQ
【公开日】日
申请日期:日
优先权日:日
【发明者】张春华, 刘杰, 张松, 吴臣亮, 贾永峰, 丁燕燕, 张昊天
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& 稀土对铁基合金激光熔覆层耐磨及耐蚀性能的影响
稀土对铁基合金激光熔覆层耐磨及耐蚀性能的影响
&激光表面熔敷技术具有涂层与基材结合牢固、涂层稀释率低、工件变形小等其他表面技术难以实现的特点和广阔的应用前景，在工业技术和科学研究领域引起了普遍重视。利用表面改性可以有效地改善机械零件或工具的使用性能和延长其使用寿命.工程材料的磨损和腐蚀等现象大多从表面开始,因此材料表面保护具有重要的工程应用价值.与此相适应,激光熔覆在提高材料表面抗磨性能方面的应用受到了广泛关注.稀土被人们称为新材料的“宝库”，自上世纪60年代被引用于金属及合金的表面改姓以来，这方面的科研工作进展迅速，取得了许多令人满意的成果。人们揭示出，稀土对多种金属具有净化、变质和合金化作用，可显著改善金属材料的力学性能、热加工性能、高温抗氧化性能、耐磨及耐腐蚀性能，因而在冶金、铸造及热处理等领域获得了广泛应用.我们预期,在铁基合金激光熔覆层中引入La将可能显著改善合金表面的抗磨性能,从而扩大其摩擦学应用范围.鉴于此,我们在铁基合金激光熔覆层中引入不同含量的La2O3,考察了稀土对铁基合金激光熔覆层组织及抗磨性能的影响.但目前稀土被引入激光熔敷工艺主要集中在钴基、镍基合金以及MCrAlY系合金涂层中。1 试验材料及方法1.1 试验材料激光熔覆工艺试验基材采用100 mm×30 mm×10 mm的45钢板；硬度约为220HV。以Fe基合金粉末（化学成分：0.21%C，1.18%B，3.25%Si，19.92%Cr， 12.60%Ni，其余为Fe；粒径0.085~0.246 mm；流动性﹤22 s/50 g）作为涂层材料，稀土CeO2粉末纯度为99.9%，稀土加入量分别为0.0%、0.3%、0.6%、0.9% 、1.2%和1.5%。将稀土氧化物粉末和铁基合金粉末通过机械搅拌混合均匀,，干燥待用.。采用3kW的CO2快速轴流激光器(输出功率为1.5 kW,光斑直径4 mm,扫描速度5 mm/s,功率密度1.19×104W/cm2,多道熔覆搭接率30%,同轴送粉方式)进行激光熔覆处理,熔覆层厚度约1 mm.1.2 性能测试采用CSM950型场发射扫描电子显微镜(SEM)观察熔覆层微观组织形貌,并利用SEM所配置的能量色散X射线分析装置(EDAX)分析熔覆层及其磨痕表面组成.采用MT-3型显微硬度计沿熔覆层深度方向测量显微硬度分布,载荷为1.96×10-3N,加载时间5 s,取10次测量结果的平均值.1.3 摩擦磨损试验选用MM-200型摩擦磨损试验机评价激光熔覆层的摩擦磨损性能.试验前采用600#砂纸精磨激光熔覆层试样表面;偶件为45#钢环(外径40 mm,内径16 mm,厚10 mm,硬度500HV).选用载荷分别为10 N、20 N、30 N、40 N、50 N;试验时间15线速度为0.42 m/s.在摩擦磨损试验过程中每隔1 min记录一次摩擦系数;试验结束后用丙酮清洗激光熔覆层试样,随后用读数显微镜测定其磨痕宽度(测量精确度0.01 mm).2 结果与讨论2.1 熔覆层的显微组织图1示出了不含稀土及含1.2%稀土的激光熔覆层组织形貌的SEM照片.可以看出,引入稀土使得激光熔覆层组织生长的方向性减弱,针状组织数量增加.与此同时,引入稀土氧化物使得激光熔覆层中的枝晶分散度增大,枝晶间空隙减小,树枝晶生长受阻,并在一定程度上导致晶粒细化.其原因在于,具有较强化学活性的稀土元素容易同其它元素发生化学反应,形成稳定的化合物,从而增加熔覆层中的形核质点,加快熔覆层在凝固过程中的形核速度,导致晶粒细化.此外,稀土还可以增加液态金属的流动性,减小凝固过程中的成分过冷,减弱成分偏析,从而使组织趋向均匀化.2.2 激光熔覆层硬度分布图2示出了不同稀土含量的Fe基合金激光熔覆层显微硬度随深度变化的关系曲线.可以看出, 16Mn钢经激光熔覆处理后显微硬度显著提高,而引入稀土可以进一步提高激光熔覆层的硬度.同不含稀土的激光熔覆层相比,稀土含量为1.2%的熔覆层的显微硬度有所增大,平均显微硬度为400~450HV,而稀土含量为2.0%的熔覆层的平均硬度约为500HV.这是由于引入稀土导致熔覆层组织细化和硬质金属化合物弥散强化所致.2.3 激光熔覆层的摩擦磨损性能&图3分别示出了摩擦系数随试验时间(载荷为50 N)以及磨斑宽度随载荷变化的关系曲线.可见,摩擦系数随试验时间的延长而增大,引入稀土有利于降低摩擦系数[见图3(a)],当稀土含量较高(1.2%)时尤其如此.其原因在于,具有六方层状结构的La2O3稀土化合物本身具有润滑作用[9],同时稀土可以促进Cr的碳化物和硼化物硬质相析出[10],提高熔覆层的硬度,降低犁削和粘着作用,从而降低摩擦系数.另一方面,同不含稀土的激光熔覆层相比,含稀土的激光熔覆层的磨斑直径较小,且对载荷的敏感性较弱,当载荷较高(&40 N)时尤其如此[见图3(b)].有趣的是,稀土氧化物含量较低(0.8%)的激光熔覆层的磨斑直径相对较小,而当稀土氧化物含量较高(1.2%)时,其改善激光熔覆层抗磨性能的效果有所减弱.这同稀土在熔覆层中的作用机理有关.换言之,由于稀土在合金中的固溶度很小,稀土氧化物大多存在于晶界;当稀土加入量较小时,晶界得到强化,晶界附近位错的移动性较强,晶粒之间的滑移传递较容易,这有利于促进摩擦过程中表面微裂纹顶部的应力松弛,增加裂纹扩展的阻力,从而减轻磨损.但当晶界处稀土氧化物聚集过多时,晶界处位错移动受阻,晶界脆性增加,磨损过程中微突体易沿裂纹扩展方向发生脆断,从而使磨损加剧.&&&&&&&&&&& 图4示出了不含稀土及含1.2%稀土的激光熔覆层磨损表面形貌SEM照片(50 N,15 min).可以看出,不含稀土及含1.2%稀土的激光熔覆层磨损表面存在明显差异,不含稀土的熔覆层磨损表面呈现严重的粘着和脆性断裂剥落迹象[见图4(a)],断口处存在大量剥落颗粒;而含1.2%稀土的激光熔覆层磨损表面粘着迹象较微弱,除少量剥落颗粒外,未见大面积脆性剥落迹象[见图4(b)].这同2种激光熔覆层相应的抗磨性能差异相对应.3 结论a. 在铁基合金激光熔覆层中引入稀土可以弱化组织生长的方向性,增加针状组织的数量,减小晶须之间的空隙,限制树枝晶生长,从而细化晶粒.b. 引入稀土可以增加铁基合金激光熔覆层的平均硬度,改善其抗磨性能;当稀土加入量为1.2%时,相应激光熔覆层的综合性能较好.c. 引入稀土使得铁基合金激光熔覆层同45#钢对摩时的粘着和脆性剥落显著减轻,这同其对激光熔覆层抗磨性能的影响相对应.
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