劉玉璠 ，焦俊科，徐子法，歐陽文泰，張咪娜，劉 政，昝少平，張文武

（1. 江西理工大學(xué)，贛州 341000；2. 中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，寧波 315201；3. 揚州大學(xué)，揚州 225127）

鎳基合金具有較高的強(qiáng)度、抗氧化性和抗熱腐蝕性等優(yōu)異的綜合性能，廣泛應(yīng)用于航天、航空、海洋、環(huán)保、能源等領(lǐng)域，被用來制造航空發(fā)動機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件。鎳鋁合金作為一種航空高溫結(jié)構(gòu)材料和功能材料，具有密度低、抗氧化性好、熔點高、屈服強(qiáng)度高的優(yōu)點[1–3]。Guha等[4–6]發(fā)現(xiàn)，在鎳鋁合金中添加適量鐵元素，金屬原子含量比例為Ni–30Fe–20Al時，合金表現(xiàn)出良好的室溫韌性和屈服強(qiáng)度特性。在Ni–30Fe–20Al合金中加入陶瓷顆粒，可以使其硬度、耐磨性、耐腐蝕性等得到進(jìn)一步提高，從而滿足極端環(huán)境的工作要求。常見的金屬基陶瓷復(fù)合材料的制備方法有合金冶煉和粉末冶金，但這兩種工藝面臨著陶瓷顆粒分布不均、應(yīng)力集中、低溫塑性差等一系列問題。激光熔覆技術(shù)具有快熔快冷的特點，可以解決陶瓷顆粒在熔融過程中顆粒分布不均、偏析等問題，在金屬基陶瓷復(fù)合材料的制備上優(yōu)勢顯著。

國內(nèi)外學(xué)者對激光熔融制備金屬陶瓷涂層展開了一些研究。趙慶宇等[7–10]分別在Q235鋼、27SiMn鋼和45鋼表面采用激光熔覆技術(shù)制備了金屬復(fù)合涂層，研究表明涂層顯微組織更加細(xì)小均勻，且熔覆層表現(xiàn)出較優(yōu)的耐磨性、熱磨損性和耐蝕性。陳瑤等[11–13]研究了激光熔覆不同含量TiC對硬質(zhì)合金熔覆層的顯微組織及力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)其耐磨性能隨著TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而提高，當(dāng)TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定值時，熔覆層硬度及耐磨性可達(dá)到最大。李剛等[14]利用激光熔覆技術(shù)在40Cr基體上制備了以鉻鐵原礦粉為摻雜組元的高熵合金涂層，結(jié)果表明摻入鉻鐵原礦粉后，提高了高熵合金涂層的硬度與耐磨性。趙欣鑫等[15–16]分別在TC4鈦基體和45鋼基體軸面利用激光熔覆技術(shù)制備金屬復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)與基體相比涂層的硬度和耐磨性顯著提高。Xu等[17–20]采用激光熔覆技術(shù)修復(fù)Inconel718裂紋，詳細(xì)研究了修復(fù)區(qū)涂層的顯微組織和力學(xué)性能，結(jié)果表明，涂層組織的顯微硬度和拉伸強(qiáng)度較基體得到明顯提高。Sahoo等[21–23]通過激光熔覆技術(shù)分別制備了TiC–Ni–CaF2、TiB2–TiC–Al2O3和Stellite–6/WC復(fù)合涂層，并對其微觀結(jié)構(gòu)和磨損行為進(jìn)行了研究。Ali等[24–25]對激光熔覆過程中激光參數(shù)對TiC形態(tài)以及金屬基陶瓷復(fù)合材料中的TiC的分解行為進(jìn)行了研究。

上述研究說明了利用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備的可行性，但針對特定比例TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)Ni–30Fe–20Al合金激光熔覆制備的研究還未見報道。本文采用激光熔覆技術(shù)，針對不同比例TiC粉末增強(qiáng)Ni–30Fe–20Al合金的組織和性能進(jìn)行研究，探索TiC粉末加入比例對合金質(zhì)量的影響規(guī)律，為制備高質(zhì)量的金屬基陶瓷復(fù)合材料奠定理論和工藝基礎(chǔ)。

試驗設(shè)計

1 激光熔覆試驗系統(tǒng)

熔覆試驗系統(tǒng)由XYZ運動系統(tǒng)、1臺500W光纖激光器 （最高功率500W，波長1064nm，調(diào)制頻率0～10kHz）、激光焊接頭、惰性氣體氛圍控制裝置和工裝等組成。其中，激光焊接頭聚焦激光光斑直徑為150μm，聚焦鏡焦距為125mm。

決定熔覆質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一為惰性氣氛控制。圖1為自主設(shè)計的惰性氣體保護(hù)裝置可避免熔覆層氧化。該裝置由透明亞克力材料粘接而成，上部激光透射窗口為直徑80mm的高透石英玻璃。熔覆過程中，不斷通入高純氬氣以保證熔覆試樣始終處于惰性氣體氛圍內(nèi)，激光束透過石英玻璃透射窗口對試樣進(jìn)行加工。激光功率、掃描速度、激光調(diào)制頻率以及離焦量等工藝參數(shù)的適當(dāng)取值可優(yōu)化熔覆質(zhì)量，各參數(shù)可選范圍如表1所示。由前期研究可知[22]，影響熔覆質(zhì)量的各因素中，頻率影響程度相對較小，因此設(shè)定激光調(diào)制頻率為1000Hz。

圖1 試驗裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

表1 工藝參數(shù)可調(diào)范圍表Table 1 Adjustable range of process parameters

2 試驗材料

試驗中使用的鎳、鐵、鋁和碳化鈦陶瓷粉末顆粒平均粒徑均小于45μm。在1000倍的掃描電子顯微鏡（SEM）下，對四種粉末的微觀形貌進(jìn)行了觀測，如圖2所示?？梢钥闯觯嚒X粉末顆粒平均粒徑略大于鐵和碳化鈦粉末，其中鐵粉和鎳粉呈規(guī)則的球狀，流動性較好，而鋁粉和碳化鈦粉末形狀不規(guī)則?；宀牧蠟楣こ讨休^為常見的軋制304#不銹鋼，厚度為2mm，長度和寬度分別為50mm和25mm。試驗之前，采用600#砂紙打磨后用無水乙醇清洗，去除基板表面殘存的氧化物、油污等雜質(zhì)。鋪粉方式采用預(yù)置粉末法，粉厚為0.5mm。為保證熔覆過程的穩(wěn)定性和熔覆層的純度，鋪粉過程中未添加黏結(jié)劑。

圖2 粉末形貌Fig.2 Morphology of powder

3 試驗參數(shù)

在激光熔覆過程中，單道熔覆工藝是實現(xiàn)高質(zhì)量面熔覆的基礎(chǔ)，為了便于研究不同比例TiC粉末對熔覆質(zhì)量的影響規(guī)律，本文針對單道熔覆的情況展開研究。試驗過程中，激光束在不銹鋼基板寬度方向上朝同一個方向進(jìn)行掃描。鋪粉寬度為16mm，相鄰熔覆道之間的距離為10mm，熔覆路徑如圖3所示。

圖3 激光熔覆路徑Fig.3 Laser cladding path

Ni、Fe、Al 3種金屬粉末按原子百分比含量Ni–30Fe–20Al進(jìn)行質(zhì)量換算后，按照質(zhì)量比Ni–33Fe–10Al進(jìn)行混合，并按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)0、10%和20%的比例摻入TiC粉末。根據(jù)激光工藝參數(shù)對熔覆層宏觀形貌和微觀組織的影響規(guī)律，熔覆過程中激光離焦量固定為–5mm[26–28]，激光功率設(shè)為389W和316W，掃描速度設(shè)為4mm/s和8mm/s，具體工藝參數(shù)見表2。

表2 試樣對應(yīng)的熔覆工藝參數(shù)Table 2 Corresponding parameters of cladding process of samples

結(jié)果與討論

1 熔覆工藝參數(shù)及結(jié)果

根據(jù)表2的工藝參數(shù)，利用光纖激光熔覆系統(tǒng)對鎳、鐵、鋁和碳化鈦4種混合粉末進(jìn)行熔覆試驗，熔覆層的整體形貌如圖4所示。可以看出，混合粉末在不銹鋼基板上可形成連續(xù)的熔覆層，但隨著TiC粉末的加入，熔覆層會出現(xiàn)寬度不一、表面凹凸不平的現(xiàn)象。當(dāng)TiC粉末含量相同時，激光功率為389W，掃描速度為4mm/s時熔覆條形貌較好，如圖4中試樣1.1、2.1和3.1熔覆條表面情況所示。為了進(jìn)一步分析TiC粉末對Ni–30Fe–20Al合金性能影響規(guī)律，選擇表面相貌較好的熔覆條，固定激光熔覆工藝參數(shù)，采用激光共聚焦顯微鏡在200×的放大倍數(shù)下，對不同TiC含量的試樣1.1、2.1和3.1表面形貌進(jìn)行了觀測（圖5）。從圖5（a）可以看出，在沒有添加TiC粉末的情況下，熔覆層表面光潔，有明顯的金屬亮色。添加TiC粉末后（圖5（b）和（c）），熔覆層表面將呈現(xiàn)出一些凸起和凝固紋。TiC陶瓷熔點較高，在熔覆過程中將先凝固為硬質(zhì)增強(qiáng)相，隨后冷卻凝固的金屬收縮量較大，隨著TiC粉末的加入量增高，凸起的體積也會隨之增大。

圖4 單道熔覆形貌Fig.4 Single path cladding morphology

圖5 不同TiC含量下的熔覆層表面形貌Fig.5 3D morphology of cladding with deference TiC contents

2 顯微組織和熔覆質(zhì)量分析

為進(jìn)一步明晰TiC粉末對熔覆層質(zhì)量的影響規(guī)律，利用SEM對熔覆層微觀組織進(jìn)行觀測，利用XRD對熔覆層的相成分進(jìn)行檢測。圖6～8分別給出了TiC添加比例0、10%和20%熔覆層的微觀組織，可以看出，TiC加入量對熔覆層微觀組織影響顯著。

當(dāng)TiC粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，即Ni–30Fe–20Al三粉熔覆時，形成的組織主要為柱狀晶和等軸晶組織（圖6）。由于在熔池冷卻的過程中，與熔池接觸的空氣和不銹鋼基板的導(dǎo)熱系數(shù)不同，此時，熔池的溫度梯度方向不同，熔覆的合金液體會沿著溫度下降最快的方向結(jié)晶，導(dǎo)致形成的組織在結(jié)晶方向上會有所不同。

當(dāng)TiC粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和20%時，熔覆層的微觀組織較未加入TiC粉末時發(fā)生了明顯的變化。從圖6和圖7的對比中可以發(fā)現(xiàn)，加入TiC粉末后原Ni–30Fe–20Al復(fù)合材料組織的晶粒得到細(xì)化（圖7）且組織致密，可獲得組織晶粒細(xì)小的合金。另外，從圖7和圖8的對比可以發(fā)現(xiàn)，隨著TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，熔覆層晶粒逐漸增大，并可觀察到黑色晶粒（圖8），此現(xiàn)象與文獻(xiàn)[12]表述一致。從圖8中可知，試樣3.1組織晶粒較大，這是因為TiC含量添加到一定程度時，激光不能將TiC完全分解，未分解的TiC對激光進(jìn)行了反射，因此，未分解的TiC含量越高，激光的吸收率越低，反而降低了細(xì)化晶粒的作用[29]。

圖6 試樣1.1組織Fig.6 Observation for metallographic structure of sample 1.1

圖7 試樣2.1組織Fig.7 Observation for metallographic structure of sample 2.1

圖8 試樣3.1組織Fig.8 Observation for metallographic structure of sample 3.1

在激光熔覆混合粉末過程中，熔覆層與基體材料形成了良好的冶金結(jié)合。由圖7可看出熔覆層與基板間存在晶粒較細(xì)的結(jié)合層，且顏色與基板奧氏體不銹鋼組織和熔覆層柱狀晶組織不同，說明在結(jié)合處形成了一個穩(wěn)定的冶金結(jié)合區(qū)域。熔覆層質(zhì)量良好，無明顯裂紋，熔覆粉末之間的合金組織穩(wěn)定，證明了通過激光熔覆技術(shù)進(jìn)行冶金加工的可行性。然而，熔覆層與基板結(jié)合處存在單個較大的氣孔（圖7和圖8），對熔覆層與基體的結(jié)合強(qiáng)度有一定程度的影響。該氣孔形成原因可能是基板與粉末、粉末與粉末之間存在一定孔隙且粉末顆粒中存在一定量的氣孔，因此在結(jié)合處容易產(chǎn)生較大體積的氣孔。

3 EDS能譜檢測

稀釋率是表征激光熔覆質(zhì)量的一個關(guān)鍵物理量，利用EDS能譜測量儀對試樣1.1、2.1和3.1的元素含量進(jìn)行檢測，以檢測基板對金屬基陶瓷復(fù)合材料熔覆層的稀釋情況。去除微量元素后的檢測結(jié)果與各個元素在加入的粉末中含量對比見表3。

表3 能譜檢測（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 3 Energy spectrum testing (mass fraction) %

試驗過程中，熔覆層粉末Ni–30Fe–20Al的質(zhì)量百分比為57∶33 ∶10，TiC粉末按照與總粉末質(zhì)量的百分比加入，即100g粉末中Ni、Fe、Al、TiC 4種粉末的質(zhì)量在試樣1.1、2.1和3.1中分別為57g、33g、10g、0和51.3g、29.7g、9g、10g以及45.6g、26.4g、8g、20g。因此計算基板對熔覆層的稀釋程度，可通過加入粉末與實際粉末的質(zhì)量比對比計算。

對比熔覆層與基板元素，可以發(fā)現(xiàn)熔覆元素中獨有的只有Al和Ti，而Cr是基板稀釋后引入到熔覆層的，因此判斷基板金屬的摻入量可按照Cr元素在熔覆層中的含量計算。Cr元素在基板中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.71%，在試樣1.1、2.1和3.1中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.59%、9.84%和9.83%，按照式（1）近似計算。

其中，S為基板融入熔覆層中比例；CrX為熔覆層中Cr的含量；Cr0為Cr在基板中的含量。計算得試樣1.1中S為31.564%，而試樣2.1和3.1中S為55.367%。由稀釋率定義可得，熔入熔覆層中基板所占比例為熔覆稀釋率

其中，θ為稀釋率；Wd為熔覆層質(zhì)量；Wb為熔覆層中基板的質(zhì)量；WW為熔覆層中熔覆材料的質(zhì)量。在該熔覆層條件下計算可得，熔覆過程中試樣1.1的稀釋率約為31.564%，試樣2.1和3.1的稀釋率約為55.367%。由此可說明在熔覆過程中，熔覆層中引入了部分基板金屬元素，使熔覆層元素的特定配比受到了影響，其力學(xué)性能將會降低；相對于未加入TiC的試樣1.1，添加TiC的試樣2.1和3.1的稀釋率較高，也可以說明TiC陶瓷的加入對試樣的稀釋率有一定的影響。

4 顯微硬度檢測

為了研究所得熔覆層的組織性能，使用MVS–1000D1顯微硬度測試儀測量熔覆層的截面硬度分布情況，加載砝碼200g，保荷15s，以第2組試樣為例，采用GB/T 4342—1991《金屬顯微維氏硬度測試方法》對含不同TiC粉末（0 TiC、10%TiC和20%TiC）的熔覆層和不銹鋼基板進(jìn)行顯微硬度檢測。在顯微硬度測量過程中，對不同TiC含量的試樣1.1、2.1和3.1的熔覆層分別從橫向和縱向進(jìn)行硬度測試，測量硬度的取點情況如圖9所示，橫向和縱向硬度值分布規(guī)律如圖10所示。

圖9 不同TiC含量下的熔覆層硬度取點位置Fig.9 Selected hardness points in cladding layer for deferent TiC contents

由圖10可知，每個試樣橫向和縱向的硬度分布并沒有特別明顯的規(guī)律，四周硬度略低于中心部分，熔覆層內(nèi)部的硬度總體上分布均勻。均勻的硬度分布說明熔覆層組織分布均勻，各方向力學(xué)性能相同。對比3個試樣的橫向和縱向顯微硬度曲線可發(fā)現(xiàn)，隨著合金中TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，試樣熔覆層的顯微硬度增大，當(dāng)TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，熔覆層橫向顯微硬度達(dá)到最大。相對于未添加TiC的熔覆層，TiC硬質(zhì)相粒子的添加提高了熔覆層硬度，由于添加TiC后，熔覆層晶粒更為細(xì)小，組織更加致密，還生成了更多的其他硬質(zhì)相，但TiC含量增多也會引起組織晶粒長大，使得整體組織變得更為粗大，因而硬度達(dá)到一定值后不再上升。

圖10 橫向和縱向硬度分布規(guī)律Fig.10 Transverse and longitudinal hardness distribution

圖11為熔覆層截面硬度平均值的增長規(guī)律。可知，熔覆層的硬度隨TiC粉末含量的增加逐漸升高，且橫向平均值與縱向平均值基本相同。試樣1.1、2.1和3.1熔覆層硬度的平均值分別為212.83HV、247.56HV和274.35HV，除試樣1.1（未加入TiC）的熔覆層硬度低于基板硬度220.6HV外（熔覆層屬于重鑄層，且基板對熔覆層有稀釋作用，因此硬度有所降低），其他試樣的熔覆層硬度均高于基板，且隨著TiC含量的增加而提高。其中，試樣3.1（加入20%TiC粉末）的熔覆層硬度較基板平均值提高了50HV左右，該試樣硬度平均值為274.35HV。這說明基板對熔覆層的稀釋對熔覆層的力學(xué)性能產(chǎn)生了一定的影響，但是在加入了TiC粉末后，熔覆層的性能仍得到了一定程度的提高。

圖11 平均硬度分布Fig.11 Average hardness distribution

5 X射線衍射分析

為了進(jìn)一步研究熔覆層中物相組成較基板的變化情況，分析熔覆層硬度提高的原因，對基板和試樣1.1、2.1、3.1分別進(jìn)行了X射線衍射檢測試驗，檢測結(jié)果如圖12所示。

圖12 試樣和基板物相檢測Fig.12 X-ray Diffraction result of samples and substrate

圖12中a、b、c、d分別表示基板、試樣3.1、2.1和1.1的X射線衍射曲線。對XRD檢測結(jié)果分析可以得出，基板主要為奧氏體組織。熔覆層中各種成分以及部分基板元素在熔覆過程中激烈反應(yīng)，主要物相為{Ni，Al}（包括AlNi3）和{Fe，Ni}（包括Fe3Ni2、Fe0.64Ni0.36）相。加入TiC粉末試樣的衍射峰較低，這是因為TiC陶瓷粉末顆粒加入后，雖在熔覆層中檢測到了TiC增強(qiáng)相，但加入的TiC顆粒含量較低，且散布于熔覆層中，因此衍射峰較低。檢測過程中發(fā)現(xiàn)，熔覆層中可能存在新的{Ti，C}陶瓷增強(qiáng)相（如Ti8C5）以及Al0.5CNi3Ti0.5相，說明在激光高溫下部分TiC陶瓷粉末發(fā)生了分解化合，且部分陶瓷相與金屬相發(fā)生了固溶。鎳鋁化合物是一種性能較高的化合物，經(jīng)鐵元素固溶后會提高材料的室溫塑性。添加TiC陶瓷顆粒后熔覆層內(nèi)產(chǎn)生了新的碳化物增強(qiáng)相，可進(jìn)一步提升了復(fù)合材料的力學(xué)性能，所以含TiC陶瓷顆粒熔覆層的硬度要比Ni–30Fe–20Al復(fù)合材料熔覆層的硬度高。

結(jié)論

為探索激光熔覆TiC增強(qiáng)Ni-30Fe–20Al復(fù)合材料工藝，分析TiC含量對復(fù)合材料性能的影響規(guī)律，利用激光熔覆技術(shù)分別制備了TiC含量為0、10%、20%的陶瓷顆粒增強(qiáng)Ni–30Fe–20Al復(fù)合材料，并對復(fù)合材料的宏觀形貌、微觀組織、物相組成、顯微硬度等進(jìn)行了表征分析。

（1）加入TiC后可使原有晶粒得到細(xì)化，其中10%TiC熔覆層組織晶粒細(xì)小且致密，當(dāng)熔池中有過量的TiC顆粒后，熔覆組織晶粒逐漸增大，并可觀察到明顯的碳化物析出。

（2）當(dāng)Ni–30Fe–20Al合金粉末中加入TiC后，激光熔覆層不僅存在TiC化合物，還生成了Ti8C5、Al0.5CNi3Ti0.5等新物相。

（3）部分TiC顆粒與金屬顆粒固溶形成了不同原子比例的新相，在一定程度上提高了Ni–30Fe–20Al合金熔覆層的硬度，熔覆層金屬硬度隨著加入TiC粉末比例提高而增高，在TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時達(dá)到最大，其平均硬度值為274.35HV，較基板平均值提高了22.4%。