胡新新,黃 旭,張家誠(chéng),練國(guó)富,陳昌榮,黃文泰,徐偉麒,玉津宇

(1.福建省智能加工技術(shù)及裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 福州 350118;2.福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院,福建 福州 350118)

1 引 言

激光熔覆技術(shù)利用高能激光束,使熔覆粉末和基體表面熔覆層快速熔化并迅速凝固,從而在基體表面形成性能優(yōu)異的熔覆層[1]。但隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,磨損成為機(jī)械零部件的主要失效形式之一[2]。因此通過(guò)制備表面自潤(rùn)滑涂層來(lái)提高材料的耐磨性是一個(gè)重要的研究方向[3]。

目前激光熔覆復(fù)合涂層中添加固體潤(rùn)滑劑,雖然能大幅度提升熔覆層的耐磨性,但同時(shí),固體潤(rùn)滑劑的添加會(huì)降低熔池的流動(dòng)性,導(dǎo)致枝晶間開(kāi)裂敏感性增大[4],在實(shí)際工作中易產(chǎn)生裂紋,進(jìn)而會(huì)顯著降低熔覆層的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。故而為了有效地改善這一現(xiàn)象,科研人員發(fā)現(xiàn),向涂層中添加適量的稀土氧化物可以有效地消除裂紋,細(xì)化晶粒、提高硬度和耐磨性。稀土氧化物可用于提高涂層的機(jī)械性能,并有效降低其開(kāi)裂敏感性[5]。常用的稀土氧化物主要是Y2O3、CeO2、La2O3等[6]。 Zhang等[7]采用激光熔覆制備不同Y2O3含量的Ti基耐磨復(fù)合涂層,結(jié)果表明,添加Y2O3后,涂層表面的裂紋數(shù)量明顯減少,微觀組織明顯細(xì)化,當(dāng)Y2O3添加量為3 %時(shí),涂層耐磨性最佳,涂層的磨損量較不含Y2O3的熔覆層相比下降了47.8 %。楊廣峰等[8]采用激光熔覆技術(shù)在TC4鈦合金表面制備了不同Gd2O3添加量的Gd-YSZ涂層,結(jié)果表明,稀土Gd能夠顯著的細(xì)化晶粒,進(jìn)而提升材料的綜合性能。張梁等[9]利用激光熔覆技術(shù)在45鋼表面制備添加不同含量的La2O3的304L復(fù)合涂層,結(jié)果表明:La2O3能夠提高熔池的流動(dòng)性,細(xì)化熔覆層的顯微組織,提高熔覆層的顯微硬度和耐磨性,當(dāng)La2O3的含量為1 %時(shí),熔覆層性能最佳,平均硬度提高了20.6 %,摩擦系數(shù)與磨損量分別降低了14.2 %、24.9 %。

但經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),稀土Y2O3比La2O3和CeO2具有更好的非均相成核作用,這可以有效改善硬質(zhì)相的均勻分布,從而有效的提高涂層的顯微硬度[10]。

課題組通過(guò)前置實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鎳基合金具有較優(yōu)的物理、化學(xué)性能和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì),且NbC的密度(7.6 g/cm3(25 ℃))與鎳基合金密度(8.4g/cm3(25 ℃))相近,當(dāng)二者混合時(shí)不容易偏析導(dǎo)致混合不均[11]。然而,NbC增強(qiáng)鎳基涂層的耐磨性有限,因此向涂層中添加少量固體潤(rùn)滑劑h-BN@Cu,可以有效改善涂層摩擦磨損性能。但是通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)僅僅通過(guò)優(yōu)化激光熔覆工藝參數(shù)、調(diào)整熔覆材料和其配比仍然難以消除裂紋缺陷。而Y2O3具有良好的物理和化學(xué)性質(zhì),可用于細(xì)化晶粒,抑制涂層開(kāi)裂,消除氣孔,改善硬質(zhì)相在涂層中均勻分布,增強(qiáng)涂層復(fù)合材料的力學(xué)性能,同時(shí)有Y2O3還可以降低涂層的殘余應(yīng)力和裂紋敏感性[12-14]。本文采用激光熔覆技術(shù)在45鋼表面制備了不同Y2O3含量的Ni60+NbC+h-BN@Cu復(fù)合涂層,研究了Y2O3含量對(duì)熔覆層顯微組織、物相組成、顯微硬度和耐磨性的影響。

2 實(shí)驗(yàn)材料及過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用基體材料為45鋼,尺寸為40 mm×20 mm×10 mm,其化學(xué)成分如表1所示。熔覆材料為Ni60粉末、NbC粉末、h-BN@Cu粉末、以及Y2O3粉末,其中Ni60粉末粒徑為74～300 μm,其化學(xué)成分如表2所示。所用的NbC粉末純度為99.99 %,h-BN@Cu粉末制備是選用粒徑為100 nm的Cu粉和粒徑為1 μm的h-BN粉末作為外加粉末,并通過(guò)高能球磨的方式將Cu粉包覆在h-BN粉末表面而制成。Cu粉與h-BN粉末的比例為3∶1,具體球磨操作為:在400 r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行4 h的球磨,其中研磨球與物料量之比為3∶1,Y2O3純度為99.9 %。在熔覆材料中,選取Ni60+20 %NbC+10 %h-BN@Cu+Y2O3粉末作為熔覆粉末,Y2O3的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0.5 %、1 %、1.5 %、2 %。如表3所示。

表1 45鋼的化學(xué)成分

表2 Ni60的化學(xué)成分

表3 復(fù)合涂層的粉末配比(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)采用預(yù)置涂層法,在進(jìn)行熔覆實(shí)驗(yàn)前,先將粉末放入烘干箱進(jìn)行干燥處理,然后選用100～1000目砂紙打磨45鋼表面,并使用無(wú)水乙醇進(jìn)行擦拭,以去除表面氧化膜和油污。使用電子分析天平稱量實(shí)驗(yàn)所需的熔覆粉末,后將稱量好的粉末倒入裝有研磨球的球磨罐中,使用行星球磨機(jī)進(jìn)行球磨,研磨球和粉末量之比為3∶1,并在200 r/min的轉(zhuǎn)速下球磨2 h。隨后將球磨后的粉末倒入研磨缽中,向其中加入聚乙烯醇(PVA)粘結(jié)劑并持續(xù)攪拌。然后將基體放入特制的模具中,并將熔覆粉末平鋪在基體表面,使用壓片機(jī)以100 MPa的壓力,持續(xù)1 min,制備1 mm厚的預(yù)置粉層,最后將其放入150 ℃真空烘干機(jī)中烘2 h。烘干后采用YLS-3000激光器在工藝參數(shù):離焦量10 mm、激光功率1500 W、掃描速度5 mm/s,保護(hù)氣為氬氣的條件下進(jìn)行熔覆實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 宏觀形貌分析

圖1為添加不同含量Y2O3的熔覆層截面形貌。利用ImageJ計(jì)算各熔覆層稀釋率分別為6.9 %、11.8 %、14.1 %、19.6 %、18.3 %,添加Y2O3后,熔覆層的稀釋率總體上呈增大趨勢(shì),這是由于添加Y2O3可以提升熔覆材料的激光吸收效率[15],使熔池獲得更多能量,從而增大熔覆層稀釋率。從圖中還發(fā)現(xiàn),當(dāng)Y2O3含量小于2 %時(shí),熔覆層截面均無(wú)氣孔缺陷。而當(dāng)Y2O3的添加含量為2 %時(shí),在圖1(e)中發(fā)現(xiàn)熔覆層底部存在明顯的氣孔,這是由于添加過(guò)量的Y2O3后,造成熔池中的夾雜物增多[16],熔池流動(dòng)性下降,氣孔無(wú)法及時(shí)逸出。

圖1 不同Y2O3含量的熔覆層截面形貌

圖2為經(jīng)過(guò)著色探傷后的不同Y2O3含量的單道熔覆層表面形貌照片。從圖2中可以直觀地發(fā)現(xiàn):在不添加Y2O3樣件的熔道表面,沿掃描速度方向存在4道明顯的裂紋,且探傷后裂紋處的顏色較深,表示縫隙處含有較多的探傷劑,裂紋縫隙較大,這說(shuō)明不添加Y2O3的熔覆層有非常強(qiáng)烈的開(kāi)裂行為。與不加Y2O3的樣件相比,添加0.5 %Y2O3樣件的裂紋數(shù)目下降為3道,且裂紋處的顏色明顯變淡,表示裂紋處的縫隙變窄,這說(shuō)明開(kāi)裂行為得到一定的抑制。添加1 %Y2O3樣件的熔覆層中未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋,熔覆層的開(kāi)裂行為得到很好的控制。然而,在添加1.5 %Y2O3和2 %Y2O3樣件的熔覆層中又發(fā)現(xiàn)了裂紋,且隨Y2O3含量的繼續(xù)增加,裂紋的數(shù)目反而增多,裂紋處的顏色加深,這說(shuō)明此時(shí)的熔覆層又具有很強(qiáng)的開(kāi)裂行為。通過(guò)著色探傷的結(jié)果可知:添加適量的Y2O3可以減少或消除熔覆層的裂紋缺陷。在熔覆過(guò)程中伴隨著驟熱和驟冷,因此會(huì)積累由熱應(yīng)力和組織應(yīng)力組成的殘余應(yīng)力[17]。在應(yīng)力的影響下,首先在晶界處容易產(chǎn)生微裂紋,隨后微裂紋會(huì)沿脆性組織的邊界快速擴(kuò)展[18]。查閱相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合著色探傷的結(jié)果可知:添加適量的Y2O3可以改善熔覆層與基體的熱膨脹差異,降低熔覆層與基體之間的熱應(yīng)力,減少甚至消除熔覆層中的裂紋缺陷[19]。而當(dāng)Y2O3過(guò)量時(shí),會(huì)使熔池中的夾雜物增多,降低了熔池的流動(dòng)性,導(dǎo)致熔覆層微觀組織分布不均勻,從而產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域,引發(fā)熔覆層開(kāi)裂[20]。

圖2 著色探傷后的表面形貌

3.2 XRD物相分析

圖3為不同稀土Y2O3含量的熔覆層X(jué)RD圖譜,從圖中可以發(fā)現(xiàn)熔覆層的物相組成大致相同,主要為Ni-Cr-Fe、FeNi3、M23C6、M7C3、NbC、CrB、h-BN、Cr2Nb等物相,這表明添加Y2O3并未對(duì)物相產(chǎn)生較大的改變。碳化物主要以M23C6、M7C3和NbC的形式存在(其中,M表示Ni、Cr和Fe)。隨著Y2O3添加量的增加,M7C3的峰值強(qiáng)度先增加后降低。此外,51°衍射峰在加入Y2O3后消失,是因?yàn)閅對(duì)元素C有較強(qiáng)的吸附作用,這導(dǎo)致元素C在晶界處偏析[10]。當(dāng)元素C的濃度在晶界處增加到一定程度時(shí),碳化物從M23C6相轉(zhuǎn)變?yōu)镸7C3相[16]。此外,一方面由于稀土元素含量較低且大多在晶界偏聚,另一方面其在熔池中會(huì)與S、P等元素生成稀土化合物并上浮排出熔池,因此在XRD圖譜中并未檢測(cè)出Y2O3的衍射峰[21]。

圖3 不同試樣熔覆層的XRD圖譜

3.3 顯微組織分析

圖4為添加不同含量Y2O3的熔覆層頂部顯微組織照片,表4為與之對(duì)應(yīng)的EDS元素分析結(jié)果。結(jié)合XRD分析可知:不添加Y2O3的熔覆層主要由塊狀的NbC顆粒、Ni基胞晶、長(zhǎng)條狀的CrB、樹(shù)枝狀的M23C6和M7C3組成,顯微組織平均晶粒尺寸為0.58 μm。與未添加Y2O3的熔覆層相比,添加Y2O3后,雖然硬質(zhì)相部分發(fā)生分解,但是熔覆層的顯微組織得到了明顯細(xì)化。當(dāng)Y2O3的添加含量為0.5 %時(shí),熔覆層中的長(zhǎng)條狀和樹(shù)枝狀組織出現(xiàn)鈍化,變成不規(guī)則的塊狀結(jié)構(gòu),顯微組織尺寸明顯細(xì)化。當(dāng)添加1 %Y2O3時(shí),顯微組織更加致密均勻,枝晶生長(zhǎng)的方向性減弱,晶粒尺寸進(jìn)一步細(xì)化。這是由于稀土元素Y傾向在晶界偏聚,這既可以降低晶粒形核所需的吉布斯自由能和臨界形核功[22],促進(jìn)更多細(xì)小晶粒的形成,又可以起到釘扎晶界、抑制晶粒長(zhǎng)大的作用[23]。值得注意的是,在添加1 %Y2O3的熔覆層中還彌散分布著大量花瓣?duì)罨蚴譅畹腘bC顆粒,這是熔池中原位生成的NbC顆粒。然而,當(dāng)Y2O3含量繼續(xù)增加后,鎳基基底并未繼續(xù)細(xì)化,其尺寸反而明顯增大。這是由于當(dāng)添加過(guò)量的Y2O3時(shí),稀土元素Y會(huì)在晶界處形成第二相化合物,釋放出更多的相變潛熱,降低了過(guò)冷度,反而削弱了組織細(xì)化的效果,使得顯微組織尺寸變大[24]。

圖4 添加不同Y2O3含量的熔覆層頂部顯微組織

表4 熔覆層頂部EDS結(jié)果

3.4 顯微硬度分析

圖5為添加不同含量Y2O3的熔覆層硬度折線圖。由圖可知:在熔覆層頂部,未添加Y2O3的硬度為650 HV1.0,添加0.5 %Y2O3的硬度為725 HV1.0,添加1 %Y2O3時(shí)的硬度達(dá)到最高,為770 HV1.0。相較于未添加Y2O3的熔覆層,其增幅達(dá)到了18.4 %,這說(shuō)明添加適量的Y2O3可以顯著提升熔覆層的硬度,其效果達(dá)到了優(yōu)化熔覆層機(jī)械性能的目的。對(duì)比圖4(a)和4(c)可知,硬度的提高主要得益于適量Y2O3導(dǎo)致的細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng),晶粒越細(xì),則晶界面積越大。對(duì)于多晶體而言,晶界兩側(cè)的位錯(cuò)取向各不相同,一側(cè)的位錯(cuò)無(wú)法直接穿過(guò)晶界進(jìn)入另一側(cè)的晶粒,只有當(dāng)晶界處由于位錯(cuò)引起的應(yīng)力集中積累到一定程度后,才能激發(fā)相鄰晶粒中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生滑移,晶界起到了阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用[25]。另一方面,晶粒的細(xì)化使得晶粒的體積減小,導(dǎo)致一定體積內(nèi)位錯(cuò)密度上升,由此產(chǎn)生了更為密集的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò),使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到阻礙[26]。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到阻礙會(huì)使熔覆層硬度上升。然而,當(dāng)Y2O3的含量繼續(xù)增加后,硬度不升反降。添加1.5 %Y2O3和2 %Y2O3的熔覆層硬度分別為700 HV1.0、660 HV1.0。對(duì)比圖4(c)和4(e)可知,這是熔覆層組織粗化,即細(xì)晶強(qiáng)化作用下降造成的。另外,在距離熔覆層表面0.85～1.25 mm區(qū)域內(nèi),硬度下降明顯。結(jié)合圖1可知,這是由于添加Y2O3后,稀釋率增大,使較軟的45鋼熔化進(jìn)入熔池,導(dǎo)致該階段的硬度出現(xiàn)下降。

圖5 添加不同含量Y2O3的熔覆層硬度折線圖

3.5 耐磨性能分析

圖6為添加不同含量Y2O3熔覆層的摩擦系數(shù)和磨痕寬度圖。不添加Y2O3的熔覆層摩擦系數(shù)約為0.4,磨痕寬度為0.406 mm。隨著Y2O3含量的增加,熔覆層的摩擦系數(shù)和磨損寬度總體上均先降后升。當(dāng)Y2O3的添加含量為1 %時(shí),熔覆層的耐磨性能最優(yōu),其摩擦系數(shù)下降至0.3,磨痕寬度僅為0.322 mm。結(jié)合圖5的分析可知:更高的硬度賦予了熔覆層更為優(yōu)異的耐磨性。此外,根據(jù)張?zhí)靹偟热说难芯靠芍?偏聚于晶界的Y2O3也能起到降低晶界脆性的作用[27],這也有利于提升熔覆層的耐磨性能。當(dāng)Y2O3的添加含量超過(guò)1 %時(shí),摩擦系數(shù)和磨痕寬度不降反升。并且在Y2O3的添加含量為2 %時(shí),摩擦系數(shù)增大至0.43,且存在一定的波動(dòng),磨痕寬度增大至0.401 mm。結(jié)合圖1(e)可知,當(dāng)Y2O3過(guò)量時(shí)由于夾雜物的形成和聚集使熔覆層中存在微小氣孔,氣孔的存在會(huì)顯著降低熔覆層的耐磨性能。

(a)摩擦系數(shù)

圖7為不同Y2O3含量的熔覆層磨痕表面SEM照片。當(dāng)不添加Y2O3時(shí),熔覆層中存在一些脫落顆粒以及由脫落的硬質(zhì)顆粒犁削出的較淺的溝槽,此時(shí)摩擦系數(shù)相對(duì)較大,熔覆層的磨損形式為磨粒磨損。當(dāng)添加1 %Y2O3時(shí),磨損表面未發(fā)現(xiàn)明顯溝槽,但仍殘留少許脫落顆粒,磨損表面較為光滑整潔,結(jié)合圖4和圖5分析可知,由于Y2O3在熔覆層中起到了細(xì)晶強(qiáng)化的作用,有效減輕了摩擦副對(duì)熔覆層的塑性剪切作用,此時(shí)摩擦系數(shù)也相對(duì)較小,呈現(xiàn)輕微的磨粒磨損形式。當(dāng)過(guò)量添加Y2O3時(shí),使熔覆層硬度的下降,摩擦副與磨損表面易發(fā)生金屬粘著,磨損表面出現(xiàn)了較多的粘著磨屑,摩擦系數(shù)也增大,此時(shí)熔覆層的磨損形式為粘著磨損。

圖7 添加不同Y2O3含量的熔覆層磨痕表面SEM圖像

4 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)采用激光熔覆技術(shù)在45鋼表面制備添加不同Y2O3含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、0.5 %、1 %、1.5 %、2 %)的鎳基復(fù)合復(fù)合涂層,研究了不同Y2O3含量對(duì)復(fù)合涂層的成形質(zhì)量、相組成、顯微組織、顯微硬度和摩擦學(xué)性能的影響,得出了以下給論。

(1)Y2O3的添加對(duì)復(fù)合涂層的成形質(zhì)量具有顯著的影響,影響其稀釋率、裂紋和氣孔缺陷。當(dāng)Y2O3含量為1 %時(shí),稀釋率為14.1 %,裂紋消失且無(wú)氣孔缺陷。

(2)添加Y2O3后,熔覆層的物相組成沒(méi)有發(fā)生明顯改變,主要為Ni-Cr-Fe、FeNi3、M23C6、M7C3、NbC、CrB、h-BN、Cr2Nb等。但是涂層的顯微組織得到了明顯的細(xì)化,當(dāng)Y2O3含量為1 %時(shí),顯微組織最為致密、均勻,綜合性能最優(yōu)。

(3)在Y2O3含量逐步增加的過(guò)程中,熔覆層的硬度和耐磨性先升后降。在Y2O3含量為1 %時(shí),熔覆層頂部硬度約為770 HV1.0,摩擦系數(shù)和磨痕寬度分別為0.3和0.322 mm。相較于未添加Y2O3的熔覆層,硬度增幅達(dá)到了18.4 %,摩擦系數(shù)減小了0.1,磨痕寬度減小了0.084 mm。