徐歡歡,林 晨,劉 佳,張 梁,申井義
(青島理工大學機械與汽車工程學院,青島 266520)
摘 要:以鎳包碳化鎢粉和 CeO2 粉的混合粉為原料,采用激光熔覆技術在42CrMo鋼表面制 備 WC增強鎳基合金涂層,研究原料中 CeO2 質量分數(0~2.0%)對涂層物相組成、顯微組織、硬 度和耐磨性能的影響。結果表明:添加 CeO2 后涂層的物相由 γ-(Ni,Fe)固溶體、Ni3Fe、WC、 Cr23C6、M7C3(M=Fe、Cr)以及少量的 CeNi3 組成;涂層與基體間形成了良好的冶金結合;當 CeO2 的質量分數為1.0%時,組織致密均勻,細化效果最明顯;隨著 CeO2 含量的增加,涂層的硬度呈先 升高再下降的趨勢,摩擦因數和磨損量呈先降低后增加的趨勢;添加質量分數1.0% CeO2 涂層的 平均硬度最高,為956.0HV,比未添加 CeO2 的提高了29%,平均摩擦因數和平均磨損體積最小, 分別為0.383,11.25×10 -3 mm 3,與未添加 CeO2 的分別降低了27%和20%,涂層的耐磨性能最 好,磨損機制為輕微的磨粒磨損。
關鍵詞:激光熔覆;CeO2;WC增強鎳基合金涂層;組織;硬度;耐磨性能
中圖分類號:TG174.4 文獻標志碼:A 文章編號:1000-3738(2021)07-0027-08
0 引 言
42CrMo鋼是一種常見的中碳低合金結構鋼,具有強度高、韌性好以及淬火時變形小等優點,廣泛應 用于制造車輛的曲軸和連桿、增壓器傳動齒輪以及后 軸等重要零部件[1-2]。由于這些零部件在服役過程中 主要是作為運動件,經常發生以磨粒磨損為主要機制 的失效,因此利用適當的強化處理技術提高其表面摩 擦磨損性能具有重要的意義[3-4]。
激光熔覆技術作為一種新型的表面改性技術, 通過在金屬材料表面制備出具有耐磨、耐腐蝕和抗 高溫氧化性能的涂層來達到提高材料表面性能和降 低生產成本的目的[5]。在傳統的激光熔覆工藝中一 直存在著粉體與基體之間的熱膨脹系數和導熱系數 相差較大等問題,這些問題會導致熔覆層中出現粗 大晶粒、氣孔和裂紋等缺陷,從而嚴重制約了激光熔 覆技術在實際生產中的應用[6-7]。目前,國內外研究 學者通過基體材料預熱處理、激光熔覆中施加同步 能量場、原料粉中添加稀土元素等輔助工藝來提高 激光熔覆層質量,其中,在合金粉中添加稀土元素的 方法因具有凈化熔池、細化涂層組織、減少涂層缺 陷、提高涂層耐磨性能等作用而得到研究者們廣泛 的關注[8-9]。崔朋賀等[10]研究發現,加入 Y2O3 能 有效促進激光熔覆顆粒增強金屬基復合涂層中增強 相的形成,涂層中的氣孔和夾雜物數量減少,增強相 細化且分布更均勻,同時涂層和基體的結合性能提 高。張光耀等[11]研究發現,添加質量分數5%CeO2 可以有效減少激光熔覆 Ni60合金涂層中孔洞和裂 紋的數量,改善涂層的組織形態。WENG 等[12]研 究發現,添加 CeO2 可以改善多相增強鈷基合金涂 層的 顯 微 組 織,提 高 顯 微 硬 度 和 耐 磨 性 能。LI 等[13]研究發現,添加 Y2O3 可以細化 TiB/TiC復合 涂層的初生相組織,改善組織均勻性,并提高涂層的 韌性。可以看出,添加適量的稀土元素能夠明顯改 善熔覆層的組織和性能。
激光熔覆 WC 增強鎳基合金涂層具有晶粒細 小、硬度高以及耐磨性良好等優點[14-15],目前相關 研究主要集中在優化工藝參數方面,而有關稀土元 素對其組織和性能影響的研究報道很少。因此,作 者選用較大光斑直徑、多道搭接的激光熔覆工藝,在 42CrMo鋼基體表面制備 WC 增強鎳基合金涂層, 研究了熔覆原料中 CeO2 含量對涂層顯微組織、物 相組成、顯微硬度以及耐磨性能的影響。
1 試樣制備與試驗方法
基體材料為42CrMo鋼,采用電火花切割機將其 切割成尺寸為60mm×40mm×15mm 的試樣,用砂紙打磨去除表面氧化皮,然后用無水乙醇和丙酮清洗 表面,晾干待用。熔覆主原料選用中國冶金科學院生 產的具有核殼結構的鎳 包 碳 化 鎢 粉,粒 徑 為 48~ 106μm,化學成分如表1所示。在鎳包碳化鎢粉中添 加質量分數分別為0,0.5%,1.0%,1.5%,2.0%的純 度不低于99%的 CeO2 粉,CeO2 粉呈團簇狀,如圖 1所示;采用行星式球磨機將粉體混合均勻,球磨轉 速為300r·min -1,球磨時間為2h。選用質量分數 為20%的松香酒精溶液作為黏結劑,在培養皿中與 混合粉體攪拌均勻后,將其預置于基體表面,預置厚 度為1.5mm,然后放入80 ℃烘箱中保溫4h。
采用 FL020型光纖激光器進行激光熔覆試驗, 采用經多次正交試驗得到的最優工藝參數:激光功 率1400 W,掃描速度5mm·s -1,光斑直徑4mm, 多道熔覆搭接率40%。在熔覆試驗過程中為了防 止涂層高溫氧化,采用純度99.9%的氮氣作為保護 氣體,氣體流量為15L·min -1。
采用 D/Max2500PC 型 X 射線衍 射 儀 (XRD) 分析涂層 的 物 相 組 成,采 用 銅 靶,Kα1 射 線 波 長 為 0.15418nm,管電壓為40kV,掃描速率為 5 (°)· min -1。在熔覆試樣上截取尺寸為10mm×10mm× 10mm 的試樣,經打磨拋光,用王水(體積比1∶3的 HNO3 與 HCl混合溶液)腐蝕60s后,采用 Merlin Compact型場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察截 面形貌;將涂層表面磨至沒有明顯劃痕,經王水腐蝕 后采用 SEM 觀察涂層中部表面微觀形貌,用附帶 的能譜儀(EDS)分析涂層的微區化學成分。采用 FM700型顯微硬度計測試涂層試樣的截面顯微硬 度 ,載荷為5N,保載時間為5s,測試位置為由涂層與基體的結合界面向兩側每隔0.1 mm 處,相同距 離處測3次取平均值。在涂層試樣上截取尺寸為 10mm×10mm×15mm 的試樣,采用 UMT-3型 多功能摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損試驗,對磨件 為Si3N4 陶瓷球,載荷為20N,試驗時間為20min, 運動方式為往復運動;試驗結束后,用表面粗糙度儀 測磨痕截面輪廓,在磨痕兩端及中間位置分別測量 一次,通過積分得到磨痕的平均截面積,計算出涂層 的磨損體積;采用SEM 觀察涂層的磨損形貌。
2 試驗結果與討論
2.1 物相組成
由圖2可知,加入不同質量分數 CeO2 涂層的 物相組 成 基 本 相 同,均 主 要 由 γ-Ni(Fe)固 溶 體、 Ni3Fe、Cr23C6、WC、M7C3(M=Fe,Cr)等組成。涂 層中添加 CeO2 后,2θ為44°,51°,75°處對應的衍射 峰變寬,衍射強度也相應變強,說明適量 CeO2 的加 入可以起到細化涂層晶粒、改善晶體結構完整性的 作用;當 CeO2 質量分數為1.0%時,此3處對應的 衍射峰最寬,衍射強度也相應最強,說明涂層的晶粒 細化效果最好,晶體結構的完整性較強;添加 CeO2 后,涂層的 XRD 譜中還出現了強度較弱的 CeNi3 的衍射峰,說明部分 CeO2 在激光束高熱輻照作用 下形成 了 鈰 離 子 并 與 其 他 元 素 發 生 反 應 生 成 了 CeNi3 相。
2.2 宏觀與微觀形貌以及微區化學成分
由圖3可以看出,涂層與基體間均形成了良好 的冶金結合。熔覆材料為鎳包碳化鎢和 CeO2 的混 合粉體,CeO2 的含量過低,結合 XRD 分析結果可 知涂層中的大片白色區域為 WC 聚集區。未添加 CeO2(CeO2 質量分數為0)時,涂層中存在氣孔和 裂紋。添加 CeO2 涂層中未出現氣孔、裂紋等缺陷。 當 CeO2 質量分數為0.5%時,涂層中 WC聚集現象 得到一定改善;當 CeO2 質量分數增大至1.0%時, 涂層中 WC 聚 集 區 明 顯 減 少,且 其 分 布 均 勻;當 CeO2 質量分數為1.5%~2.0%時,涂層中又開始 出現大 量 WC 聚 集 區,并 且 隨 著 CeO2 含 量 的 增 加,WC聚集現象越來越嚴重。由此可知,添加適 量的 CeO2 能夠提高熔池中熔融金屬的流動性,減小快速冷卻 所 產 生 的 熱 應 力,使 反 應 生 成 的 氣 體 及時從熔池 中 逸 出,避 免 涂 層 中 出 現 裂 紋 和 氣 孔 缺陷,還能夠減輕 WC的聚集現象,使涂層的成分 更加均勻。
由圖4可以看出,涂層微觀形貌受 CeO2 含量 的影響比較明顯。未添加 CeO2 的涂層主要由粗大 柱狀晶和魚骨狀枝晶組成,且存在大量的 WC 顆粒 聚集區,組織分布非常不均勻;當 CeO2 質量分數為 0.5%時,涂層組織中粗大的柱狀晶和枝晶含量減 少,說明組織開始出現細化傾向,但細化效果不明 顯;當 CeO2 質量分數為1.0%時,涂層主要由細小 枝晶和針狀組織組成,枝晶生長方向性明顯減弱,組 織致密、均勻,粗大柱狀晶被打斷成細小的胞狀晶, 涂層 組 織 細 化 明 顯,WC 聚 集 區 域 明 顯 減 少;當 CeO2 質量分數為1.5%~2.0%時,涂層中出現了粗 大的樹枝狀枝晶和枝晶間的共晶組織,組織分布不 均勻,尤其是當 CeO2 質量分數為2.0%時,涂層中 聚集了大量 WC 顆粒,成分偏析明顯,組織分布混 亂。由此可知,當 CeO2 質量分數為1.0%時,CeO2 對涂層晶粒細化效果最明顯。
由圖5可以看出,鉻、鎢、鎳、硅、鐵、碳等元素在
掃描區域內的分布較均勻。在高能激光束的照射作
用下,CeO2 分解為氧和鈰;鈰是表面活性元素,通
常偏聚于枝晶間界面處,會降低體系的自由能以及
凝固過程中晶核和熔體間的表面張力和界面能[16],
導致晶粒生長的驅動力降低、晶體的生長速率減小;
一部分鈰元素還可與硫、磷、硅等有害元素結合形成
低熔點共晶化合物,并在凝固過程中隨著熔體上浮
而形成熔渣[17]。多數稀土元素的原子半徑很大,易
失去電子形成正離子而在激光熔覆凝固過程中與其
他元素結合形成穩定的化合物,其中 CeNi3 能夠增
加熔池中涂層的形核質點數量,加快形核速率,提高
形核率。同時,CeO2 還可作為異質形核質點,通過
降低臨界形核能來促進形核,從而細化涂層晶粒。
可見,添加適量的稀土元素能夠起到促進形核、凈化
熔池、細化晶粒的作用,并最終達到改善涂層顯微組
織的目的。但是,過量的 CeO2 不僅不會促進氣體
和雜質的及時排出,還會降低熔池中熔體的流動性,
使得熔池中的元素混合不均勻,造成涂層中成分偏
析現象明顯。
為了進一步分析涂層中不同結構組織的成分,
對添加質量分數2.0%CeO2 的涂層的典型區域(如
圖6所示)的化學成分進行分析,結果如表2所示。
由表2可知:A 和 C點的鎳含量較高,結合 XRD 分
析 結 果 和 金 屬 結 晶 理 論 推 斷 分 別 為 γ-Ni(Fe)和
Ni3Fe;B點為粗大柱狀晶,鉻質量分數為67.28%,
可推斷該位置主要由 Cr23C6 和 M7C3 等間隙化合
物組成,這可能是因為在激光熔覆的快速凝固過程
中,添加的稀土元素使鉻元素產生了偏聚效應[18],
并與涂層中彌散分布的碳元素結合生成了新的碳化物;D點呈亮白色,鎢、碳元素含量相對較高,證明該
處可能為 WC 顆粒。在該區域各點處均未檢測出
鈰元素的存在,可能是由于其含量過低所致。
2.3 顯微硬度
由圖7可以看出,隨著 CeO2 含量的增加,涂層 硬度呈先升高再下降的趨勢,且涂層的硬度均高于 基體的。計算得到添加質量分數 0,0.5%,1.0%,1.5%,2.0% CeO2 涂 層 的 平 均 顯 微 硬 度 分 別 為 739.4,798.5,956.0,867.6,881.4HV。可知當CeO2 質量分數為1.0%時,涂層的平均顯微硬度最高,比 未添加 CeO2 的涂層硬度提高了約29%,且硬度分 布曲線較平緩,這是因為加入的 CeO2 具有凈化、細 化組織的作用,能使涂層中 WC 增強相和 Cr23C6、 M7C3 等硬質相的分布更加均勻,細晶強化及彌散 強化效果更加明顯。材料的屈服強度與晶粒尺寸符 合 Hall-Petch關系[19],即材料的屈服強度會隨著晶 粒直徑的減小而增大,相應材料的硬度也會隨之增 大。然而,當添加 CeO2 質量分數超過1.0%時,涂 層的顯微硬度反而下降,這可能是因為 CeO2 的添 加量超過一定值時,液態金屬的流動性降低,從而降 低了晶體 結 構 的 完 整 性,同 時 也 導 致 成 分 偏 析 現 象 明顯,組織缺陷增多,彌散強化效果減弱,所以涂層硬度降低。添加適 量 的 CeO2 可 以 抑 制 組 織 疏 松,加快熔體的流動,并且能夠降低成分偏析程度, 減少氣孔等缺陷數量,使涂層組織趨于均勻化,從而 提高涂層的顯微硬度。
2.4 摩擦磨損性能
由圖8可知,涂層的摩擦因數均隨著磨損時間
的延長呈先快速上升后趨于平穩的趨勢。計算得
到,添加質量分數0,0.5%,1.0%,1.5%,2.0% CeO2
的涂層的平均摩擦因數分別為0.527,0.486,0.383,
0.429,0.443。由圖9可以看出,隨著 CeO2 含量的
增加,涂層的磨損體積呈先降低后增加的趨勢。根
據 Holm-Archard磨損理論[20]可知,材料的硬度與
磨損量成反比;磨損試驗結果與該理論相吻合。添
加 CeO2 后涂層的摩擦因數和磨損量均小于未添加
CeO2 的,且當 CeO2 質量分數為1.0%時,平均摩擦
因數和平均磨損體積均最小,分別為0.383,11.25×
10
-3 mm
3,比未 添 加 CeO2 的 分 別 降 低 了 27% 和
20%,且摩擦因數曲線波動相對平緩。添加適量的
稀土元素能夠促進晶粒細化,減少組織缺陷數量,降
低成分偏 析 程 度,并 且 組 織 中 均 勻 分 布 的 增 強 相
WC和硬質相 Cr23C6 起到良好的抗磨作用,從而提
高了 涂 層 的 耐 磨 性 能。 當 CeO2 的 質 量 分 數 為
1.5%和2.0%時,摩擦因數和磨損量較大,這是因為
過量的稀土元素會降低熔池的流動性,導致成分偏
析程度增大,組織均勻性變差;大量硬質相的聚集降低了涂層的韌性,增加了磨損時涂層的崩損概率,使
得摩擦過程中的裂紋更容易向脆性面擴展,最終造
成磨損加劇,耐磨性降低。
由圖10可以看出:未添加 CeO2 涂層的磨損機制主要為黏著磨損和疲勞磨損,這是因為隨著摩擦
磨損的進行,表面裂紋和氣孔等缺陷處的涂層材料
在對磨件的反復碾壓下開始出現塑性變形,并逐漸
向裂紋和氣孔周圍擴散,導致材料的抗黏結能力下
降,表面材料剝落,造成涂層表面附著較多片狀磨
屑,從而形成嚴重的疲勞磨損和黏著磨損;當 CeO2
質量分數為0.5%時,磨損表面較未添加 CeO2 的平
整,表面僅存在少量塊狀磨屑,磨損機制主要為磨粒
磨損和輕微的黏著磨損,這是由于添加的 CeO2 改
善了涂層的顯微組織,提高了涂層的硬度,增強了涂
層的抗黏結能力;當 CeO2 質量分數為1.0%時,磨
痕最淺且磨損表面最平整,磨損機制為輕微的磨粒
磨損,這是因為此時涂層組織最致密,成分最均勻,
未出現氣孔和裂紋等缺陷,涂層的顯微硬度最高,耐
磨性良好;當 CeO2 質量分數為1.5%~2.0%時,磨
痕比較明顯,磨損表面存在較深的犁溝,且有大塊涂
層材料剝落現象,磨損機制主要為磨粒磨損和輕微
的疲勞磨損,這是因為此時涂層內 WC和 Cr23C6 等
硬質相聚集明顯,對磨過程中塊狀的硬質相從涂層
表面脫落,在循環摩擦力的作用下形成微切削刃,反
復刮擦磨損表面從而形成犁溝。
3 結 論
(1)在鎳包碳化鎢粉中添加 CeO2 后,激光熔 覆涂 層 由 γ-Ni(Fe)固 溶 體、Ni3Fe、Cr23C6、WC、 M7C3(M=Fe、Cr)以及少量 CeNi3 等物相組成;涂 層與基體間形成了良好的冶金結合,當 CeO2 質量 分數為1.0%時,涂層中 WC 顆粒聚集區減少且分 布均勻,未出現氣孔、裂紋等缺陷。
(2)未添加 CeO2 的涂層主要由粗大柱狀晶和 魚骨狀枝晶組成,組織分布不均勻;當 CeO2 質量分 數為0.5%時,涂層組織中粗大的柱狀晶和枝晶含 量減少,組織開始出現細化傾向;當 CeO2 質量分數 為1.0%時,涂層主要由細小枝晶和針狀組織組成, 組織致密均勻,細化效果最明顯;當 CeO2 質量分數 為1.5%~2.0%時,涂層中出現了粗大的樹枝狀枝 晶和枝晶間的共晶組織,成分偏析較明顯。
(3)隨著 CeO2 含量的增加,涂層的硬度呈先 升高再下降的趨勢,摩擦因數和磨損量呈先降低后 增加的趨勢;在細晶強化、彌散強化機制作用下,添 加質量分數 1.0% CeO2 涂層的平均硬度最高,為 956.0HV,比未添加 CeO2 涂層的提高了29%,平 均摩擦因 數 和 平 均 磨 損 體 積 最 小,分 別 為 0.383, 11.25×10 -3 mm 3,比未添加 CeO2 的分別降低了 27%和20%,涂層的耐磨性能最好,磨損機制為輕 微的磨粒磨損。
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