激光激光熔覆ic顆粒強化ni基合金復合涂層的研究

激光激光熔覆ic顆粒強化ni基合金復合涂層的研究

用激光研磨制備的金屬復合層，能有效地將金屬材料的強度、強度、抗耐堿性和良好的工藝性以及陶瓷材料的優(yōu)良耐堿性、耐候性和化學穩(wěn)定性結(jié)合起來，大大提高材料的表面性能，使一般材料表面達到超硬、超薄、超耐腐蝕等特殊性能。特別適用于各種電極條件下的關鍵部件強化，以及良好的發(fā)展前景。利用預置涂層法雖然可以制得顆粒強化的金屬基復合涂層,但在實際應用中卻受到諸多限制。這是因為預置涂層法一般只適合于在平整的表面上進行熔覆;預置涂層法在工藝上難以保證涂層厚度的均勻性,而且在進行大面積熔覆的時候,由于前道熔覆引起的熱變形,會使得預置涂層脫落而影響熔覆效果。相對于預置涂層法,同步送粉法由于其操作的靈活性、便于實現(xiàn)自動化以及在熔覆過程中可以隨時隨地的改變?nèi)鄹埠辖鸬某煞侄诮陙淼玫搅藦V泛應用。因此本文利用送粉式激光表面熔覆技術來探索制備原位自生TiC顆粒增強Ni基合金復合涂層,并對熔覆層的組織形成和演化規(guī)律進行研究。實驗材料與方法實驗用基體材料為45號鋼,其成分為0.43C,0.22Si,0.52Mn,0.02S,0.01P,余Fe(wt%),試樣大小為15mm×15mm×40mm。待熔覆面經(jīng)磨削加工,表面粗糙度為Ra=0.2μm,熔覆前用丙酮和無水乙醇清洗。涂覆用原材料為200目的Ni基合金粉末(Ni60A),純度99.7%的Ti粉(粒度200目)和粒度為180目,石墨含量為40wt%鎳包石墨,Ni基合金粉的成分見表1。將Ti粉和石墨粉按TiC的化學配位比進行配比,加入量控制為15%(重量百分比)。稱量后在研缽中研磨混合均勻后作為熔覆送粉用涂層材料。實驗用激光器為3kWCO2快速軸流激光器(PRC-3000),光斑直徑3mm,掃描速度2.5-5mm/s,用高純氬氣進行保護,流量為6l/min,送粉速度為3.26g/min。采用TH-1型氣動正壓式送粉器,噴嘴為分體式垂直裝卸同軸送粉噴嘴,圖1為送粉式激光熔覆工藝過程示意圖。金相試樣沿涂層橫向截取,經(jīng)研磨拋光后用氫氟酸和硝酸混合液(HF:HNO3=10:100)進行化學腐蝕。利用RigakuD-MAX型X-射線衍射儀(CuKa)對涂層的物相結(jié)構進行鑒定。用CSM950掃描電鏡觀察熔覆層的微觀組織,并用其附帶的能譜分析儀對相的成分進行測定。利用HX-200顯微硬度計對熔覆層的顯微硬度分布進行測量。結(jié)果與分析1.光工藝參數(shù)下重熔一次見圖1圖2是送粉法激光熔覆后得到的熔覆層宏觀形貌(單道四層熔覆后再在相同激光工藝參數(shù)下重熔一次)。由圖可見,熔覆層宏觀質(zhì)量完好,沒有宏觀裂紋和氣孔等缺陷,與基體完全冶金結(jié)合。熔覆過程在熔覆層表面經(jīng)常會出現(xiàn)粘粉現(xiàn)象,從而使得熔覆層表層較為粗糙,但經(jīng)激光表面重熔后,表面質(zhì)量將大為改觀。2.熔覆層組織及成分的變化圖3為熔覆層組織的X-射線衍射圖。由于可能存在的物相的晶格常數(shù)相近,同時由于激光熔覆過程是一個典型的快速凝固過程,快速凝固作用使各物相的固溶極限擴大,晶格常數(shù)發(fā)生變化,因而使得熔層中組織的物相鑒別困難。由于熔覆層材料主要由Ni、Cr、B、Si、Ti、C、Fe等元素組成,因此最終確認熔覆層組織由γ-奧氏體枝晶、M23C6、TiC、CrB和Ni3B等相組成。衍射圖中TiC峰的出現(xiàn)證明在送粉式激光熔覆過程中TiC強化相可以由石墨和Ti直接原位反應合成。圖4是熔覆層微觀組織掃描電鏡照片。由圖可見熔覆層以外延生長的方式從基體長出,熔覆層與基體呈完全的冶金結(jié)合。熔覆層的整體結(jié)構是均勻的,不過,在熔覆層與層之間存在明顯的熔合界面,見圖4(a)。在熔覆層與基材的結(jié)合部有一條白亮帶,這是由于在熔覆層底部溫度梯度很大,而這里的生長速度又很小,熔覆層組織以平界面生長的結(jié)果。隨著離熔池底部距離的增加熔覆層內(nèi)的組織發(fā)生了顯著變化,由平界面生長轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪钪?。由于是多層熔?因此后一熔覆層遵循同樣的規(guī)律以外延生長的方式從前一熔覆層的頂部向上生長,以此方式循環(huán)進行,形成了整個熔覆層組織。由于多次熔覆,熔覆層底部受多次熱的循環(huán)作用,因此在熔覆層底部與直接預置粉末激光熔覆所獲得的組織相比較,同步送粉的熔覆層底部出現(xiàn)了大量的原位析出的TiC顆粒,這些TiC顆粒彌散分布于奧氏體枝晶上或枝晶間,其直徑約為1～2μm,見圖4(c)。對圖4(c)中顆粒的成分進行了能譜分析,其結(jié)果見表2。能譜分析結(jié)果表明:圖中呈小晶面生長的白色顆粒A和B均為TiC。在熔覆層底部由于基體的稀釋作用比較大,因此在能譜分析的時候出現(xiàn)了較多的Fe元素。而圖4(c)中細棒狀物C則為復雜碳化物(Cr,Fe)23C6。圖4(d)為熔覆層中部組織,可見隨著熔覆的進行,熔池中熱積累效應越來越明顯,熔池溫度在逐漸增高,Ti和C元素的反應和擴散也進行得越來越充分,形成的TiC粒子的尺寸也在變大,達到5～6μm。當然,由于熔覆時掃描速度較快,因此在熔覆層中會出現(xiàn)一些不能完全反應的由Ti和C元素組成的顆粒,如圖4(e)所示,能譜分析表明其中含23.88at.%C,76.12at.%Ti。在熔覆層頂部,通常形成的是大塊的、花狀(枝晶狀)TiC顆粒,與其依附生長的針狀物是CrB,如圖4(f)。3.顯微硬度分布圖5所示為實驗所獲得的激光熔覆涂層中顯微硬度分布曲線,這是激光熔覆四層的結(jié)果。從熔覆層底部到頂部顯微硬度逐層增大,且在每一層內(nèi)呈梯度分布。熔覆層經(jīng)激光表面重熔后,顯微硬度有明顯提高,表層的顯微硬度最大可達到HV0.2=1200,是基體材料顯微硬度的5倍。可以看出從基材到熔覆層顯微硬度平穩(wěn)過渡,而沒有突變,這將保證熔覆層在使用過程中與基體的牢固結(jié)合,不會由于涂層的脆性而導致脫落失效。合成纖維及金相組織的熔覆層(1)利用送粉式激光熔覆技術可以制備原位自生TiC顆粒增強的鎳基合金復合涂層,熔覆層組織由γ-奧氏體枝晶、M23C6、CrB、Ni3B