激光熔覆高碳鋼表面納米或納米氧化-ni基合金的組織與性能

激光熔覆高碳鋼表面納米或納米氧化-ni基合金的組織與性能

近年來的結(jié)果表明，納米納米材料與鋁、鎂、銅、鈦等金屬及其合金的結(jié)合取得了優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性。納米磁性金屬絲的形成是材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。雖然納米顆粒在復(fù)合材料中由于其獨(dú)特的性能,能起到很好的強(qiáng)化作用,但由于納米顆粒極易團(tuán)聚,以及與基體較差的相容性,使納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料力學(xué)性能的提高受到很大限制,有待于進(jìn)一步改善。應(yīng)用激光對納米稀土氧化物和鎳基合金進(jìn)行激光熔覆是制造鎳基復(fù)合材料涂層的方法,與傳統(tǒng)的制備納米金屬復(fù)合材料相比有著許多優(yōu)點(diǎn),其結(jié)合強(qiáng)度高,綜合性能有了顯著提高。目前作為顆粒增強(qiáng)體研究較多的是Ti,W,Si,Nb,Zr,Mo的碳化物、硼化物、氮化物等。CeO2屬于立方晶系,具有螢石結(jié)構(gòu),其納米化后將具有更多新的性質(zhì)及應(yīng)用。熊黨生比較研究了幾種不同稀土氧化物對鎳基合金磨損性能的影響,結(jié)果證明CeO2對鎳基合金具有顯著的減摩抗磨效果;梁二軍等通過在鎳基陶瓷熔覆層中加入Y2O3和CeO2比較發(fā)現(xiàn),CeO2在抑制微觀裂紋、細(xì)晶變質(zhì)和提高顯微硬度方面都有更好的效果;田保紅等試驗(yàn)表明CeO2能夠顯著增強(qiáng)NiCrBSi激光熔覆層的界面結(jié)合。為提高工件的使用壽命,大多數(shù)的研究是在其表面激光熔覆Fe,Ni基合金。Fe,Ni基合金含B,Si等元素較多,在較高溫度條件下,特別是含硫等腐蝕介質(zhì)條件下,其應(yīng)用受到一定的限制,因S可與Ni,Fe等元素形成低熔點(diǎn)共晶,使熔覆層的高性能得不到充分發(fā)揮。駱心怡等研究發(fā)現(xiàn)納米氧化鈰顆粒能顯著提高鋅鍍層的耐蝕性。綜上所述,本文選用納米CeO2作為顆粒增強(qiáng)體,比較研究了微米CeO2和納米CeO2分別對Ni基激光熔覆層表面質(zhì)量、組織及耐酸蝕性的影響。1熔覆層的表征試驗(yàn)基材為100mm×100mm×10mm的Q235鋼板塊試樣,表面用金相砂紙磨平。涂層材料為Ni基合金粉末NISP475,化學(xué)成分見表1和2。分別按1.0%,1.5%,3.0%的質(zhì)量比例加入微米CeO2(50～100μm)、納米CeO2(20～50nm)與Ni基合金粉末,放入瑪瑙碾缽中加入少量丙酮,充分?jǐn)嚢?、混合達(dá)數(shù)十分鐘,其中含1.5%,3.0%納米CeO2的Ni基粉采用QM-BP行星球磨機(jī)濕磨(加入酒精)4h,轉(zhuǎn)速為400r·min-1。待均勻后放入120℃的烘箱中烘烤2h,取出后預(yù)制于鋼板試樣表面(厚度約1mm),待用。采用5kWTJ-HL-T5000橫流CO2激光器,其輸出功率為2.0kW,光斑直徑為6mm×3mm,掃描速度為240mm·min-1,多道熔覆搭接率為45%。相同的工藝參數(shù)熔覆兩層。采用數(shù)碼相機(jī)拍攝激光熔覆樣的表面形貌;采用金相顯微鏡OlympusPme3型金相顯微鏡和配備能譜儀的PhilipXl-30型掃描電鏡(SEM-EDXA)分析熔覆層的組織形貌;用XD-3A衍射儀分析熔覆層的相結(jié)構(gòu)。采用CHI604b電化學(xué)分析儀測定激光熔覆層的陽極極化曲線,飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極,Pt片作為輔助電極。電位掃描速度為10mV·s-1。實(shí)驗(yàn)用介質(zhì)為30%H2SO4水溶液。實(shí)驗(yàn)溫度為(25±1)℃,取樣電阻5Ω。電化學(xué)試樣尺寸為10mm×10mm,非熔覆面用環(huán)氧樹脂密封,試樣表面預(yù)打磨至800#金相砂紙。2結(jié)果和分析2.1入納米ceo2熔覆層表面圖1為不同工藝條件下,加入不同粒度CeO2的熔覆層表面形貌。可以看出,未加CeO2的Ni基合金涂層表面質(zhì)量較好(圖1(a));加入納米CeO2,未經(jīng)球磨合金粉末的熔覆層表面(圖1(b))分布著較深的坑窩;而經(jīng)過球磨合金粉末的熔覆層表面(圖1(c))平整光滑。圖1(d)為加入1.5%微米CeO2熔覆層的表面形貌,與加入相同量納米CeO2熔覆層相比,表面粗糙且夾渣較多,同時(shí)表面存在一層綠色氧化物膜。由此可知,在適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)條件下,加入適量的納米CeO2與Ni基合金粉末經(jīng)濕球磨后,制備的激光熔覆層表面光滑、平整。2.2熔覆層的結(jié)構(gòu)表征圖2為熔覆層的顯微組織。鎳基激光熔覆層的熔化區(qū)由粗大的樹枝晶和少量的共晶體組成(圖2(a)),枝晶形態(tài)具有明顯的方向性,其主干垂直于結(jié)合界面,結(jié)合區(qū)是由一條白亮色(約6～8μm)的熔合區(qū),構(gòu)成表面熔覆層和基材之間的冶金結(jié)合界面。添加微米CeO2(圖2(b))的熔覆層組織明顯細(xì)化,并且部分枝晶熔斷,出現(xiàn)大量的等軸枝晶,這是由于稀土氧化物的細(xì)晶變質(zhì)作用。CeO2雖具有較高的穩(wěn)定性,但在高能激光束輻照所形成的高溫熔池中發(fā)生分解釋放出活性Ce離子,一方面吸附在晶核原子表面阻止晶核在較大過冷度下的快速生長;另一方面,與Ni等元素形成高熔點(diǎn)的金屬化合物,作為結(jié)晶核心提高形核率,細(xì)化組織。添加納米CeO2(圖2(c))的熔覆層組織方向混亂,出現(xiàn)大量更加細(xì)小的等軸晶,并且組織較致密。這可能是由于納米顆粒在熔覆層中均勻分布,吸附于晶界,增加了異質(zhì)形核率。圖3為加入3.0%納米CeO2/Ni基熔覆層的組織結(jié)構(gòu)。圖3(a)為熔覆層中下部的金相顯微組織;圖3(b)為圖3(a)上部白亮塊狀晶體附近放大的掃描電鏡背散射像。由圖3(a)可以看出,距冶金結(jié)合區(qū)約80～100μm處形成了一條大致水平的白亮塊組織,對其附近進(jìn)行掃描電鏡背散射像和能譜分析,表3為熔覆層界面橫斷面上(圖3(b))EDS元素分析結(jié)果?？梢娫谥чg(A)和晶界(B)處都分布著少量的Ce元素,說明凝固結(jié)晶過程中,部分納米CeO2可能成為非自發(fā)核心。從D點(diǎn)的能譜分析結(jié)果可知,圖3(a)中的白亮塊狀晶主要是Cr的化合物。圖3(c)為熔覆層近表面區(qū)的掃描電鏡背散射像;圖3(d)為對應(yīng)于圖3(c)中A(枝晶間和晶界的黑點(diǎn))處的能譜分析?？梢钥闯?Ce元素均勻地分布于熔覆層的枝晶間和晶界處,這證明了納米CeO2對晶間的“吸附作用”和對晶界的“釘扎作用”。2.3熔覆層的相結(jié)構(gòu)圖4(a),(b)分別為加入納米和微米CeO2/Ni基合金激光熔覆層X射線衍射譜。加入3%納米CeO2的熔覆層中出現(xiàn)了γ-Ni,Cr23C6,CeNi3,CeNi5,Ni3Si和Ni3B等相;而加入微米CeO2的熔覆層中出現(xiàn)了γ-Ni,Cr23C6,CeNi3,γ-CeO2,Ni3Si和Ni3B等相。2.4熔覆層的電化學(xué)腐蝕性圖5為加入不同粒度和不同量CeO2的Ni基激光熔覆層在30%H2SO4溶液中的陽極極化曲線?？梢?激光熔覆層中的開路電位基本保持穩(wěn)定,約為0.32V。當(dāng)納米CeO2的添加量為1.5%時(shí),腐蝕電流急劇減小,說明此熔覆層的耐蝕性能大幅度提高。另外,激光熔覆層在腐蝕過程中經(jīng)過了鈍化電位區(qū),表明在腐蝕面表層形成了鈍化膜;并且加入1.5%納米CeO2的熔覆層電流密度比加入相同量的微米CeO2較小,而加入3%納米CeO2所得鈍化電流密度波動(dòng)較大,因而鈍化膜穩(wěn)定性較差。原因分析如下:鎳基合金在酸性溶液中的腐蝕反應(yīng)主要是析氫極化反應(yīng),鎳在陽極被氧化成Ni2+,溶液中的H+在陰極得到電子還原為H2。熔覆層中加入納米CeO2后,熔覆層表面組織更加均勻,而且由于Ce原子對氫的陷阱作用,使氫在熔覆層中的滲透過程受到影響,限制了氫的自由度,降低了氫的活度,從而減慢了陰極反應(yīng)。另一方面,由于納米CeO2凈化晶界,彌散強(qiáng)化的作用,使晶界的微觀組織得到進(jìn)一步改善,減少了晶界中的缺陷,減弱了腐蝕沿著這些部位進(jìn)行的幾率和速度,從而使熔覆層的鈍化性能得到進(jìn)一步提高。3熔覆層等軸晶的制備1.加入適量的納米CeO2與Ni基合金粉末經(jīng)濕球磨后,制備的激光熔覆層表面光滑、平整。2.加入微米CeO2的熔覆層組織明顯細(xì)化,并出現(xiàn)大量的等軸晶;加入納米CeO