激光激光熔覆ic颗粒强化ni基合金复合涂层的研究

激光激光熔覆ic颗粒强化ni基合金复合涂层的研究

用激光研磨制备的金属复合层，能有效地将金属材料的强度、强度、抗耐碱性和良好的工艺性以及陶瓷材料的优良耐碱性、耐候性和化学稳定性结合起来，大大提高材料的表面性能，使一般材料表面达到超硬、超薄、超耐腐蚀等特殊性能。特别适用于各种电极条件下的关键部件强化，以及良好的发展前景。利用预置涂层法虽然可以制得颗粒强化的金属基复合涂层,但在实际应用中却受到诸多限制。这是因为预置涂层法一般只适合于在平整的表面上进行熔覆;预置涂层法在工艺上难以保证涂层厚度的均匀性,而且在进行大面积熔覆的时候,由于前道熔覆引起的热变形,会使得预置涂层脱落而影响熔覆效果。相对于预置涂层法,同步送粉法由于其操作的灵活性、便于实现自动化以及在熔覆过程中可以随时随地的改变熔覆合金的成分而在近年来得到了广泛应用。因此本文利用送粉式激光表面熔覆技术来探索制备原位自生TiC颗粒增强Ni基合金复合涂层,并对熔覆层的组织形成和演化规律进行研究。实验材料与方法实验用基体材料为45号钢,其成分为0.43C,0.22Si,0.52Mn,0.02S,0.01P,余Fe(wt%),试样大小为15mm×15mm×40mm。待熔覆面经磨削加工,表面粗糙度为Ra=0.2μm,熔覆前用丙酮和无水乙醇清洗。涂覆用原材料为200目的Ni基合金粉末(Ni60A),纯度99.7%的Ti粉(粒度200目)和粒度为180目,石墨含量为40wt%镍包石墨,Ni基合金粉的成分见表1。将Ti粉和石墨粉按TiC的化学配位比进行配比,加入量控制为15%(重量百分比)。称量后在研钵中研磨混合均匀后作为熔覆送粉用涂层材料。实验用激光器为3kWCO2快速轴流激光器(PRC-3000),光斑直径3mm,扫描速度2.5-5mm/s,用高纯氩气进行保护,流量为6l/min,送粉速度为3.26g/min。采用TH-1型气动正压式送粉器,喷嘴为分体式垂直装卸同轴送粉喷嘴,图1为送粉式激光熔覆工艺过程示意图。金相试样沿涂层横向截取,经研磨抛光后用氢氟酸和硝酸混合液(HF:HNO3=10:100)进行化学腐蚀。利用RigakuD-MAX型X-射线衍射仪(CuKa)对涂层的物相结构进行鉴定。用CSM950扫描电镜观察熔覆层的微观组织,并用其附带的能谱分析仪对相的成分进行测定。利用HX-200显微硬度计对熔覆层的显微硬度分布进行测量。结果与分析1.光工艺参数下重熔一次见图1图2是送粉法激光熔覆后得到的熔覆层宏观形貌(单道四层熔覆后再在相同激光工艺参数下重熔一次)。由图可见,熔覆层宏观质量完好,没有宏观裂纹和气孔等缺陷,与基体完全冶金结合。熔覆过程在熔覆层表面经常会出现粘粉现象,从而使得熔覆层表层较为粗糙,但经激光表面重熔后,表面质量将大为改观。2.熔覆层组织及成分的变化图3为熔覆层组织的X-射线衍射图。由于可能存在的物相的晶格常数相近,同时由于激光熔覆过程是一个典型的快速凝固过程,快速凝固作用使各物相的固溶极限扩大,晶格常数发生变化,因而使得熔层中组织的物相鉴别困难。由于熔覆层材料主要由Ni、Cr、B、Si、Ti、C、Fe等元素组成,因此最终确认熔覆层组织由γ-奥氏体枝晶、M23C6、TiC、CrB和Ni3B等相组成。衍射图中TiC峰的出现证明在送粉式激光熔覆过程中TiC强化相可以由石墨和Ti直接原位反应合成。图4是熔覆层微观组织扫描电镜照片。由图可见熔覆层以外延生长的方式从基体长出,熔覆层与基体呈完全的冶金结合。熔覆层的整体结构是均匀的,不过,在熔覆层与层之间存在明显的熔合界面,见图4(a)。在熔覆层与基材的结合部有一条白亮带,这是由于在熔覆层底部温度梯度很大,而这里的生长速度又很小,熔覆层组织以平界面生长的结果。随着离熔池底部距离的增加熔覆层内的组织发生了显著变化,由平界面生长转变为胞状枝晶。由于是多层熔覆,因此后一熔覆层遵循同样的规律以外延生长的方式从前一熔覆层的顶部向上生长,以此方式循环进行,形成了整个熔覆层组织。由于多次熔覆,熔覆层底部受多次热的循环作用,因此在熔覆层底部与直接预置粉末激光熔覆所获得的组织相比较,同步送粉的熔覆层底部出现了大量的原位析出的TiC颗粒,这些TiC颗粒弥散分布于奥氏体枝晶上或枝晶间,其直径约为1～2μm,见图4(c)。对图4(c)中颗粒的成分进行了能谱分析,其结果见表2。能谱分析结果表明:图中呈小晶面生长的白色颗粒A和B均为TiC。在熔覆层底部由于基体的稀释作用比较大,因此在能谱分析的时候出现了较多的Fe元素。而图4(c)中细棒状物C则为复杂碳化物(Cr,Fe)23C6。图4(d)为熔覆层中部组织,可见随着熔覆的进行,熔池中热积累效应越来越明显,熔池温度在逐渐增高,Ti和C元素的反应和扩散也进行得越来越充分,形成的TiC粒子的尺寸也在变大,达到5～6μm。当然,由于熔覆时扫描速度较快,因此在熔覆层中会出现一些不能完全反应的由Ti和C元素组成的颗粒,如图4(e)所示,能谱分析表明其中含23.88at.%C,76.12at.%Ti。在熔覆层顶部,通常形成的是大块的、花状(枝晶状)TiC颗粒,与其依附生长的针状物是CrB,如图4(f)。3.显微硬度分布图5所示为实验所获得的激光熔覆涂层中显微硬度分布曲线,这是激光熔覆四层的结果。从熔覆层底部到顶部显微硬度逐层增大,且在每一层内呈梯度分布。熔覆层经激光表面重熔后,显微硬度有明显提高,表层的显微硬度最大可达到HV0.2=1200,是基体材料显微硬度的5倍。可以看出从基材到熔覆层显微硬度平稳过渡,而没有突变,这将保证熔覆层在使用过程中与基体的牢固结合,不会由于涂层的脆性而导致脱落失效。合成纤维及金相组织的熔覆层(1)利用送粉式激光熔覆技术可以制备原位自生TiC颗粒增强的镍基合金复合涂层,熔覆层组织由γ-奥氏体枝晶、M23C6、CrB、Ni3B