Al2O3对激光熔覆镍基涂层耐磨性的影响.pdf

第 3 0卷第 4期 2 0 0 9年 8月 热处理技术与装备 R E CHUL I J I S HU Y I J Z HUAN GBE I Vo 1 3 0 NO 4 A u g，2 0 0 9 表面 改性 A 1 2 O 3对激光熔覆镍基涂层耐磨性的影响 相 琚，李 刚，徐艳菊，李赫亮(辽宁工程技术大学材料科学与工程 系，辽宁 阜新1 2 3 0 0 0)摘要：研究 A 1：0，对激光熔覆镍基涂层耐磨性的影响。通过显微组织的观察，硬度测试和耐磨性 测试，结果表明，添加 A I 2 0 3 具有改变显微组织和激光熔覆层性能的作用。显微组织得到 了细化，耐 磨性得到显著的提 高。关键词：激光熔覆层；A 1 2 0 3；显微组织；耐磨性 中图分类号：T G 1 7 4 文献标识码：A 文章编号：】6 7 3 4 9 7 1(2 0 0 9)0 4-0 0 0 6一 O 5 Effe c t o f AI 2 O3 o n t h e W e a r Re s i s t a n c e o f Ni c k e l-b a s e d Al l o y s Co a t i n g b y La s e r Cl a d d i n g X I A N G J u n，L I G a n g，X U Y a n-j u，L I H e h a n g (C o l l e g e o f Ma t e r i a l s s c i e n c e E n g i n e e r i n g，L i a o n i n g T e c h n i c a l U n i v e r s i t y，F u x i n g L i a o n i n g 1 2 3 0 0 0，C h i n a)Ab s t r a c t：T h e e f f e c t o f A I 2 O 3 o n t h e w e a r r e s i s t a n c e o f l a s e r c l a d d i n g n i c k e l b a s e d a u 0 y c o a t i n g i s i n v e s t i g a t e d T h r o u【g h t h e r e s u l t s o f mi c r o s t r u c t u r e o b s e r v a t i o n s h ard n e s s t e s t a n d we a r t e s t i t s h o w s tha t t h e a d d i t i o n o f M 2 O3 c a r l mo d i f y the mi c r o s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s o f l a s e r c l a d d i n g c o a t i n g Th e mi c r o s t r uc t u r e g e t s r e fin e d a nd We ar r e s i s t a nc e are c o n s p i c u o u s l y i mp r o v e d Ke y wo r d s：l a s e r c l a dd i ng c o a t i n g；A1 2 O3；mi c r o s t r u c t u r e；we a r r e s i s t a n c e 0引言 自大功率激光器投入工业使 用 以来，激光熔覆 技术得到了迅速发展，已成为一种 提高材料表面性 能的有效手段。本试验选 用激光熔覆 金属一 陶瓷复 合涂层技术将金属材料 的强韧性与陶瓷材料优异 的 耐磨、耐蚀和抗氧化性能有机地结合在一起，能够大 幅度提高零件的使用寿命 J。以往的研究者已成 功地选用 了硼化物 和碳化 物陶瓷粉末进行激 光熔 覆 。而本文将选用 氧化物陶瓷粉末，因为 A 1 O，在 自然界 中的硬度仅次于金刚石，且 容易在表面形 成致密的氧化膜，同时 A I O，的价格 比较低，所 以选 择 M O，作为增强材料进行 激光熔覆，预计可进一 步提高涂层的性能。1 试样制备与试验方法 1 1 试样制备 试样基体采用 4 5钢，尺寸 为 8 0 r n n l 2 5 n l n l 1 2 m n l，熔覆前对其表面进行预磨、抛光、用丙酮溶液 清洗除油，烘干备用。试验采用具有良好的抗高温(可达 7 6 0 o C)、抗氧化性及优异的耐磨性、耐蚀性的 N i6 0 合金粉末，粒度为 2 7 0目。粉末的主要化学成 分(质量分数，)为 0 51。5 C，2。05 0 B，2 5 5 5 S i，1 3 6l 7 5 C r，1 4 0 F e，其余 N i。本实验 采用预置 法 进行 激 光 熔 覆，用 精 度 为 0 1 mg的 F A 1 1 0 4 N型电子天平称 5 g N i 6 0合金粉末和质量分 数分别为 N i 6 0合金粉末的 1 0、2 0 、3 0、4 0 的 A 1：0，粉末，将不 同含 量的 A I 0，粉末分别 添加到 N i 6 0合金粉末 中，在研磨坩埚中研磨 4 O一 5 0 mi n，使 收稿 日期：2 0 0 9 0 32 0 作者简介：相瑶(1 9 8 3一)，女，在读研究生，主要从事激光柬表面改性技术 研究。联 系电话：1 3 9 4 1 8 2 7 4 6 9；Em a i l：m o q i z i x u a n 5 2 1 1 6 3 c o rn 基金项 目：大连理工大学三来材料 改性国家重点实验室开放课题资助项 目(0 6 0 1)第 4期 相瑁等：A 1 0，对激光熔覆镍基涂层耐磨性的影响 7 N i 6 0与 0 充分混合均匀。然后加入少量 乙醇使 其呈糊状，均匀地 平铺在 4 5钢基体上，铺 粉厚度大 约 l。0 m m，然后用大连光洋科技的 T L F 3 2 0 0 T M激光 焊接机对 预置涂层进行单 道熔 覆处理，形成 A 1 O，含量不 同的镍基 合金熔 覆层。激光输 出功 率 P=3 2 0 o W，光斑直径 D=5 m m，扫描速度 V=8 mm s。1 2 试验 方法 用 HF与 H N O 按 3：7比例配制的腐蚀液腐蚀 试样，然后采用 S S X-5 0 0型扫描 电镜(S E M)观察合 金熔覆 层的组织形貌；采用 HR-1 5 0 A洛氏硬 度计，依次打出不同 A I 0 含量 的熔覆层硬度；用 H X l型 显微硬度计测量显微硬度，将试样在 2 0 0 g载荷(加 载时间为 2 O s)作用下，每隔 0 0 5 mm打一点，测量(a)N i 6 0 (c)N i 6 0+2 0 A I O 3 熔覆层、热影响区和基体上的显微硬度，以观察从熔 覆层表面到基体的显微硬度变化，根据 显微硬度 公 式 H V ，计算各点 的显微硬度，式中，P 为载荷重量，d为菱形压痕对角线长度；用 ML-1 0型 磨损试验机测量耐磨性，载荷为 1 5 k g，转速为 4 0 0 r ra i n，磨损量程为 1个往复，使用 3 6 0 水砂纸，测 出 磨损后的质量，求出失重 A m，根据 s=A m S计算 出 磨损率。2 试验结果与分析 2 1 显微组织 N i 6 0熔覆层及不 同含量的 A 1 2 0 3 N i 熔覆层界(b)N i 6 0+1 0 A l 3 (d)Ni 6 0+3 0 A 1 2 03 (e)N i 6 0+4 0 M2 0 3 图 1 不 同激光熔覆层 的显微组织 F i g 1 r h e mi c r o s t mc t u r e o f d i ff e r e n t l a s e r c l a d d i n g c o a t i n g 热处理技术与装备 第3 0卷 面 显微组织 如图 l 所 示。由图可见，熔覆层显微组织分为4个 区域：由下 到上依次为基体区、热影响区、结合区及熔覆区。热 影响区的组织为马氏体，由于熔池底部的基体温度 高于临界点 A c，当激光束移动后，依靠基体的传热 进行淬火得到马氏体组织。在熔覆 区与热影响区之 间存在一条“白色亮带”，表 明涂层 与基体实现了良 好的冶金结合。而图(c)中添加质量分数为 2 0 的 A 1 0，时，界面上没有明显的“白色亮带”，此时涂层 的稀释度偏高，基体与熔 覆合金相互渗入。熔覆 区 具有明显的枝晶生长特点。在靠近结合区的熔覆 区 底部枝晶的生长方向比较 明显，基本 上垂直 于结合 界面方向，即沿着激光熔覆 的热流传递方 向生长 的。(a)N i 6 0 (c)N i 6 0+2 0 A l z O 3 这是由于激光熔覆后合金涂层开始快速凝固，基体 的温度很低，其冷却和传热作用相当大，加上沿着垂 直于熔覆表面 的方 向散热最快。因此，在合金涂层 的底部枝 晶走 向基本上都沿着垂直于结合界面方 向 向外生长。对 比 N i 6 0涂层与添加 了 A 1：0 粉末 的 N i 基涂层 的基体组织可 以看 出，没有 明显的区别。激光熔覆 N i 基 自熔合 金时，粉末 吸收能量快速熔 化，同时冷的基体也吸收了一部分热量，因此基体表 面一薄层熔融，由于基体快速传热的激冷作用，当激 光束离开熔池后，底层融化合金 即发生快速冷凝生 成树枝晶，熔覆层与基体达到冶金结合，消除显微裂 纹，改善了熔覆层的韧性。不同激光熔覆层 的显微组织如图 2所示：(b)N i 6 0+1 0 A l z O 3 (d)N i 6 0+3 0 A 1 (e)Ni 6 0+4 0 A 1 2 0 3 图 2 不 同激光熔覆层 的显微组织 F ig 2 Th e mi c r o s t r u c t u re o f d i ff e r e n t l a s e r c l a d d i n g c o a t i n g 第 4期 相堵等：O，对激光熔覆镍基涂层耐磨性的影响 9 由图可见：N i 6 0自熔合金 中不加 A I 0 时，熔覆 层组织为胞状树枝晶，枝晶间有少量共 晶化合物，组 织相对粗 大。加人少量 A 1 0，粉 末后，A I 0 N i 合 金涂层的显微 组织得 到 了细化，树枝 晶的生长特征 更加明显且分布更加均匀。这是 由于 A I：0 粉末 的 加人，导致枝晶界面前沿 出现更大的过冷，促进液态 金属大面积同时形核，形成大量 的核心，树枝晶的生 长受到了限制，所以树枝 晶变得细小而致 密，细化 了 A I：0，N i 合金涂层 的显微组织。但 当加入的 A 1：0，质量分数为 3 0 时，显微组织变得相对粗大。这是 由于受到合金熔体流动特性及颗粒与液 固界 面间相 互作用等因素的综合影响，使得 A 1：0，颗粒发生沉 积，在合金涂层的中下部形成了 A I 0，颗粒积聚区；随着 A 1：0，加入量 的继续增加，达 到 4 0 时，A 1：0，颗粒的积聚区将扩大，颗粒的分布愈趋均匀，熔覆区 的显微组织形貌也随着 A I 0 颗粒的分布发生改 变。在合金涂层的中上部，基材的冷却和传热作用 减弱，冷却速度 减慢，且熔 池 中存在 强烈 的对 流作 用，因而枝 晶的生长方 向变得相对杂乱。在树枝 晶 间弥散着大量 的多元共 晶体，这 种复杂的共 晶组织 具有很强的耐磨性和抗腐蚀性能 m J。2 2 硬度测试 2 2。1 洛氏硬度测试 熔覆层洛氏硬度随加入 A 1：0，含量变化趋势如 图 1 所示。7 4 5 u 7 4 阜 7 3 5 遗 7 3 7 25 瑟 7 2 71 5 7l 0 l O 2 O 3 0,4 0 5 O 2 0 3 含量(，)图 3 熔覆层洛 氏硬度 随 A I 2 03 含量 的变化 图 F i g 3 T h e c h a n g e o f r o c k we l l h a r d n e s s wi t h A1 2 03 c o n t e n t i n i n l a s e r c l a d d i n g c o a t i n g s 由图 3可看 出：加入 A I：0，熔覆层 的硬度都有 所提高。当 A 1 0，的含量为 1 0 时，其硬度较 N i 6 0 熔覆层 的硬度 有 明显 的 增 加；当 A I 0，的含 量 为 2 0 ，3 0 时，熔覆层 的硬度 又有所下降；但 当熔覆 层 中加入 A I：0 量 达到 4 0 时，其 洛 氏硬 度最 高。因此，加入 A 1 0 对 熔覆层 硬度的影响并不 是随着 加入量的增加逐渐增大的，而是存在一最佳值。由图 2中熔覆层的显微组织可以看到：A 1 0，的 加人量为 1 0 时，显微组织较 N i S 0熔覆层的要均匀 一些，其硬度也较 高。这是 因为 A 1 0，的加入起 到 了细晶强化 的作 用，同时 A 1 0，的加入使激 光熔覆 层中出现硬质相，对熔 覆层 的硬度也起到 了一定 的 提高作用；当 A 1 0。加人量 为 4 0 时，显微组 织 中 A 1 0。颗粒分布均匀致密。这是 因为随着 A 1 0，的 加人量的增加，A l 2 0，颗粒 聚集 区逐渐变大，并且分 布愈均匀，对熔覆层的弥散强化作用大大加强。2 2 2 显微硬度测试 不同 A I 0，含量 的熔 覆层、热影响 区及基 体之 间各点的显微硬度，其变化趋势如图4所示。图 4 熔覆 层显微 硬度分 布图 F i g 4 Th e d i s t rib u t i o n o f mi c r o h a r d n e s s i n l a s e r c l a d d i n g c o a t i n g 激光熔覆 N i 6 0涂层及 A I 0，N i 涂层 剖面的显 微硬度沿层深的分布如 图4所示。可见涂层 的硬度 分布曲线都呈三个 阶梯，即熔覆层硬度 热影 响区 硬度 基体硬度，其走向基本一致。A 1 2 0，的加人提 高了激光熔覆层的显微硬度，但由于激光熔池表面 的温度高，导致涂层表 面元素烧 损，硬度较低，而后 硬度上升，并且均匀性都较好，而且 A I：O，加入量对 显微硬度的提高有 一最佳值，当 A I 0，的加入 量为 4 0 时，熔覆层的显微硬度最高，可高达 1 1 2 7 H V。当加入 4 0 的 A 1 0 时，熔覆层 区域的显微硬 度很高。且均匀性较好。这是 由于 A 1 0 熔点较高 1 O 热处理技术与装备 第3 0卷(2 0 4 5 o C)，密度较小(3 9 4 0 g c m )，在激光束 作用下达到熔点，熔化瞬时 A I：O，熔体 浮于熔池表 面形成涂层的主要成分，对熔覆层起 到了强化作用。而且，激光熔覆后生成的硬质相加强 了涂层 的固溶 作用。在合金熔体流动特性与液固界面间相互作用 等因素的综合影响下，熔覆层 区域形成 了 A I O，颗 粒积聚区，随着 A I：O，加入量的增加，颗粒的分布也 愈趋均匀，所以测得的熔覆层的显微硬度 比较均匀。中间台阶为热影 响区，显微硬度 明显下降，到达基体 后，硬度几乎不变。2 3 耐磨性测试 表 1所示不同 A I O，含量的熔覆层磨损率 。激光熔覆层磨损率 越小，熔覆层耐磨性越好。图5 为不同 A I O，含量熔覆层与 N i 6 0熔覆层的磨损率 8 对 比图。表 1 激光熔覆层的耐磨性 Ta b l e 1 Th e w e a l r e s i s t a n c e o f l a s e r c l a d d i n g c o a t i n g A 1 2 O 3()失重 Am mg 磨损率 e m g rai n l 0 褂 0 辑 毅0 O 1 O 2 O 3 0 4 O A l 2 0 3 含量()图5 A I 2 0 3 N i 涂层与 N i6 0涂层 耐磨性 比较 F i g 5 Th e Co mp a r i s i o n o fwe a l r a t e f o r b o t h Ni 6 0 a n d A1 2 O3 Ni c o a t i n g 由图 5可以看出，A 1：O，的加入降低了熔覆层 的 磨损率，使熔覆层 的耐磨性 提高。随着 A 1：O，含量 的升高，熔覆层磨损率逐渐增加。但 当 A 1 O，含量 达到 3 0 时，熔覆层磨损率最高；而当含量为 4 0 时，其熔覆层的磨损率又下降，且此时的磨损率 8最 小，即熔覆层的耐磨性最好。分析认为，N i 基合金粉末 中存在大量的合金元 素，加入 A 1 O 进行激光熔覆，促使合金元素大量地 溶人枝晶中起到 固溶强化的作用，形成大量共 晶化 合物，产生第二相强化。由图 2的熔 覆层显微组织 中也可以看出，加入少量的 A I O，后，显微组织明显 变得细小均匀，增强了熔覆层的致密度，提高了其耐 磨性。加入 4 0 的 A 1 O，后，由于 A I：O 颗粒增多，弥散强化作用增强，使得熔覆层的磨损率减小，其耐 磨性最好。结合 图 3还可以看出，熔覆层 的硬度越 大，其磨损率就越小，即耐磨性能越好。熔覆层 的硬 度与耐磨性存在一定的对应关系。3结论(1)在镍基 自熔性合金粉末 中加入 A 1 O，后，熔 覆层的显微组织得到了细化。(2)加入不 同含量的 A 1：0，粉末均可 以提高激 光熔覆层的表面硬度和耐磨性。且硬度与耐磨性存 在一定 的对应关系，硬度越大时耐磨性也相对提高。当加入 4 0 的 A 1 O 时，硬度和耐磨性达到最大值。参 考 文 献 1 罗燕，彭玉娟，张伟强 激光熔覆涂层与粉末火焰喷焊 涂层组织性能比较 J 热加工工艺，2 0 0 5，(6)：6 3 6 4 2 朱警雷，黄继华等 反应等离子喷涂 T i c F e N i 金属 陶瓷复合涂层的显微组织 J 中国有色金属学报，2 0 0 8，1 8(1)：3 6 4 1 3 陈华，官文彪，刘睿等 激光熔覆镍基合金的耐磨耐蚀 性研究 J 金属热处理，2 0 0 1，(3)：2 5 2 7 4 黄瑞芬，罗建 民，王春琴 激光熔覆技术的应用及发展 J 兵器材料科学与工程，2 0 0 5，2 8(4)：5 7 5 9 5 李春彦，张松，康煜平等 综述激光熔覆材料的若干问 题 J 激光杂志，2 0 0 2，2 3(3)：5 9 6 刘硕，张维平 激光熔覆制备颗粒增强 M 基复合涂层 的组织结构 J 焊接学报，2 0 0 5，2 6(2)：1 31 6 7 钱晖，丁希军，马建忠 激光熔覆金属陶瓷柱塞的研制 J 石油机械，2 0 o o，2 8(1 2)：1 71 8 8 蒋振平，田乃良 激光熔覆含碳化钨的镍基合金 J 激 光与红外，2 0 0 4，3 4(3)：1 8 91 9 1 9 李春彦，张松，康熠平 综述激光熔覆材料的若干问题 J 激光杂志，2 0 0 2，(3)：5 9 1 O 钱晖，丁希军，马建忠 激光熔覆金属陶瓷柱塞的研制 J 石油机械，2 0 0 0，2 8(1 2)：1 81 9 。1 一 9 l 加 一”0 一。l蚤