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稀土對鐵基合金激光熔覆層耐磨及耐蝕性能的影響

 激光表面熔敷技術具有涂層與基材結合牢固、涂層稀釋率低、工件變形小等其他表面技術難以實現的特點和廣闊的應用前景,在工業技術和科學研究領域引起了普遍重視。利用表面改性可以有效地改善機械零件或工具的使用性能和延長其使用壽命.工程材料的磨損和腐蝕等現象大多從表面開始,因此材料表面保護具有重要的工程應用價值.與此相適應,激光熔覆在提高材料表面抗磨性能方面的應用受到了廣泛關注.稀土被人們稱為新材料的“寶庫”,自上世紀60年代被引用于金屬及合金的表面改姓以來,這方面的科研工作進展迅速,取得了許多令人滿意的成果。人們揭示出,稀土對多種金屬具有凈化、變質和合金化作用,可顯著改善金屬材料的力學性能、熱加工性能、高溫抗氧化性能、耐磨及耐腐蝕性能,因而在冶金、鑄造及熱處理等領域獲得了廣泛應用.我們預期,在鐵基合金激光熔覆層中引入La將可能顯著改善合金表面的抗磨性能,從而擴大其摩擦學應用范圍.鑒于此,我們在鐵基合金激光熔覆層中引入不同含量的La2O3,考察了稀土對鐵基合金激光熔覆層組織及抗磨性能的影響.但目前稀土被引入激光熔敷工藝主要集中在鈷基、鎳基合金以及MCrAlY系合金涂層中。
1 試驗材料及方法
1.1 試驗材料
激光熔覆工藝
試驗基材采用100 mm×30 mm×10 mm的45鋼板;硬度約為220HV。以Fe基合金粉末(化學成分:0.21%C,1.18%B,3.25%Si,19.92%Cr, 12.60%Ni,其余為Fe;粒徑0.085~0.246 mm;流動性﹤22 s/50 g)作為涂層材料,稀土CeO2粉末純度為99.9%,稀土加入量分別為0.0%、0.3%、0.6%、0.9% 、1.2%和1.5%。將稀土氧化物粉末和鐵基合金粉末通過機械攪拌混合均勻,,干燥待用.。
采用3kW的CO2快速軸流激光器(輸出功率為1.5 kW,光斑直徑4 mm,掃描速度5 mm/s,功率密度1.19×104W/cm2,多道熔覆搭接率30%,同軸送粉方式)進行激光熔覆處理,熔覆層厚度約1 mm.
1.2 性能測試
采用CSM950型場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察熔覆層微觀組織形貌,并利用SEM所配置的能量色散X射線分析裝置(EDAX)分析熔覆層及其磨痕表面組成.采用MT-3型顯微硬度計沿熔覆層深度方向測量顯微硬度分布,載荷為1.96×10-3N,加載時間5 s,取10次測量結果的平均值.
1.3 摩擦磨損試驗
選用MM-200型摩擦磨損試驗機評價激光熔覆層的摩擦磨損性能.試驗前采用600#砂紙精磨激光熔覆層試樣表面;偶件為45#鋼環(外徑40 mm,內徑16 mm,厚10 mm,硬度500HV).選用載荷分別為10 N、20 N、30 N、40 N、50 N;試驗時間15 min;線速度為0.42 m/s.在摩擦磨損試驗過程中每隔1 min記錄一次摩擦系數;試驗結束后用丙酮清洗激光熔覆層試樣,隨后用讀數顯微鏡測定其磨痕寬度(測量精確度0.01 mm).
2 結果與討論
2.1 熔覆層的顯微組織
圖1示出了不含稀土及含1.2%稀土的激光熔覆層組織形貌的SEM照片.可以看出,引入稀土使得激光熔覆層組織生長的方向性減弱,針狀組織數量增加.與此同時,引入稀土氧化物使得激光熔覆層中的枝晶分散度增大,枝晶間空隙減小,樹枝晶生長受阻,并在一定程度上導致晶粒細化.其原因在于,具有較強化學活性的稀土元素容易同其它元素發生化學反應,形成穩定的化合物,從而增加熔覆層中的形核質點,加快熔覆層在凝固過程中的形核速度,導致晶粒細化.此外,稀土還可以增加液態金屬的流動性,減小凝固過程中的成分過冷,減弱成分偏析,從而使組織趨向均勻化.
2.2 激光熔覆層硬度分布

圖2示出了不同稀土含量的Fe基合金激光熔覆層顯微硬度隨深度變化的關系曲線.可以看出, 16Mn鋼經激光熔覆處理后顯微硬度顯著提高,而引入稀土可以進一步提高激光熔覆層的硬度.同不含稀土的激光熔覆層相比,稀土含量為1.2%的熔覆層的顯微硬度有所增大,平均顯微硬度為400~450HV,而稀土含量為2.0%的熔覆層的平均硬度約為500HV.這是由于引入稀土導致熔覆層組織細化和硬質金屬化合物彌散強化所致.
2.3 激光熔覆層的摩擦磨損性能

 
圖3分別示出了摩擦系數隨試驗時間(載荷為50 N)以及磨斑寬度隨載荷變化的關系曲線.可見,摩擦系數隨試驗時間的延長而增大,引入稀土有利于降低摩擦系數[見圖3(a)],當稀土含量較高(1.2%)時尤其如此.其原因在于,具有六方層狀結構的La2O3稀土化合物本身具有潤滑作用[9],同時稀土可以促進Cr的碳化物和硼化物硬質相析出[10],提高熔覆層的硬度,降低犁削和粘著作用,從而降低摩擦系數.另一方面,同不含稀土的激光熔覆層相比,含稀土的激光熔覆層的磨斑直徑較小,且對載荷的敏感性較弱,當載荷較高(>40 N)時尤其如此[見圖3(b)].有趣的是,稀土氧化物含量較低(0.8%)的激光熔覆層的磨斑直徑相對較小,而當稀土氧化物含量較高
(1.2%)時,其改善激光熔覆層抗磨性能的效果有所減弱.這同稀土在熔覆層中的作用機理有關.換言之,由于稀土在合金中的固溶度很小,稀土氧化物大多存在于晶界;當稀土加入量較小時,晶界得到強化,晶界附近位錯的移動性較強,晶粒之間的滑移傳遞較容易,這有利于促進摩擦過程中表面微裂紋頂部的應力松弛,增加裂紋擴展的阻力,從而減輕磨損.但當晶界處稀土氧化物聚集過多時,晶界處位錯移動受阻,晶界脆性增加,磨損過程中微突體易沿裂紋擴展方向發生脆斷,從而使磨損加劇.
         

   圖4示出了不含稀土及含1.2%稀土的激光熔覆層磨損表面形貌SEM照片(50 N,15 min).可以看出,不含稀土及含1.2%稀土的激光熔覆層磨損表面存在明顯差異,不含稀土的熔覆層磨損表面呈現嚴重的粘著和脆性斷裂剝落跡象[見圖4(a)],斷口處存在大量剝落顆粒;而含1.2%稀土的激光熔覆層磨損表面粘著跡象較微弱,除少量剝落顆粒外,未見大面積脆性剝落跡象[見圖4(b)].這同2種激光熔覆層相應的抗磨性能差異相對應.
3 結論
a. 在鐵基合金激光熔覆層中引入稀土可以弱化組織生長的方向性,增加針狀組織的數量,減小晶須之間的空隙,限制樹枝晶生長,從而細化晶粒.
b. 引入稀土可以增加鐵基合金激光熔覆層的平均硬度,改善其抗磨性能;當稀土加入量為1.2%時,相應激光熔覆層的綜合性能較好.
c. 引入稀土使得鐵基合金激光熔覆層同45#鋼對摩時的粘著和脆性剝落顯著減輕,這同其對激光熔覆層抗磨性能的影響相對應.

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