750?℃环境温度下制备镍基合金激光熔覆层的力学性能研究

冯鑫++魏祥赛++肖安永++王广兰++丁悦婕++赵伟

摘 要：该文研究了在750 ℃环境温度下制备Inconel 718镍基合金激光熔覆层的力学性能。通过纳米划痕实验，研究激光熔覆层的表面摩擦系数和耐磨性；通过纳米压痕实验，研究激光熔覆层的纳米硬度分布状态。结果表明，750 ℃环境温度对镍基合金熔覆层耐磨性和硬度的提高有着明显的促进作用。这可能是由于750 ℃环境温度使镍基合金熔覆层发生再结晶行为，合金组织由沉积态的初始柱状晶转化为等轴晶，Laves相完全固溶，针状δ相以及γ"强化相分别在晶界处以及γ基体上大量弥散析出。

关键词：激光熔覆 力学性能 纳米压痕

中图分类号：TG174 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）12（b）-0074-02

随着工业和科学技术的进一步发展，单一材料往往无法满足某些应用领域的严苛要求。为了解决此局限性，高性能的功能梯度材料得到广泛研究，以便满足各种独特的操作条件和要求[1]。例如：钛合金材料由于其优越的比强度得到广泛应用，然而，由于其较高的摩擦系数决定了钛合金的耐磨性能较差。因此，应用激光熔覆技术对钛合金材料表面进行改性处理，制备高性能耐磨钛合金复合板就显得尤其重要。激光熔覆技术[2]是以高能激光束为热源，将预置或同步供给在基体表面的具有优异耐磨、耐蚀等性能的涂层材料熔化，并与基体形成良好冶金结合，从而获得特殊要求的表面改性技术。此技术具有稀释率低、热影响小、熔覆件扭曲变形小、过程易于实现自动化等优点。在激光熔覆过程中，激光、粉末材料及基体间相互作用形成熔覆层是一个较复杂的熔化-凝固冶金过程，熔池的凝固在固液界面前沿存在柱状晶和等轴晶的相互竞争生长与转化，这便导致熔覆层组织结构的复杂性。不同的环境温度会直接影响熔池的凝固过程，从而形成力学性能迥异的微观组织结构。因此，分析不同的环境温度下制备镍基合金激光熔覆层的力学性能，探索制备具有最优力学性能镍基合金熔覆层的最佳环境温度是十分有意义的。该文研究了在750 ℃环境温度下制备Inconel 718镍基合金激光熔覆层的力学性能，并与室温下制备镍基合金熔覆层的力学性能进行了对比。

1 实验材料与方法

一个4 mm厚的Ti-6Al-4V合金板被用做实验基底材料，熔覆层材料为Inconel 718粉末，粉末颗粒尺寸介于50～100 μm。镍基合金粉末通过有机粘结剂预置在基底材料表面，其厚度是1.0 mm。一束5kW CO2激光通过水冷铜镜反射照射在样品表面。选用的激光加工参数如下：功率P=4 kW，扫描速度V=10 mm/s，光束直径d=5 mm，重叠系数为0.3，实验分别在750 ℃环境温度与室温下进行。最后，纳米压痕仪被用来分析镍基合金激光熔覆层的耐磨性与硬度。

2 结果与讨论

通过纳米划痕试验，分别研究在750 ℃环境温度下与室温下制备镍基合金熔覆层的表面摩擦系数。摩擦系数是指纳米划痕实验过程中切向力Pl和法向力Pn之间的比率。在划痕试验中，法向载荷在3 s内从0μN增加到3 000 μN，当达到最大载荷时压头以0.3 μm/s的速度在样品上保持滑动40 s，最后法向载荷在3 s内减小到0 μN。750 ℃环境温度下制备镍基合金熔覆层的平均摩擦系数大约是0.168，而在室温下制备的样品平均摩擦系数却为0.215，如图1所示。较低的摩擦系数说明具有更强的耐磨性，这一发现表明750 ℃环境温度有利于镍基合金激光熔覆层耐磨性的提高。同时可以发现，750 ℃环境温度下制备镍基合金熔覆层的摩擦系数波动范围较小，这说明了熔覆层组织结构的均匀性也得到了优化。

为了进一步研究熔覆层的表面力学性能，图2分别出示了在750 ℃环境温度下与室温下制备镍基合金熔覆层横截面的纳米硬度分布状态。图2（a）出示了室温下制备样品在0.45 mm×1 mm尺寸范围内的纳米硬度分布，压痕在水平与垂直方向上的间隔都为0.05 mm，Y方向为熔覆层厚度方向，图像最上端对应熔覆层表面；图2（b）出示了750 ℃环境温度下制备熔覆层样品的纳米硬度分布，方法参数与图2（a）一致。从图2中可以看出，750 ℃环境温度下制备熔覆层的平均纳米硬度约为7.4 GPa，较室温下制备的样品（6.7 GPa）高10.4 %，这进一步证明了750 ℃环境温度对镍基合金激光熔覆层的强化作用。其内在机理可能是由于750 ℃环境温度使镍基合金熔覆层发生再结晶行为，合金组织由沉積态的初始柱状晶转化为等轴晶，Laves相完全固溶，针状δ相以及γ"强化相分别在晶界处以及γ基体上大量弥散析出。

3 结语

提高环境温度对镍基合金激光熔覆层的力学性能优化具有重要意义，750 ℃环境温度能够提升熔覆层的耐磨性和硬度。此强化机制可能主要依赖于镍基合金熔覆层再结晶过程中析出的高强度第二相，即γ"相、δ相以及碳化物。

参考文献

[1] J.T. Liu， M. Li， S. Sheu， et al. Macro- and micro-surface engineering to improve hot roll bonding of aluminum plate and sheet[J]. Mater. Sci. Eng， 2008（479）：45-57.

[2] S.S. Babu， S.A. David， R.P. Martukanitz， et al.Toward prediction of microstructural evolution during laser surface alloying[J]. Metall. Mater. Trans， 2002（33）：1189-1200.