激光熔覆Fe基合金涂层组织与性能研究

刘志鹏，伍文星，李胜，邱长军

（南华大学 机械工程学院，湖南 衡阳421000）

0 引言

激光熔覆技术作为近年来表面改性的研究热点，具有基体变形小、稀释率低、效率高、易与基体形成冶金结合等优点，其原理是利用高能量密度激光束在基材表面辐照快速融化形成熔池，同时向熔池中添加熔覆材料，使得熔覆材料在基材表面快速熔凝，从而制备高性能的涂层[1-6]。X. Xu等[7]采用激光熔覆法在4Cr5MoSiV1钢表面制备了混合不同元素的铁基粉末，并进行多层熔覆处理。结果表明：在相邻多层熔覆层的界面上均存在等轴枝晶和网状共晶组织，过量镍元素的加入会使合金元素分布更加均匀。此外，在铁基合金中增加Ni元素显著提高了熔覆层的冲击韧性，并表现出较高的耐腐蚀性能。J.H. Wen等[8]在2205双相不锈钢表面进行了激光熔覆实验。结果表明：所制备的熔覆层显微硬度约为328 HV，抗拉强度约为900 MPa，与2205双相不锈钢相比耐蚀性有所下降。本文在Q235基材表面采用光纤激光器激光熔覆了约4 mm的Fe基合金涂层，对其涂层性能进行了表征和分析，为工程应用提供一定的参考。

1 实验材料和方法

熔覆材料为铁基球形粉末，经真空气雾化方法制备而成，粉末粒度为48～180 μm，采用ICP-AES法测其成分，粉末的化学成分如表1所示。实验基材为Q235钢板，尺寸为120 mm×50 mm×15 mm，激光熔覆之前先将实验基材进行打磨和酒精超声波清洗，以去除基材表面氧化层和油渍，将粉末跟基材放入干燥箱中进行干燥处理，设置干燥温度为50 ℃，干燥时间为2 h。

表1 粉末的化学成分质量分数 %

采用500 W光纤激光器在基材表面进行多层熔覆处理，送粉方式为侧向送粉，保护气体为高纯氮气，激光熔覆过程如图1（a）所示，将基材放置在通有冷却水的低温工作平台上面，水温设置为15 ℃。基于前期的研究[9-10]，选择优化的激光工艺参数，激光功率为480 W，光斑直径为2 mm，扫描速度为6 mm/s，搭接率为50%，送粉速度为6 g/min。图2为制备的铁基熔覆层表面形貌，从图中可以看出，Fe基涂层表面无气孔和开裂等缺陷，其尺寸为60 mm×30 mm×4 mm。利用HXD-1000B型显微硬度仪测量基材至Fe基涂层表面横截面之间的显微硬度，载荷为0.2 N，保压时间为10 s。利用电火花线切割制备出多个非标拉伸试样，如图1（b）为拉伸试样取样位置，尺寸如图1（c）所示。利用WDW-20E材料万能试验机测试Fe基涂层的室温拉伸性能，拉伸速率为0.2 mm/min。利用CS300型电化学工作站分析Fe基涂层电化学腐蚀性能，其中参比电极和辅助电极分别为饱和甘汞电极和铂电极，Fe基涂层试样作为工作电极，腐蚀液为3.5%的NaCl 溶液，电压范围电位扫描速度为5 mV/s。

2 结果与讨论

2.1 显微硬度

图1 激光熔覆过程和拉伸试样

基材至Fe基涂层横截面之间的显微硬度测试结果如图3所示。从图中可以看出，从基材至热影响区到涂层的显微硬度值是呈现上升趋势的。基材的显微硬度为146～168 HV0.2，涂层的显微硬度为 298 ～322 HV0.2，大约是基材的2倍。涂层的显微硬度提高的原因一方面是激光熔覆过程中快速冷却产生的细晶强化，获得均匀、细化的组织；另一方面涂层中生成了碳化物，碳化物是典型的硬质相，这些产生的碳化物也是导致涂层显微硬度提高的原因[11-12]。

2.2 拉伸性能

图4为激光熔覆Fe基涂层试样的室温拉伸性能分析结果。涂层拉伸曲线如图4（a）所示，从图中可以看，出涂层抗拉强度为（1040±20）MPa，屈服强度为（430±20）MPa，断后伸长率为（24±2）%。拉伸试样取自激光熔覆涂层的2个不同位置，值得注意的是，2个试样的拉伸性能比较相近，这说明涂层的组织相对来说比较均匀。利用扫描电子显微镜对Fe基涂层试样的拉伸断口形貌进行观察，如图4（c）所示。从图中可以看出，Fe基涂层试样断口有大量、均匀的韧窝存在，属于韧性断裂。结合图4（b）涂层拉伸断口宏观图，可以很明显看到试样拉伸过程中产生缩颈现象，这进一步表明涂层具有很好的塑性。

2.3 电化学腐蚀性能

图2 Fe基涂层表面形貌

图3 基材到Fe基涂层的显微硬度

涂层试样的腐蚀电压、腐蚀电流和腐蚀速率如表2所示，图5为涂层试样的电化学腐蚀极化曲线。由图5和表2可知，Fe基涂层具有良好的耐腐蚀性能，其腐蚀电压为-0.236 V，自腐蚀电流密度为5.855×10-6A/cm2，腐蚀速率为0.046 mm/a。涂层耐腐蚀性能优异的主要原因如下[13-17]：1）激光快冷条件下制备的涂层的组织比较均匀和细密；2）该涂层Cr元素含量较高及少量Si元素的加入，涂层在电化学腐蚀的过程中表面容易产生致密的氧化物，避免涂层被进一步腐蚀，这些都有利于提高涂层的耐腐蚀性能。

图4 Fe基涂层试样室温拉伸性能

表2 Fe基涂层的电化学参数

图5 Fe基涂层电化学腐蚀极化曲线

3 结语

1）本文利用激光熔覆技术制备了低成本高性能的Fe基合金涂层，所制备的涂层表面无气孔和裂纹等缺陷；2）涂层的显微硬度为298～322 HV0.2，大约是基材的2倍，热影响区的显微硬度在基材跟涂层两者显微硬度范围之间；3）涂层试样在室温下的抗拉强度为（1040±20）MPa，屈服强度为（430±20）MPa，断后伸长率为（24±2）%，其腐蚀电压为-0.236 V，自腐蚀电流密度为5.855×10-6A/cm2，腐蚀速率为0.046 mm/a，涂层具有较好的综合性能。