激光重熔等離子噴涂NiCr-Cr3C2涂層微觀結(jié)構(gòu)和性能研究

陸益軍 王曉妮 孫倩

（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院，江蘇南京21000）

0 引言

現(xiàn)代工程的發(fā)展對材料的使用性能要求越來越高，特別是對于某些零部件的表面使用性能要求更高。等離子噴涂可以使基體表面具有耐磨、耐蝕、耐高溫氧化、隔熱、密封的性能，但其獲得的涂層組織一般不均勻，呈層狀結(jié)構(gòu)分布，界面結(jié)合形式主要是機械結(jié)合，孔洞、裂紋等缺陷較多，難以適應(yīng)較惡劣的環(huán)境，因而限制了它的應(yīng)用范圍及使用壽命。作為等離子噴涂陶瓷涂層封孔技術(shù)之一的激光重熔技術(shù)，可有效提高涂層的致密度，消除大部分孔隙，改善陶瓷與金屬的結(jié)合情況，實現(xiàn)涂層與基體材料間的冶金結(jié)合，從而更好的發(fā)揮陶瓷涂層的使用性能[1－2]。而激光重熔因為其本身快速加熱快速冷卻的特點，不可避免的會使重熔層產(chǎn)生裂紋、剝落，從而不能得到涂層的最佳性能。有報道[3]指出,在激光重熔工藝參數(shù)中,裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展對激光掃描速度變化較為敏感。

本文對比等離子噴涂NiCr-Cr3C2涂層及其激光重熔涂層在顯微組織和性能上的差別，并考察不同的掃描速度對激光重熔效果的影響，由此獲得本試驗條件下的最優(yōu)工藝，為后續(xù)實驗做準備。

1 試樣方案

1.1 實驗材料和方法

等離子噴涂材料選用商用NiCr-Cr3C2粉末，其組成為25%的NiCr合金粉末（20%Ni，5%Cr）和75%的Cr3C2（質(zhì)量百分比），粒度為-200目～+325目。在45＃鋼基體上進行等離子噴涂，試樣尺寸為60mm×30mm×6mm，為增強涂層與基體的結(jié)合，防止涂層剝落，采用NiCoCrAlY粉末為打底層。涂層噴涂厚度大概350μm，其中打底層約為100μm。實驗使用3710型等離子噴涂系統(tǒng)，工藝參數(shù)見表1?；w噴涂前在超聲波清洗和丙酮去油污處理后用35目Al2O3噴砂處理。

等離子噴涂NiCr-Cr3C2涂層后，在大氣中使用CO2激光熔化（PRC－2000，持續(xù)運行），將激光功率800W，移動步距2.1mm，光斑直徑＝4mm保持不變,激光移動速度以1.2m/min，1.5m/min，1.8m/min來制取三個試樣。

表1 等離子噴涂工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters of plasma spraying

1.2 孔隙率測定

將試樣制成金相試樣，使用掃描電子顯微鏡（SEM，Hitachi S-3000N）和光學(xué)顯微鏡（XJG-05）進行顯微組織觀察，采用TCI通用圖像分析系統(tǒng)進行孔隙率的測定。定量分析原理見文獻[4]，將灰度等級根據(jù)經(jīng)驗定為覆蓋涂層黑色區(qū)域，并計算黑色區(qū)域所占總面積的百分比，從而確定在給定范圍內(nèi)黑色區(qū)域所占比率的大小，此比率直接反映著涂層的孔隙率，但真正的孔隙率比它要小很多。對試樣分別取10個視場對涂層黑色區(qū)域所占比率進行測量，取其平均值。

1.3 顯微硬度測定

使用顯微硬度計（HXP-1000TC）（加100g荷載，保持時間為15s）進行顯微硬度測量。本實驗采用激光多道重疊掃描，重熔涂層將產(chǎn)生熱影響區(qū)、多次重熔區(qū)、重熔后的回火區(qū)[5]，為消除多道掃描對顯微硬度的影響，在試樣截面上取三條從基體到涂層表面的直線的硬度值，取其平均值來確定顯微硬度沿層深方向的分布。為避免壓痕殘余應(yīng)力場的影響[6]，每隔50μm取一測量點。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

圖1(a)為等離子噴涂涂層橫截面的背散射電子模式下獲得的SEM形貌圖?？梢钥闯?，涂層內(nèi)存在大量微孔隙和微裂紋，涂層呈層狀結(jié)構(gòu)，涂層與基體結(jié)合部位有裂紋。這是因為在等離子噴涂過程中,有些粒子僅表層熔化未能完全展平,因而在涂層內(nèi)部形成孔隙;同時,由于陶瓷不易發(fā)生塑性變形,冷卻時熱收縮應(yīng)力難以松弛,易形成裂紋。陶瓷與金屬之間的熱膨脹系數(shù)相差大,金屬與陶瓷的不浸潤會導(dǎo)致陶瓷與金屬基體間存在明顯的分界,其界面結(jié)合能力差[7]。圖1(a)中NiCr-Cr3C2涂層氧化物分區(qū)不明顯，從EDS的分析結(jié)果得出淺灰色區(qū)域富含Ni、Fe、O元素，而深灰色區(qū)域主要以Cr的碳化物為主，與打底層結(jié)合區(qū)域主要以Al、Ni、Fe為主，同時伴隨有少量Si、Mo元素。打底層氧化物分為兩層，與基體結(jié)合部位以Al的氧化物為主，而Co、Cr、Ni、Y的氧化物主要分布在打底層的面層上。由于噴涂過程的氧化以及各種元素在噴涂過程中噴射到基材后的凝固狀態(tài)存在差別，因此造成了涂層的成分偏析[8]。

圖1(b)、(c)、(d)為不同掃描速度下激光重熔涂層橫截面的SEM形貌圖。和等離子噴涂涂層比較可見，激光重熔消除了等離子噴涂組織結(jié)構(gòu)疏松等缺陷，孔洞減少，表面比較光滑，涂層組織變得均勻致密。各掃描速度下激光重熔涂層均出現(xiàn)白色亮斑，EDS分析發(fā)現(xiàn)其主要成分W元素，這是因為偏聚熔點較高的W元素最后熔化而發(fā)生了偏析現(xiàn)象[9]。激光重熔涂層氧化物分區(qū)也不明顯，EDS分析O元素也未明顯增加，可以得出，雖然是在空氣中激光重熔但涂層未發(fā)生明顯氧化，而涂層的氧化主要發(fā)生在等離子噴涂階段。對激光重熔涂層能譜線掃描可以看出，激光重熔涂層碳化物分布比等離子涂層更加集中，碳化物顆粒趨于粗大且較稀疏。而對比圖1(b)、(c)、(d)可以看出圖1(c)的激光重熔涂層更加光滑、致密，碳化物分布較為均勻，這是因為圖1(b)重熔涂層的掃描速度為1.2m/min，掃描速度大涂層吸收的熱量多，涂層凝固時晶核生長時間長，組織粗大，元素分布較集中。圖1(c)重熔涂層的掃描速度為1.5m/min,涂層凝固時晶核很快停止長大，組織細小，元素分布較為均勻。而圖1(d)重熔涂層的掃描速度為1.8m/min,掃描速度太快，涂層未完全熔化。

2.2 孔隙率的測量分析

對等離子噴涂涂層和三種不同掃描速度下激光重熔涂層進行孔隙率的測定。等離子噴涂涂層的孔隙率較大，為12.3%，這是因為在噴涂過程中，由于粒子是分批逐漸噴射到金屬表面上的，后來的粒子熔化有可能不好，撞擊后粒子變形不佳，結(jié)合不好；加之在噴涂環(huán)境中存在大量的空氣，熔融顆粒容易吸附這些氣體，冷卻凝固時無法徹底排除，于是在組織中留下缺陷，從而形成氣孔。而激光重熔涂層的孔隙率隨掃描速度的增加分別為7.5%、6.2%、8.4%?？梢姡す庵厝厶岣吡说入x子噴涂涂層的致密度，使其孔隙率大為降低。但激光重熔涂層還存在一定的孔隙，這主要是由于金屬基體的熔體與陶瓷材料熔體之間的相容性較差,易出現(xiàn)裂紋和孔洞,熔融陶瓷的粘度高,膨脹的氣體也不易溢出所造成的[10]。比較不同掃描速度下激光重熔涂層的孔隙率可以看出，當(dāng)掃描速度為1.5m/min時，激光重熔涂層的孔隙率最低，重熔效果最好。

2.3 顯微硬度分析

圖2為激光重熔前后不同試樣涂層顯微硬度分布曲線圖。等離子噴涂涂層硬度整體上比激光重熔涂層的低，且有較大的數(shù)值浮動，最高Hv0.1=728,最低Hv0.1=393.4，均值為Hv0.1=613.4。這主要是由于熱噴涂涂層成分和顯微結(jié)構(gòu)上的不均勻，噴涂過程中各種元素噴射到基材后造成了涂層的成分偏析。同時由于在噴涂過程中，反復(fù)的熱循環(huán)過程造成顆粒高速撞擊基材和先前沉積涂層而引起了加工硬化現(xiàn)象。相比等離子噴涂涂層，激光重熔涂層顯微硬度值顯著提高，且起伏變化也較小。而對于打底層，激光重熔NiCoCrAlY涂層硬度除比NiCr-Cr3C2涂層低許多外，還出現(xiàn)低于等離子噴涂NiCoCrAlY涂層硬度的情況，這主要是由原始噴涂層的內(nèi)應(yīng)力和原子的不規(guī)則排布而造成的[11]。

圖2 顯微硬度與距離關(guān)系圖Fig.2 Microhardness vs.Distance

而在不同掃描速度下，激光重熔涂層硬度分布也有差異，這與激光重熔涂層的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。相比之下，1.2m/min的掃描速度時，重熔涂層的硬度起伏較大，涂層平均硬度Hv0.1=877.3，這是因為激光束射入的能量大，在相同的傳熱條件下，枝晶生長時間長，組織比較粗大，Cr的碳化物和氧化物分布不均。1.5m/min的掃描速度時，相比其它試樣，重熔涂層硬度較高，變化趨勢也比較平滑，起伏較少，平均硬度為Hv0.1=1006.1，這是由于激光束輻照在試樣表面上的時間短,表層吸收的激光熱量較少，冷卻速度快，試樣表面薄層大量的晶核來不及進一步長大就凝固成為固態(tài),其顯微組織結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出細小而均勻的狀態(tài)，碳化物和氧化物分布較為均勻。1.8m/min的掃描速度時，涂層硬度變化較為平滑，硬度值變化最小，平均硬度Hv0.1=883.2，這是由于此時激光束輸入的能量密度相對較低，涂層未完全重熔，涂層重熔較差。

3 結(jié)論

通過等離子噴涂NiCr-Cr3C2涂層及其三種掃描速度下激光重熔涂層對比研究，可以得出：

(1)等離子噴涂NiCr-Cr3C2涂層在未經(jīng)激光重熔處理時，涂層中存在較多的孔洞，結(jié)構(gòu)致密性差；而經(jīng)激光重熔后，涂層的孔隙率明顯降低，致密性大大改善，硬度顯著提高。

(2)在其它工藝參數(shù)相同的條件下，相比其它二種掃描速度的重熔涂層，1.5m/min的掃描速度重熔涂層的顯微硬度較高，孔隙率較低，重熔效果最好。

(3)激光重熔等離子噴涂過程中氧化傾向不明顯。

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