鈮對Ni60激光熔覆層顯微組織及耐磨性能的影響

吳文濤, 張 洋, 宋博瀚

(石家莊鐵道大學 材料科學與工程學院, 河北 石家莊 050043)

鈮對Ni60激光熔覆層顯微組織及耐磨性能的影響

吳文濤, 張 洋, 宋博瀚

(石家莊鐵道大學 材料科學與工程學院, 河北 石家莊 050043)

采用激光熔覆送粉法制備了Ni60合金及鈮修正的Ni60合金激光熔覆層。采用掃描電子顯微鏡、能譜、電子背散射衍射技術及磨損試驗研究了鈮對復合熔覆層顯微組織、相成分及耐磨性能的影響。結果表明，加入鈮后提供了富鈮的形核劑，減少了CrB沉淀相的結構尺寸。熔覆層中Cr7C3的生長被抑制，降低了熔覆層中粗大碳化物相的比例。與純的Ni60合金熔覆層相比，鈮修正的復合熔覆層顯微硬度下降了33%，但是鈮修正的復合熔覆層的耐磨性能卻提高了5倍。

激光熔覆；鎳基合金；碳化鈮；耐磨性

0 引言

鎳基合金如Ni60具有優(yōu)良的耐腐蝕性、耐磨性，在工程中有廣泛的應用前景，可以用于對零件的表面如軸及軋輥等進行修復及改性[1-2]。在眾多表面改性技術中，激光熔覆技術由于具有熱輸入量低、變形小等明顯的優(yōu)勢，近年來已經成功地用來制備鎳基合金熔覆層[3-4]。然而，在激光熔覆Ni60合金的凝固過程中及隨后快速冷卻時，熔覆層中產生了幾百兆帕的拉應力，這些拉應力作用于低韌性的熔覆層中，會使熔覆層開裂且裂紋快速擴展，限制了激光熔覆鎳基合金的實際應用。解決激光熔覆鎳基合金的開裂問題可以從減少熔覆層中的拉應力和提高熔覆層合金的韌性兩個方面入手。如在激光熔覆時采取預熱或采用感應加熱輔助激光熔覆等措施都可以減輕熔覆層中的拉應力[5]。提高熔覆層金屬韌性的主要措施是在Ni60合金中添加前過渡金屬如Ti、Ta、V等[6]，改變鎳基合金的相成分、細化微觀結構以改善性能，這種措施從實際應用的角度更具有吸應力。Nb元素可以在激光熔覆過程中與C反應生成NbC顆粒，該顆粒具有高熔點、高硬度及化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點[7]。并且NbC的密度為7.79 g/cm3，非常接近鎳基合金的密度，有利于其在鎳基合金中的彌散分布，因此將Nb元素加入到激光熔覆的鎳基合金中提高熔覆層的韌性和耐磨性是一種非常有吸引力的方法。成陽等人[8]通過加入Nb元素、C元素及Ni基合金，在42CrMo基體上制備了不同鈮含量厚度為0.8 mm的鎳基合金激光熔覆層。認為當鈮質量分數為10%時，組織明顯細化且顯微硬度最高，為不含鈮的鎳基合金熔覆層的兩倍。Hemmati等人[9]選擇了Nb作為Ni-Cr-B-Si-C合金的細化元素，發(fā)現(xiàn)加入質量百分數為4%的Nb后，能顯著細化鎳基合金的沉淀相，且硬度基本保持不變，但熔覆層中的開裂傾向并沒有顯著緩解。本文采用激光熔覆的方法在45鋼表面制備了兩層多道的Ni60熔覆層及含鈮質量百分比為6%的Ni基熔覆層，熔覆層中稀釋率固定在5%～15%，消除了熔覆層中因稀釋率不同造成的鐵含量對熔覆層組織和性能的影響。只評估Nb元素的加入對Ni60微觀組織結構的影響，尤其是對微觀結構細化及相組成變化的影響，并分析了微觀結構細化對熔覆層顯微硬度和耐磨性能的影響規(guī)律。

1 試驗材料與方法

本文采用45鋼作為激光熔覆試驗用基體材料，試樣尺寸為200 mm×100 mm×10 mm，熔覆前基體材料表面經砂紙打磨并用丙酮清洗。熔覆材料為Ni60合金粉末，其化學成分(質量分數，%)為Cr15.5，F(xiàn)e15，Si4，B3.5，C0.8，余量為Ni，純度大于99%，粉末直徑為50～100 μm。添加的合金為純鈮粉末，純度大于99.99%，粉末直徑約為50 μm，加入質量百分比為0%～10%，在實驗前，將粉末放入混粉器中混合4 h，待其混合均勻后在150 ℃下烘干0.5 h。對得到的熔覆層進行摩擦磨損試驗，磨損時間為20 min，每組工藝重復5次，得到的結果如表1所示，發(fā)現(xiàn)加入質量百分數為6%的鈮時，熔覆層的耐磨性最好，因此本文中只討論不加鈮和加入質量百分數為6%的鈮時熔覆層的組織和性能結果。

表1 不同鈮含量激光熔覆層的磨損質量損失

激光熔覆系統(tǒng)由YLS-4000型4 kW光纖激光器、YC52型4路同軸送粉熔覆頭、DPSF-2多筒送粉器及KR30-3HA高精度機器人系統(tǒng)等部分組成，試驗裝置示意圖如圖1所示。試驗在45鋼表面沉積2層8道搭接率為33%的Ni60和加入質量百分數為6%Nb的鎳基熔覆層，熔覆層厚度約為1.8～2.2 mm。所采用的工藝參數分別為，激光輸出功率為1 100 W，掃描速度為3 mm/s，送粉速率為20.0 g/min。試驗用保護氣體和送粉氣體均為氬氣，氣流量分別為10 L/min和5 L/min，主要目的是隔離空氣，保護熔池不被氧化。

圖1 激光熔覆制造系統(tǒng)示意圖及試驗裝置圖

試驗后將熔覆試樣切割成不同尺寸的試驗樣品，并進行研磨拋光和腐蝕處理，拋光劑分別為9 μm，3 μm，1 μm的金剛石及0.5 μm的氧化鋁，腐蝕液為7 mlHF，3 mlHNO3和5 mlH2O的混合溶液。采用掃描電子顯微鏡(ULTRA 55)觀察熔覆層組織形貌，并使用能譜儀(X-MAX50)測定化學成分。利用電子背散射衍射儀(NordlysMax2)對熔覆層進行物相結構分析。采用Empyrean型X射線衍射儀(鈷靶Kα射線)對熔覆層進行物相分析，電壓35 kV，電流50 mA，衍射范圍20°～100°，掃描速度1°·min-1。采用顯微硬度計(HVS-1000A)沿厚度方向測定熔覆層的顯微硬度值，所用載荷為500 g，加載時間10 s，每個部位測量3次取平均值。采用MG-2000型滑動磨損試驗機進行摩擦磨損試驗，試驗采用銷-環(huán)滑動摩擦方式，施加300 N的壓力，磨損盤轉速300 r/min，對磨盤材料為淬火態(tài)GCr12，表面硬度HRC60。每一次摩擦磨損試驗后，試樣用超聲波清洗，稱量試件失重以計算其質量損失，每個工藝及測試條件下試驗重復5次取平均值。

2 試驗結果及討論

2.1 鈮對熔覆層微觀組織和相組成的影響

圖2為Ni60激光熔覆層及加鈮質量百分比為6%的鎳基合金激光熔覆層的XRD譜線圖。由圖2(a)可知Ni60激光熔覆層的主要組成相為Ni基體相、CrB相、Cr7C3相及Cr23C6相。而加入了質量百分數為6%的鈮元素后，熔覆層中主要由Ni基體相、CrB相、NbC相及Cr2B相等組成。

圖2 不同熔覆層的XRD譜

圖3為Ni60合金及加鈮質量百分比為6%的鎳基合金激光熔覆層中上部顯微組織形貌。由圖3可知， Ni60合金的激光熔覆層主要組織有4種：胞狀樹枝晶組織為鎳固溶體，網狀共晶組織及析出相S1、S2，S1為黑色不規(guī)則塊狀析出相，尺寸在5～10 μm，S2為灰色樹枝狀析出相，寬度為2 μm，長徑比約為1∶10。在Ni60中加入質量百分比為6%的鈮，對該粉末進行激光熔覆試驗，觀察其熔覆層的組織，發(fā)現(xiàn)析出相的形態(tài)和尺寸有了很大的改變，主要包含兩種析出相：其中S3為白色塊狀析出相，尺寸在2 μm左右，黑色放射狀析出相S4以白色塊狀析出相S3為中心向四周生長，兩種析出相整體尺寸小于4 μm。

圖3 熔覆層中部形貌的掃描電鏡照片

為了確定S1～S4這4種析出相的相組成，對其進行了能譜分析及電子背散射衍射試驗，試驗結果分別如表2及圖4所示。為了增加能譜分析的準確性，實驗中選擇尺寸大于1 μm的相進行能譜分析。由能譜分析可知，S1相的主要組成元素為Cr和B，以及少量的Ni、Fe、C，是一種硼化鉻析出相?；疑珮渲钗龀鱿嘀兄饕休^多的Cr、C，以及少量的Ni、Fe，是一種碳化鉻析出相。為了確定熔覆層中S1和S2析出相的具體相組成，根據能譜分析所測得的元素組成并采用EBSD對相結構進行確定。由EBSD圖可直觀的看出，熔覆層中的S1在EBSD圖片中呈粉色塊狀，如圖4(a)所示為多晶CrB，S2析出相如圖4(a)綠色結構所示，為單晶Cr7C3。對加質量百分比為6%的Nb的激光熔覆層中析出相進行能譜分析可知，熔覆層中的白色不規(guī)則塊狀析出相S3中含有較多的Nb和C，以及少量的Ni、Fe等元素，推測是一種鈮的碳化物析出相。黑色放射狀析出相S4中含有較多的Cr和B，以及少量的Ni、Fe、Nb，推測是一種鉻的硼化物析出相。結合EBSD結果可知，S3相存在于整體析出相的中心位置，在圖4(b)中呈黃色，是NbC，S4相呈放射狀，依附于NbC向四周生長，在圖4(b)中呈粉色為CrB結構。

表2 Ni60及Ni60+6wt%Nb熔覆層成分能譜分析 (質量百分數，%)

圖4 熔覆層典型特征掃描電鏡照片及其電子背散射衍射相分布圖片

由以上分析可知，在激光熔覆的過程中，Ni60合金粉末、添加的Nb粉末和45號鋼基體，經過能量密度極高的激光輻射，完全熔化進入熔池中。由于Nb是強碳化物形成元素，且NbC的熔點高達3 600 ℃，高于Cr的硼化物和碳化物的熔點，因此在熔池的凝固過程中，NbC可以作為優(yōu)先形核物質出現(xiàn)。隨著NbC的形核長大，導致熔覆層中的C原子數量減少，所以當添加質量百分比為6%的Nb時熔覆層中的Cr7C3消失。隨著固液界面的不斷推移和熔池溫度降低，界面前端的Cr原子和B原子濃度不斷提高，并且尺寸較小的NbC顆粒為其提供形核中心，CrB開始以NbC為異質形核的中心長大并呈放射狀。質量百分數為6%的鈮加入Ni60合金中，改變了激光熔覆層的相結構，形成了新的析出相NbC，使CrB析出相尺寸變小，Cr7C3析出相消失，起到了細化析出相尺寸的目的。

2.2 鈮對熔覆層顯微硬度的影響

圖5 Ni60及Ni60+6wt%Nb熔覆層橫截面顯微硬度形貌

圖5是對添加不同質量分數(0%和6%)Nb的激光熔覆層硬度值進行測量得出的折線圖。由圖5可知，在整個硬度值折線中，熔覆層的硬度最高，進入熱影響區(qū)時硬度有所降低，基體硬度最低。不加Nb時，Ni60激光熔覆層中硬度值在800～1 200 HV0.5之間，添加質量百分數為6%的Nb元素后，熔覆層的硬度值降至600 HV0.5左右。表現(xiàn)出這種規(guī)律的原因是Nb的加入改變了熔覆層的微觀組織。如圖3(b)所示，Ni60熔覆層中有很多樹枝狀的Cr7C3和大塊狀的CrB析出相，它們的硬度都在1 000～2 000 HV0.5，而且它們分布于較硬的連續(xù)共晶組織中，對Ni60合金而言，共晶結構對其硬度的貢獻也很大，全共晶結構的硬度可達1 073 HV0.5[10]，因此熔覆層整體硬度都比較高，但由于熔覆層中析出相分布不均勻，導致熔覆層的不同位置硬度有較大波動。當加入質量分數為6%Nb后，由于Nb是強碳化物形成元素，NbC的形成消耗了合金中的碳元素，抑制了硬化相Cr7C3和γ-Ni+M23C6共晶組織的形成(圖2)，使熔覆層中鎳基固溶體的含量增加，如圖3(b)和3(d)所示，不加Nb時熔覆層中鎳固溶體的體積分數為14%，而加入質量百分數為6%的Nb后，熔覆層中鎳固溶體的體積百分數增大到51%，且鎳固溶體的尺寸也由1～2 μm增大到2～5 μm，而共晶含量大大減少，與文獻[11]的結果類似，導致熔覆層的硬度值急劇降低。本文的硬度變化與文獻[8]的規(guī)律不同，文獻[8]中采用的鎳合金中合金元素含量較少，本身熔覆層的硬度只有260 HV0.2，加入鈮元素生成了碳化鈮，熔覆層的硬度提高，而本文中采用的Ni60合金中合金元素含量較高，熔覆層中有較多的析出相、共晶，硬度很高，加入鈮后共晶含量減少、析出相尺寸下降、鎳固溶體增多，熔覆層的硬度反而降低。

2.3 鈮對熔覆層顯微硬度的影響

圖6 Ni60及Ni60+6wt%Nb熔覆層質量損失隨時間的關系曲線

圖6是不含Nb及添加質量百分數為6%的Nb的鎳基合金激光熔覆層摩擦磨損試驗后平均質量損失隨磨損時間的變化曲線。由圖6可以看出，不加Nb的Ni60熔覆層隨磨損時間的增加，熔覆層平均質量損失增加很快。而加入質量百分數為6%的Nb后，隨時間的增加熔覆層質量損失增加的較為緩慢。在不同的磨損時間下，Ni60熔覆層的平均質量損失都為加Nb后熔覆層的平均質量損失的5倍。

圖7是不含Nb及添加質量百分數為6%的Nb的鎳基合金激光熔覆層摩擦磨損后表面形貌掃描電鏡照片。Ni60熔覆層具有較高的硬度，熔覆層中形成的CrB及Cr7C3析出相尺寸大，且Cr7C3析出相呈樹枝狀，有很大的長徑比，與等軸狀析出相相比更容易斷裂，導致熔覆層表面容易開裂，形成大量微裂紋，在摩擦磨損試驗過程中，這些微裂紋容易擴展，導致磨損表面形成片狀碎裂脫離，如圖7(a)所示，磨損質量損失嚴重。加了質量百分數為6%的Nb元素后，熔覆層顯微硬度下降，熔覆層析出相尺寸細化，呈等軸狀不易斷裂，且NbC析出相與基體結合緊密，沒有脫落，磨損表面有很多白亮的NbC析出相，如圖7(b)所示，將該磨損表面放大如圖7(c)所示，并對點A處進行能譜分析，得到譜線圖如圖7(d)所示。發(fā)現(xiàn)點A處的主要元素為質量百分含量為23.13%的Nb元素及57.02%的Ni，其余為少量的Cr、Si、Fe、C等，在加了質量百分數為6%的Nb元素的激光熔覆層中，Nb主要以碳化鈮的形式存在，說明A點為粘附著鎳基合金的碳化鈮顆粒，這些與基體結合緊密的碳化鈮顆粒的存在大大提高熔覆層的耐磨性。

圖7 熔覆層磨損表面的二次電子圖片

3 結論

本文采用激光熔覆法在制備Ni60熔覆層時加入了質量百分數為6%的Nb元素，熔覆層中原位形成了NbC析出相。與不加Nb元素的激光熔覆Ni60顯微組織相比，NbC的形成可以作為CrB形核的核心，CrB呈放射狀依附在NbC生長，細化了CrB析出相的尺寸，并且Nb是強碳化物形成元素，NbC的形成抑制了Cr7C3的析出。與激光熔覆Ni60合金熔覆層相比，加入質量百分數為6%Nb元素的熔覆層硬度下降了300 HV0.5左右，但耐磨性卻顯著提高。

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Effects of Nb on Microstructure and Abrasive Wear Resistance ofLaser Clad Ni60 Alloy Coating

Wu Wentao， Zhang Yang， Song Bohan

(School of Materials Science and Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

Laser deposited coatings were made from Ni60 alloy and Nb-modified Ni60 alloy using laser cladding with powder injection. The effect of Nb on microstructure, phase composition and wear property of the composite coating were investigated by means of scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), electron backscatter diffraction (EBSD) and wear test. Addition of Nb was done to decrease the structural scale of CrB precipitates by providing Nb-rich nucleation agents. The growth of Cr7C3was suppressed in the coating, resulting in a decrease in aspect ration of coarse carbide. Compared with the pure Ni60 alloy coating, the microhardness of the Nb-modified composite coating was decreased about 33%, but the wear resistance of the Nb-modified composite coating was increased five times.

laser cladding;Ni-based alloy;NbC;wear resistance

河北省高等學?？茖W技術研究青年基金項目(QN2015038)；全國大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目資助

吳文濤，男，研究方向為金屬材料的激光熔覆。E-mail：15230198191@163.com

張洋(1980-)，女，博士，講師，研究方向為金屬材料的激光熔覆及焊接。E-mail：zhangyanghit@163.com

TN249

A

2095-0373(2017)02-0105-06

2016-05-06 責任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.02.19

吳文濤,張洋,宋博瀚.鈮對Ni60激光熔覆層顯微組織及耐磨性能的影響[J].石家莊鐵道大學學報:自然科學版,2017,30(2):105-110.