鎳基合金表面激光熔覆鈷基合金的顯微組織與硬度

韓 文 靜

永城職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，河南 永城 476600

鎳基合金表面激光熔覆鈷基合金的顯微組織與硬度

韓 文 靜

永城職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，河南 永城 476600

采用激光熔覆技術(shù)在鎳基高溫合金表面制備了鈷基熔覆層，用SEM，EDS和顯微硬度計對熔覆層進(jìn)行了測試分析．結(jié)果表明，用鈷基自熔合金粉末所制備的熔覆層表面平整無裂紋、完整性好，熔覆層與基體之間形成良好的冶金結(jié)合，熔覆層的顯微硬度約為基體硬度的3倍．

激光熔覆；鎳基合金；鈷基合金；微觀組織；顯微硬度

鎳基高溫合金是航空發(fā)動機(jī)上廣泛使用的一類材料，現(xiàn)代高性能的航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片、導(dǎo)向器等都是由鎳基高溫合金制成的，這些部件服役時受高溫、高壓及腐蝕性燃?xì)獾淖饔贸３３霈F(xiàn)早期損傷，嚴(yán)重影響了發(fā)動機(jī)的安全性能[1-5]．

采用激光熔覆技術(shù)用鈷基自熔合金粉末在Ni825高溫合金表面制備了鈷基熔覆層，并利用SEM和EDS等分析手段，對激光熔覆鈷基涂層的宏觀和微觀組織及涂層的顯微硬度進(jìn)行分析研究．

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗用基底材料為Ni825高溫合金，其密度為8.91 g/cm3、熔點為1726 ℃，化學(xué)成分列于表1．預(yù)涂覆材料為鈷基自熔合金粉末，其化學(xué)成分列于表2．

表1 Ni825合金成分

表2 鈷基粉末的化學(xué)成分

1.2 試驗方法

首先用線切割法將基底材料加工成塊狀試樣，尺寸為32 mm×20 mm×9 mm，然后用240號和400號水砂紙對試樣表面進(jìn)行磨削加工，去掉表面的氧化層后對試樣待熔覆表面進(jìn)行噴丸處理．用JG-Ⅱ型CO2工業(yè)激光器在PC-486控制的三軸聯(lián)動的五坐標(biāo)加工機(jī)床上進(jìn)行激光熔覆處理，以制備熔覆層．激光器為連續(xù)橫流、高頻激勵，額定輸出功率為1.5 kW、穩(wěn)定度±2%，光束發(fā)散角小于3 mrad、光束穩(wěn)定性為±0.3 mrad，激光輸出功率P=3 kW、掃描速度v=10 mm/s、光斑直徑D=3 mm，并用自動送粉機(jī)構(gòu)進(jìn)行送粉．

金相試樣在預(yù)磨機(jī)上完成磨制，用從120～1500號的砂紙分別打磨．然后進(jìn)行觀察前的拋光處理，拋光液為Al2O3細(xì)粉末在水中的懸浮液，之后用清水洗凈拋光布，再用清水拋一遍以除去雜質(zhì)．將試樣磨面浸入王水浸蝕劑中，完畢后立即用清水沖洗，再用酒精擦拭磨面并吹干．

用S-4800N掃描電子顯微鏡,觀察試樣的微觀組織;用INCA350型EDAX能譜儀,對試樣組織及成分進(jìn)行分析;用HV-401/402MVATM型顯微維氏硬度計，分別測定激光熔覆涂層橫截面上的熔覆區(qū)及基體材料的硬度，載荷為0.2 kg．

2 結(jié)果與分析

2.1 鈷基激光熔覆層的宏觀形貌

圖1為涂層橫截面宏觀形貌，鈷基熔覆層的寬度及高度分別為3 mm和2.5 mm．從圖1可見：鈷基熔覆層的表面比較平整、完整性很好、搭接均勻、無龜裂，涂層中沒有疏松、界面潔凈，還可以看出模糊的組織形貌；熔覆層與基體形成良好的冶金結(jié)合，表明結(jié)合強(qiáng)度較大，不容易發(fā)生脫落[6]．

圖1 涂層橫截面宏觀形貌Fig.1 Macroscopic graph in cross section of the coating

2.2 鈷基激光熔覆層的微觀形貌

用掃描電子顯微鏡由低倍到高倍拍攝鈷基熔覆涂層的微觀形貌，通過圖像對鈷基熔覆層的微觀形貌進(jìn)行分析．圖2和圖3為不同倍率下的鈷基熔覆涂層形貌．從圖2可見，激光熔覆試樣的橫截面包括基體區(qū)、熱影響區(qū)和熔覆區(qū)三個區(qū)域，熔覆區(qū)的厚度約為500 μm，靠近基體界面處為等軸晶且等軸晶較粗大．此外，從圖3可以看到，有明顯的共晶組織和大塊的腐蝕孔[7-8]．熔覆層的主要組成相為面心立方γ-Co，根據(jù)晶體生長理論，其生長的擇優(yōu)取向為<100>方向．熔池主要通過界面向基體傳熱，界面結(jié)晶生長方向與熔池的等溫面垂直，向熔池生長[9]．

圖2 涂層放大1000倍形貌Fig.2 Microstructure of the coating with 1000× magnification

圖3 涂層放大3000倍形貌Fig.3 Microstructure of the coating with 3000× magnification

圖4為涂層中硬質(zhì)顆粒放大500倍形貌圖．從圖4可以看到，在灰色的鈷基涂層基體上彌散分布著許多白色的球形顆粒，各個顆粒之間單獨分開，未發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象．涂層基體的部分區(qū)域孔隙率較大，使得鑲嵌的白色顆粒與基體的結(jié)合度不高，在外力作用下容易脫落．經(jīng)分析這些白色球形顆粒為碳化物增強(qiáng)體，這些硬質(zhì)增強(qiáng)相彌散地分布在熔覆層內(nèi)，使熔覆層的硬度及耐磨性提高[10]．

圖4 涂層中硬質(zhì)顆粒放大500倍形貌 Fig.4 Microstructure of hard particle in the coating with 500× magnification

通過能譜分析(圖5)發(fā)現(xiàn)，在硬質(zhì)增強(qiáng)相中含有C，Si，Ti，Cr及W等元素．這些元素形成細(xì)小致密的復(fù)雜多元顆粒碳化物和金屬間化合物，彌散地分布在基體上，從而起到很好的耐磨和耐腐蝕性能．

此外，在鈷基熔覆層中還可以看到有細(xì)小的枝晶增強(qiáng)體．通過能譜分析發(fā)現(xiàn)，枝晶體是由C元素與其他合金元素形成的(圖6)．硬質(zhì)陶瓷相具有抗氧化、硬度高、耐腐蝕性能好等優(yōu)點，一般呈圓形，因此含硬質(zhì)陶瓷相的涂層與對磨表面形成非金屬接觸，使之具有極低的摩擦系數(shù)．

在鈷基熔覆涂層中還發(fā)現(xiàn)有大塊的增強(qiáng)體(圖7)，在腐蝕液中這些增強(qiáng)體大部分被溶解形成腐蝕孔洞，通過能譜儀對這種大塊的增強(qiáng)體進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在鈷基涂層的空洞夾雜物中含有Al和Mg元素，從而形成氧化物Al2O3和MgO．Al2O3的存在可以起到較好的高溫抗氧性能，環(huán)境中的氧向深層擴(kuò)展遇到Al2O3的阻礙而形成鈍化，因而其氧化增重較少[11-12]．此外，Mg元素可以提高晶間結(jié)合力．

3 激光熔覆層的硬度分布

取激光熔覆層的橫截面進(jìn)行硬度測試，用顯微硬度計距表面每隔100 μm打一個硬度，其硬度與表面距離的關(guān)系如圖8所示．

圖5 涂層中增強(qiáng)相能譜圖Fig.5 EDS image of the reinforced phase in coatings

圖6 枝晶能譜圖Fig.6 EDS image of the dendrite in coatings

圖7 大塊增強(qiáng)體能譜圖Fig.7 EDS analysis of the block phase in coatings

圖8 涂層硬度和表面距離的關(guān)系Fig.8 Hardness of surfacing layer curves with different surfacing thickness

從圖8可見：基體的硬度最低，其次是結(jié)合區(qū)，再次是熔覆區(qū)；涂層的平均硬度達(dá)到960 HV左右，基體的平均硬度為370HV，這是由于涂層中存在大量的高硬度增強(qiáng)相，使得其硬度比原來的鈷基合金還高，涂層的硬度在界面處發(fā)生陡降．

激光熔覆是個快速加熱和冷卻的過程，其加熱和冷卻速率可達(dá)到105～109 ℃/s，存在著極大的溫度梯度，有利于得到超細(xì)的晶粒，產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)．熔覆層具有最高的硬度值，這是大量的合金元素Cr，Si和C溶入枝晶而產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化，以及大量共晶化合物而引起的第二相彌散強(qiáng)化所致[13]．在鈷基熔覆涂層界面熔覆區(qū)中，鈷元素也起到了以下的作用：強(qiáng)化了γ′相，Co進(jìn)入γ′相變成(Ni，Co)3(Al，B)，提高了γ′相的固溶溫度；γ′相的數(shù)目，增加了γ′的尺寸[14]．大量的硼化物和碳化物在枝晶之間彌散分布，由Co和Cr形成的固溶體基體比較穩(wěn)定，使涂層具有良好綜合力學(xué)性能[15]．

4 結(jié) 論

(1)具有冶金結(jié)合的鈷基熔覆涂層表面平整無裂紋，完整性很好，氣孔、夾雜等微觀缺陷很少．熔覆層與基體之間形成良好的冶金結(jié)合．

(2)微觀組織分析表明，鈷基熔覆層由形態(tài)細(xì)小均勻的枝晶相、硬質(zhì)相和共晶相組成．

(3)熔覆層的顯微硬度是基體硬度的3倍左右．

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MicrostructureandhardnessofthelasercladdingCo-basedalloycoatingonthesurfaceofNi-basedalloy

HAN Wenjing
DepartmentofElectro-machineryEngineering，YongchengVocationalCollege，Yongcheng476600，China

The cladding layer was prepared by laser cladding technique on the surface of Ni-base superalloy.The results show that the surface of the cladding layer prepared by cobalt-based self-fluxing alloy powder is smooth and crack-free, and the integrity of the cladding layer and the matrix is good. The microhardness of the cladding layer is about matrix hardness 3 times than that of the substrate.

laser cladding；Ni-based alloy；Co-based alloy；microstructure；microhardness

TG178

：A

2017-04-18

韓文靜(1985-)，女，河南永城人，碩士，講師．

1673-9981(2017)03-0157-05