等離子噴焊Mo-Fe-Cr-B合金覆層的組織性能研究

常智敏，潘應君，王 盼，柯德慶，黃 遼，李子豪

(武漢科技大學材料與冶金學院，湖北 武漢，430081)

等離子噴焊Mo-Fe-Cr-B合金覆層的組織性能研究

常智敏，潘應君，王 盼，柯德慶，黃 遼，李子豪

(武漢科技大學材料與冶金學院，湖北 武漢，430081)

采用等離子噴焊法在Q235鋼表面熔敷一層Mo-Fe-Cr-B合金覆層，借助光學顯微鏡、SEM、EDS、XRD、顯微硬度計及電化學工作站等對該覆層的組織結(jié)構(gòu)及性能進行表征分析。結(jié)果表明，Mo-Fe-Cr-B合金覆層組織由均勻分布的α-Fe、Mo2FeB2、(Mo,Cr,Fe)3B2和(Cr,Fe)7C3等相組成；覆層與Q235鋼基體形成良好的冶金結(jié)合，在熔合線附近存在元素的相互擴散；覆層顯微硬度最高可達871HV0.3，其為Q235鋼基體硬度的4倍；覆層耐腐蝕性能強于Q235鋼及Ni60覆層。

等離子噴焊；合金履層；Mo2FeB2；顯微組織；顯微硬度；極化曲線；電化學腐蝕

硼化物系合金作為理想的覆層材料，因其優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕及耐高溫性能，且與基體結(jié)合程度好、原料成本低而備受重視[1-2]。目前，普遍采用反應燒結(jié)法制備硼化物系合金覆層材料，該法所制覆層材料存在內(nèi)部孔隙過多、孔隙度大等問題[3-6]。等離子噴焊法是一種能夠有效改善材料表面性能的表面處理技術(shù)，具有噴焊覆層厚度及寬度可控、與基體冶金結(jié)合良好、操作自動化及生產(chǎn)成本較低等特點，近年來引起業(yè)界普遍關注[7-8]。為此，本文采用等離子噴焊法在Q235鋼表面試制Mo-Fe-Cr-B合金覆層，并分析研究該覆層的組織及性能特點，以期為硼化物系合金覆層材料的制備工藝優(yōu)化及推廣應用提供參考。

1 實驗

1.1 實驗材料及設備

實驗采用Q235鋼為基體材料，切割成尺寸為50 mm×30 mm×10 mm的長方體試樣，其化學成分如表1所示。

制備Mo-Fe-Cr-B合金覆層所需的原料粉末包括：Mo粉(分析純，粒度3～5 μm)、FeB粉(化學純，粒度8～10 μm，w(B)為19.7%)、羰基Fe粉(分析純，粒度2～3 μm)、Cr粉(化學純，粒度5～8 μm)及C粉(純度大于99.55%，粒度3～5 μm)，其成分配比如表2所示。

表1 Q235鋼的化學成分(wB/%)

表2 Mo-Fe-Cr-B合金原料粉末組成(wB/%)

噴焊實驗采用DPT100型等離子噴槍(鎢針直徑為2.4 mm)、400 A等離子噴焊電源、送氣控制系統(tǒng)和MDS-3型堆焊送粉器等設備。

1.2 實驗過程

噴焊前對Q235鋼基體表面進行機械加工，保證其表面粗糙度Ra<0.6 μm，然后預熱至300 ℃；原料粉末在干燥箱內(nèi)經(jīng)200 ℃保溫1 h后按照預設的等離子噴焊工藝參數(shù)(如表3所示)進行噴焊試驗，在Q235鋼基體表面制備厚度為5 mm的噴焊覆層。噴焊過程中噴槍與基體平面保持垂直，并通氬氣保護。

表3 等離子噴焊工藝參數(shù)

1.3 分析與檢測

分析試樣取自等離子噴焊所得覆層橫截面部位，在多功能ZEISS Axio Plan2型金相顯微鏡(OM)下觀察試樣金相組織；借助X’Pert PRO MPD型X射線衍射儀(XRD)對覆層進行物相分析；利用 Nova 400 Nano型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)及其附帶的能譜儀(EDS)對覆層顯微組織及成分進行表征與分析；使用HX-500型顯微硬度計測定試樣顯微硬度；采用武漢科思特CS-300系列電化學工作站分別測量Mo-Fe-Cr-B覆層、Q235鋼及Ni60覆層在5%NaCl溶液中的極化曲線并進行對比分析，其中Ni60覆層是柯德慶等采用等離子噴焊法制備的Ni-Cr-B-Si系鎳基自熔性合金覆層[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 等離子噴焊覆層的組織及物相分析

等離子噴焊覆層同Q235鋼基體結(jié)合界面附近的微觀組織形貌如圖1所示。從圖1中可以看出，覆層與Q235鋼基體結(jié)合狀況良好，結(jié)合處無明顯裂紋及孔洞；覆層中組織分布均勻且無氣孔、咬邊及裂紋等宏觀缺陷。

圖1 結(jié)合界面處的微觀組織形貌

圖2為等離子噴焊覆層的XRD圖譜，物相分析顯示該覆層組織由Mo2FeB2、α-Fe、(Mo,Cr,Fe)3B2和(Cr,Fe)7C3等相構(gòu)成，其中Mo2FeB2相的衍射峰最強，表明該物相在覆層組織中所占比例較大。

等離子噴焊覆層顯微組織如圖3所示。從圖3中可見，白色基體上均勻分布著尺寸較大的黑色顆粒，其中部分黑色顆粒聚集在一起；黑色顆粒周圍存在一些灰色共晶組織；白色基體上還分布著許多尺寸較小的黑色球形顆粒。

圖2 等離子噴焊覆層的XRD圖譜

圖3 等離子噴焊覆層顯微組織

圖4為等離子噴焊覆層SEM照片，在視場中選取3個具有代表性的測試點進行EDS分析，結(jié)果如表4所示。由于B、C等輕元素偏差較大，故未將其計算在內(nèi)。

測試點1所對應的尺寸較大顆粒中Mo、Fe原子數(shù)比例接近2∶1，結(jié)合XRD物相分析結(jié)果，該處應為Mo2FeB2相。在等離子噴焊過程中，B、Mo原子及其它原料在高溫條件下經(jīng)原位反應形成Mo2FeB2硬質(zhì)相；測試點2處Mo、Fe原子比為10∶7，略低于Mo2FeB2相中Mo、Fe原子數(shù)比例，表明該處為M3B2共晶組織，其中M由Cr、Fe、Mo組成。M3B2共晶組織的形成是因為覆層中的α-Fe相在形成過程中對B元素有排斥效應，而在Mo2FeB2相形成過程中硬質(zhì)顆粒周圍Mo與B元素濃度很高且Mo與B有很強的親和力，因此在α-Fe晶界處易形成M3B2共晶組織。M3B2共晶組織的形成對噴焊覆層起到了支撐和強化作用，有利于提高覆層的硬度和耐磨性；測試點3所對應的為覆層中的黏結(jié)相，對其進行局部元素掃描，結(jié)果顯示其相組成主要為α-Fe相，Mo、 Cr作為強鐵素體形成元素固溶于α-Fe體心立方晶格中形成固溶強化，同時尺寸細小的M7C3碳化物顆粒彌散分布在黏結(jié)相中形成彌散強化，共同增強了等離子噴焊覆層的性能[10]。

圖4 等離子噴焊覆層的SEM照片

Table4EDSanalysisresultsofplasmasprayingweldingcoating

測試點wB/%MoFeCr xB/%MoFeCr134.509.493.4360.3928.5411.07228.7912.024.4549.9335.8314.2434.0535.264.2710.3483.755.91

2.2等離子噴焊覆層與基材結(jié)合界面區(qū)域分析

圖5為等離子噴焊覆層同Q235鋼基體結(jié)合界面的微觀形貌及界面區(qū)域Mo、Fe、Cr等元素的線掃描圖譜。線掃描結(jié)果表明，Mo、Fe、Cr元素含量從Q235鋼基體一側(cè)到等離子噴焊覆層一側(cè)發(fā)生明顯變化，中間存在一個元素濃度變化過渡區(qū)。

圖5 結(jié)合界面SEM照片及EDS線掃描圖譜

Fig.5SEMimageandEDSlinearscanningspectrumofthebindinginterface

這個過渡區(qū)的形成主要是因為在等離子噴焊過程中Q235鋼基體溫度迅速升高，基體與噴焊覆層結(jié)合界面上的Fe原子能量增加從而開始向覆層側(cè)擴散，此時覆層處于熔融狀態(tài)，其中的Mo、B、Cr原子濃度很高，在濃度梯度的作用下沿著液相界面向Q235鋼基體側(cè)擴散。隨著元素擴散不斷進行，擴散層持續(xù)長大[11]，待溫度降低后即形成具有元素濃度梯度的過渡層，使等離子噴焊覆層與Q235鋼基體之間產(chǎn)生牢固的冶金結(jié)合。

圖6 為等離子噴焊Mo-Fe-Cr-B合金覆層的顯微硬度曲線。從圖6中可見，在熔合線噴焊覆層一側(cè)，硬度值分布均勻，并未隨著距離的增加而發(fā)生大的突變，這表明Q235鋼基體同覆層結(jié)合后對覆層組織影響不大。覆層的硬度介于790～871HV0.3之間，遠高于Q235鋼基體硬度，這也間接表明噴焊覆層具有良好耐磨性。

圖6 等離子噴焊覆層顯微硬度曲線

Fig.6Microhardnesscurvesofplasmasprayingweldingcoating

2.3 極化曲線分析

圖7為等離子噴焊Mo-Fe-Cr-B合金覆層、Q235鋼及Ni60覆層在5%的NaCl溶液中進行電化學腐蝕實驗所測得的極化曲線圖。

圖7 不同材料的極化曲線

對極化曲線進行塔菲爾曲線擬合后得出，Mo-Fe-Cr-B覆層的自腐蝕電流密度為1.00014×10-6A/cm2，Q235鋼的自腐蝕電流密度為1.38386×10-5A/cm2，Ni60覆層的自腐蝕電流密度為4.260 15×10-6A/cm2，可見Mo-Fe-Cr-B覆層的自腐蝕電流密度最小，表明其耐腐蝕性最好。這是因為Mo-Fe-Cr-B覆層中的主要組分Mo2FeB2相是具有U3Si2四方型結(jié)構(gòu)的離子晶體，離子鍵中無自由電子且離子對外層電子束縛力大，所以在電化學腐蝕過程中Mo2FeB2相顆粒表現(xiàn)穩(wěn)定，不易被腐蝕，從而使覆層表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能。在Q235鋼表面等離子噴焊一層Mo-Fe-Cr-B合金覆層可以在一定程度上提高Q235鋼的耐腐蝕性能，延長其使用壽命。

3 結(jié)論

(1)采用等離子噴焊法在Q235鋼表面制備Mo-Fe-Cr-B合金覆層，覆層組織由均勻分布的α-Fe、Mo2FeB2、(Mo,Cr,Fe)3B2和(Cr,Fe)7C3等相構(gòu)成。覆層與Q235鋼基體熔合處無氣孔、夾雜、裂紋等缺陷，形成非常好的冶金結(jié)合，結(jié)合界面附近Fe、Mo、Cr等原子相互擴散形成一定厚度的過渡層。

(2)Mo-Fe-Cr-B覆層的顯微硬度最高可達871HV0.3，且硬度分布均勻，遠高于Q235鋼基體硬度。

(3)Mo-Fe-Cr-B覆層的自腐蝕電流密度小于Q235鋼及Ni60焊層相應值，表明其耐腐蝕性能更強。

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[責任編輯沈冬冬]

MicrostructureandpropertiesofMo-Fe-Cr-Balloycoatingbyplasmasprayingwelding

ChangZhimin,PanYingjun,WangPan,KeDeqing,HuangLiao,LiZihao

(College of Materials Science and Metallurgical Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

The Mo-Fe-Cr-B alloy coatings were prepared on the surface of Q235 steel by plasma spraying welding, then characterized and tested by optical microscope, scanning electron microscope, energy dispersion spectrum, X-ray diffractometer, microhardness tester and electrochemical corrosion work station. The results show that the Mo-Fe-Cr-B alloy coatings consist of α-Fe, Mo2FeB2, (Mo,Cr,Fe)3B2and (Cr,Fe)7C3, which are evenly distributed. Favorable metallurgical coalescent has formed between the Mo-Fe-Cr-B alloy coatings and the Q235 steel substrate with elements diffusion at the interface. The Mo-Fe-Cr-B alloy coatings have the maximal microhardness of 871HV0.3, about four times that of Q235 steel. Corrosion resistance of the Mo-Fe-Cr-B alloy coatings is also better than that of Q235 steel and Ni60 coatings.

plasma spraying welding; alloy coating; Mo2FeB2; microstructure; microhardness; polarization curve; electrochemical corrosion

TG148

A

1674-3644(2017)06-0428-04

2017-09-13

武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室青年基金(2016QN18)；武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室開放基金(FMRUlab17-7).

常智敏(1993-)，男，武漢科技大學碩士生.E-mail：470713499@qq.com

潘應君(1965-)，男，武漢科技大學教授，博士生導師. E-mail：hbwhpyj@163.com

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.06.005