鉬含量對鐵基激光熔覆層組織和性能的影響

皮自強，杜開平，鄭兆然，陳星

（1. 礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2. 特種涂層材料與技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102206；3. 北京市工業(yè)部件表面強化與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，北京 102206）

0 引言

激光熔覆涂層與基體呈冶金結(jié)合，工件熱變形小，熱影響區(qū)窄，熔覆層稀釋率低，粉末利用率高，且綠色無污染，便于工業(yè)化生產(chǎn)，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的表面改性技術(shù)[1-4]。FeCrNi 合金是激光熔覆主要材料體系之一，被廣泛用于礦山、機械、汽車、石油化工等多個領(lǐng)域耐磨部件的表面防護[5-7]。研究表明，合金中加入Mo 可以細(xì)化晶粒，提高合金的淬透性[8-10]。因此，為了進一步提高激光熔覆FeCrNi 涂層的性能，本研究制備了4 種不同Mo 含量的復(fù)合粉末，采用激光熔覆技術(shù)在45#鋼基體上制備了熔覆層，并對熔覆層的物相、顯微組織、性能及磨損機制進行分析，闡明Mo 含量對熔覆層組織和性能的影響規(guī)律。

1 試驗材料及方法

試驗基材為45#鋼，熔覆粉末為自行制備的鐵基合金粉末，其化學(xué)成分和物理性能分別如表1 和表2 所示，分別加入0.5wt.%、1wt.%、1.5wt.%和2wt.%的Mo 粉。所用鐵基合金粉末和Mo 粉粒度組成均為45～150μm，Mo 粉純度為99.99%。采用德國GTV 公司的MF-LC 2000 型激光熔覆設(shè)備進行激光熔覆試驗，其工藝參數(shù)為：激光功率1.8kW，送粉率35g/min，光斑直徑3.19mm，掃描速度1200mm/min，搭接率50%。

圖 1 激光熔覆粉末形貌：(a) Fe 基合金粉末；(b) Mo 粉Fig.1 Morphology of laser cladding powder: (a) Fe-based alloy powder; (b) Mo powder

采用日立SU 5000 掃描電鏡(SEM)對熔覆層的微觀組織進行觀察；采用德國BRUKER 公司的D8 ADVANCE 型X 射線衍射儀(XRD)對所制備的熔覆層進行物相檢測分析；采用402MVATM維氏硬度計對熔覆層顯微硬度進行測量（標(biāo)準(zhǔn)壓頭，加載載荷200 g，加載時間10 s）；采用德國BRUKER 公司的UMT 摩擦磨損試驗儀對熔覆層進行摩擦試驗（往復(fù)式摩擦磨損，接觸方式為平面，Φ7.938mm 的SiN 球，載荷為200 N，時間為30 min，鋼球往復(fù)速率為10 mm/s）。測試前對樣品表面進行機加工處理，保證相近的表面光潔度。測試后分別對樣品進行清洗烘干處理，之后通過分析天平稱重并計算磨損失重，分析天平的精度為0.0001 g。

表1 激光熔覆鐵基粉末化學(xué)成分(wt.%)Table 1 The chemical composition of laser cladding Fe-Based powder (wt.%)

表2 激光熔覆鐵基粉末物理性能Table 2 The physical propertities of laser cladding Fe-Based powder

2 結(jié)果與討論

2.1 熔覆層組織分析

不同Mo 添加量的激光熔覆Fe 基合金涂層的顯微組織如圖 2 所示，結(jié)合XRD 圖譜（如圖3）可知熔覆層中均含有馬氏體和M7C3型碳化物，當(dāng)Mo 添加量不低于1wt.%時，熔覆層中有Mo2C和laves 相生成[11]。未添加Mo 的熔覆層顯微組織呈現(xiàn)典型的柱狀晶，如圖 2(a)所示。隨著Mo 添加量的增加，柱狀晶變少，等軸晶逐漸增多。當(dāng)添加0.5wt.%的Mo 時，熔覆層中柱狀晶結(jié)構(gòu)被擾亂，并有少部分等軸晶生成，如圖 2(b)所示；當(dāng)添加1wt.%的Mo 時，熔覆層中大部分為細(xì)小的等軸晶，如圖 2(c)所示；當(dāng)Mo 的添加量增加至1.5wt.%和2wt.%時，熔覆層中的等軸晶發(fā)生了明顯長大，碳化物也聚集變粗，如圖 2(d)、(e)所示。這是因為Mo 元素的加入使得快速凝固過程中形核質(zhì)點增加，有利于等軸晶的形成[12]。根據(jù)Hunt 等人的研究，當(dāng)凝固組織中等軸晶的體積分?jǐn)?shù)大于0.66%時，柱狀晶的連續(xù)生長會被破壞[13]。此外，Mo 元素的引入使得枝晶末端合金元素濃度增加，同樣會使定向凝固平衡被擾亂。因此，隨著Mo 元素含量的增加，熔覆層中柱狀晶減少，等軸晶增多。

隨著Mo 添加量的增加，碳化物的含量增多，原因在于Mo不僅能降低C在奧氏體中的固溶度，使得更多的C 參與共晶反應(yīng)，還能影響共晶反應(yīng)溫度，擴大共晶反應(yīng)溫區(qū)[14,15]。Mo 元素的加入對碳化物的形態(tài)也有明顯的影響。當(dāng)Mo 元素的含量從0.5wt.%增加到1wt.%時，熔覆層中的碳化物呈現(xiàn)細(xì)化趨勢。這是由于Mo 是鐵素體穩(wěn)定元素，溶入奧氏體后能夠推遲奧氏體轉(zhuǎn)變，使過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線右移，擴大了α 相區(qū)[16]。同時，Mo 的加入使碳原子在奧氏體中的擴散激活能增大，從而阻止了共晶碳化物的聚集長大[17]。當(dāng)Mo 元素的添加量為1.5wt.%時，碳化物呈連續(xù)不規(guī)則網(wǎng)狀分布，當(dāng)Mo 元素的添加量增加到2wt.%時，局部合金元素濃度過高導(dǎo)致形成的碳化物增多，碳化物聚集結(jié)合，呈粗網(wǎng)狀分布，如圖 2(e)所示。

圖 2 不同Mo 添加量激光熔覆Fe 基熔覆層的SEM 照片：(a) 1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4#; (e) 5#Fig.2 SEM pictures of the laser cladded layers with different Mo contents: (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4#; (e) 5#

圖3 激光熔覆樣品XRD 圖譜Fig.3 XRD patterns of the laser cladded layers with different Mo contents

從圖 4 可以看到，隨著Mo 的加入，碳化物形態(tài)也發(fā)生了明顯的變化，不同碳化物中的合金元素含量如表3 所示。當(dāng)熔覆層中未加入Mo 時，大部分碳化物為條塊狀的初生M7C3型碳化物，如圖 4(a)所示。當(dāng)加入2wt.%Mo 時，部分Mo 替換M7C3型碳化物中的Cr 和Fe 等金屬原子，形成魚骨狀的復(fù)雜共晶碳化物[18]。這也是因為Mo 擴大了共晶反應(yīng)溫區(qū)，導(dǎo)致更多共晶碳化物形成。

圖 4 不同Mo 添加量激光熔覆Fe 基熔覆層碳化物形貌：(a) 1#; (b) 5#Fig.4 Carbide morphology of the laser cladded layers with different Mo contents: (a) 1#; (b) 5#

表3 不同碳化物的EDS 結(jié)果Table 3 The EDS results of different carbides

2.2 熔覆層硬度

不同Mo 添加量激光熔覆Fe 基涂層的硬度如圖 5 所示，加入Mo 元素后，熔覆層的硬度增大，且隨著Mo 添加量的增多，熔覆層的硬度也隨之增加，當(dāng)Mo 添加量為2wt.%時，熔覆層硬度可達(dá)743HV0.2。Mo 能夠固溶在基體中起到固溶強化的效果，使得熔覆層硬度增大，而且隨著Mo 添加量增多，形成的碳化物數(shù)量也增多，因此熔覆層硬度隨之上升。

2.3 熔覆層耐磨性能

不同Mo 添加量激光熔覆Fe 基涂層的磨損量如圖 6 所示，可以看到，整體而言，加入Mo 元素后，熔覆層的磨損量比未添加Mo 元素的熔覆層(1#)小，即耐磨性更好。隨著Mo 添加量的增加，熔覆層的磨損量先減小后增大，當(dāng)Mo 添加量為1wt.%時，熔覆層的磨損量最小，為1.1mg，相比不含Mo 元素的熔覆層(1#)，耐磨性提高了63.6%。一方面，Mo 的固溶強化效果和碳化物數(shù)量增多使熔覆層耐磨性增加，但是當(dāng)Mo 添加量過高時，碳化物聚集長大形成粗網(wǎng)狀，反而使得熔覆層耐磨性降低。

圖 5 不同Mo 添加量激光熔覆Fe 基熔覆層的硬度Fig.5 Hardness of the laser cladded layers with different Mo contents

圖 6 不同Mo 含量激光熔覆Fe 基熔覆層的磨損量Fig.6 The mass loss of the laser cladded layers with different Mo contents

圖 7 不同Mo 添加量激光熔覆Fe 基熔覆層的磨損形貌：(a) 1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4#; (e) 5#Fig.7 The wear morphology of the laser cladded layers with different Mo contents: (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4#; (e) 5#

不同Mo 添加量激光熔覆Fe 基熔覆層的磨損形貌如圖 7 所示，磨損機制均為磨粒磨損。隨著Mo 添加量增加，試樣表面的剝落現(xiàn)象先減輕隨后又加重，這與磨損量結(jié)果相符。結(jié)合圖 5 可知，熔覆層的硬度和其耐磨性并不是簡單的對應(yīng)關(guān)系。在磨粒磨損過程中，硬質(zhì)碳化物起到骨架的作用，抵御對磨副對基體的連續(xù)切削，而基體對碳化物起到支撐作用，防止碳化物在對磨過程中剝落，二者相輔相成，提高熔覆層的耐磨性。Mo 固溶在基體中可增加基體的強韌性，被細(xì)化的碳化物能夠阻止裂紋擴展，使骨架分布的更均勻，防止摩擦過程中的大塊剝落，因此熔覆層耐磨性增加。但當(dāng)Mo 添加量過高時，基體難以支撐粗大的網(wǎng)狀碳化物，在磨料的擠壓和剪切等作用下易發(fā)生破碎并從基體上剝離，這樣基體也得不到碳化物骨架的有效保護，萌生裂紋或?qū)е麓髩K剝落，進一步加速了磨損。因此Mo 添加量超過1wt.%時，熔覆層的耐磨性反而降低。

3 結(jié)論

(1) 鐵基激光熔覆層組織由馬氏體和M7C3碳化物組成，隨著Mo 添加量增多，出現(xiàn)了Laves相和Mo2C 碳化物。

(2) 隨著Mo 添加量增多，鐵基激光熔覆層中碳化物先被細(xì)化隨后聚集長大，碳化物形態(tài)由條塊狀變?yōu)轸~骨狀。

(3) 隨著Mo 添加量增多，鐵基激光熔覆層的硬度增大，由于碳化物和基體的協(xié)同作用，熔覆層的耐磨性先增大后減小，加入1wt.%的Mo 時，熔覆層的耐磨性最高，相比未加入Mo 的熔覆層提高了63.6%。