離焦量對MoS2改性Fe-Cr-Mo-Si合金涂層組織與性能的影響

董 月， 舒林森,2

(1. 陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723001； 2. 陜西省工業(yè)自動化重點(diǎn)實驗室， 陜西 漢中 723001)

40Cr鋼因其具備良好的韌性、塑性、淬透性和加工性，被廣泛應(yīng)用于軸類、齒輪、蝸桿、模具等機(jī)械零件當(dāng)中，但在高溫高壓等惡劣工況下運(yùn)行時，零件工作表面很容易被磨損、腐蝕甚至斷裂而失效[1-3]。激光熔覆技術(shù)不僅具備熔覆層變形小、基體熱影響區(qū)小、界面結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)勢，同時具有環(huán)保、綠色無污染等特點(diǎn)。因此，對零件進(jìn)行激光熔覆再制造修復(fù)，符合我國建設(shè)資源節(jié)約型社會，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略[4-5]。目前，關(guān)于碳鋼、不銹鋼、結(jié)構(gòu)鋼、高溫合金鋼等材料的激光熔覆技術(shù)已有大量研究。熔覆材料除了鐵基[6]、鎳基[7]、鈷基[8]自熔性合金粉末外，在粉末中添加增強(qiáng)相逐步成為研究熱點(diǎn)。王東生等[9]采用激光熔覆技術(shù)制備了NiCrBSi/WC-Co復(fù)合涂層，該復(fù)合涂層硬度相比基材提高3倍。Yang等[10]在H13粉末中加入Y2O3粉末和WC粉末作為強(qiáng)化相，通過Y2O3加速了WC粒子分解，提高了復(fù)合涂層的均勻性。白楊等[11]采用激光熔覆技術(shù)在Q235鋼表面制備了316L不銹鋼耐蝕底層和316L+(ZrO2-8%Y2O3)防滑面層，復(fù)合涂層的耐蝕性和耐高溫性能較好。李眉葭等[12]在TC4鈦合金表面激光熔覆了Ni60+Ti3SiC2混合粉末，制備了Ni基自潤滑復(fù)合涂層，使摩擦因數(shù)降低約50%。Liu等[13]探究了掃描速度對熔覆層組織與性能的影響，發(fā)現(xiàn)在300 mm/s的掃描速度下，可制備出摩擦因數(shù)低、磨損率低的鎳基自潤滑涂層。激光熔覆是復(fù)雜的瞬態(tài)熱物理化學(xué)反應(yīng)過程，工藝參數(shù)控制不當(dāng)將直接影響熔覆層質(zhì)量。其中，離焦量的大小直接決定著光斑直徑及其能量分布密度[14]，影響涂層質(zhì)量穩(wěn)定性。因此，研究離焦量對熔覆層組織與性能的影響至關(guān)重要[15-16]。

鑒于此，本文在40Cr鋼基體上熔覆制備了MoS2改性的Fe基復(fù)合涂層，研究了離焦量對涂層宏觀形貌、微觀組織、顯微硬度及摩擦磨損性能的影響，以期為40Cr鋼表面高性能合金涂層的應(yīng)用提供參考。

1 試驗材料及方法

試驗基體材料為正火態(tài)40Cr鋼，顯微組織如圖1所示，可見組織由鐵素體和珠光體組成，基材尺寸為200 mm×100 mm×10 mm，使用前用砂紙打磨并做清潔處理。熔覆材料為MoS2+Fe-Cr-Mo-Si混合粉末，MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，粉末形貌如圖2所示。其中，F(xiàn)e-Cr-Mo-Si合金粉末和40Cr鋼基材的化學(xué)成分如表1 所示。熔覆試驗前，利用球磨機(jī)將MoS2粉末與Fe-Cr-Mo-Si合金粉末在300 r/min轉(zhuǎn)速下混合12 h，并在真空干燥箱中烘干備用。

圖1 正火態(tài)40Cr鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of the normalized 40Cr steel

圖2 激光熔覆粉末的微觀形貌Fig.2 Morphologies of the laser clad powder(a) Fe-Cr-Mo-Si; (b) MoS2

表1 Fe-Cr-Mo-Si合金粉末與40Cr鋼基材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

激光熔覆試驗采用了四路同步同軸送粉模式，使用的光纖激光熔覆設(shè)備由YLS-3000型半導(dǎo)體激光器、ABB機(jī)器人手臂、ZF-KDPZ熔覆頭、CWFL水冷裝置和RH-DFOM雙筒送粉器組成，載粉氣和保護(hù)氣均采用純度為99.99%的氬氣。試驗采用多次單因素及多因素正交試驗優(yōu)化得到的較優(yōu)的工藝參數(shù)：激光功率P=1500 W、掃描速度Vs=12 mm/s、送粉速率Vf=18 g/min、搭接率40%。選擇3種離焦量：h1=0 mm、h2=1 mm、h3=2 mm，以探究不同離焦量對復(fù)合激光熔覆涂層組織與摩擦磨損性能的影響。

在熔覆試驗完成后，采用線切割制備金相試樣及摩擦磨損樣塊。用體積分?jǐn)?shù)為4%硝酸酒精溶液對磨拋后的金相試樣進(jìn)行腐蝕，使用VHX-7000型超景深顯微鏡進(jìn)行組織觀測；利用HV-1000型顯微硬度計對復(fù)合涂層試樣顯微硬度進(jìn)行測定，載荷砝碼為0.5 kg，加載時間為10 s；通過MMW-2型摩擦磨損試驗機(jī)在室溫(25 ℃)下進(jìn)行摩擦磨損試驗，摩擦磨損試樣的尺寸均為38 mm×38 mm×6 mm，表面粗糙度為1.7 μm，復(fù)合涂層及Fe基涂層(未添加MoS2)樣塊磨損試驗參數(shù)均設(shè)置為載荷50 N，轉(zhuǎn)速100 r/min，磨損時間20 min。試驗前后將樣塊用酒精清洗并在室溫下干燥，用電子天平(精度為0.001 g)進(jìn)行磨損量測量，磨損試驗機(jī)的主機(jī)自動記錄摩擦因數(shù)曲線，利用超景深顯微鏡對磨損后試樣的表面形貌進(jìn)行觀測。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 表面形貌

圖3為不同離焦量下復(fù)合涂層的截面形貌及其宏觀形貌?？梢钥闯?，3個試樣的涂層均無宏觀裂紋、氣孔等缺陷。其中，離焦量為0、1 mm時復(fù)合涂層表面附著部分未熔粉末顆粒，具有較高的粗糙度；離焦量h3=2 mm時復(fù)合涂層表面光滑平整，粗糙度最小，復(fù)合涂層與基材間冶金結(jié)合最優(yōu)。分析發(fā)現(xiàn)，光束能量密度均勻性隨著離焦量增加而提高，適當(dāng)提高離焦量有助于加強(qiáng)復(fù)合涂層與基材冶金結(jié)合，并促使表面附著粉末顆粒熔化，使復(fù)合涂層表面光潔度提升。

圖3 不同離焦量下MoS2+Fe-Cr-Mo-Si復(fù)合涂層的截面形貌Fig.3 Crass-sectional morphologies of the MoS2+Fe-Cr-Mo-Si composite coating under different defocusing amount(a) 0 mm; (b) 1 mm; (c) 2 mm

圖4為復(fù)合涂層截面幾何尺寸測量示意圖及幾何尺寸測量結(jié)果。復(fù)合涂層由上到下依次為熔覆層(CZ)、熔化區(qū)(MZ)、熱影響區(qū)(HAZ)及基材(Sub)?？梢姡S著離焦量的增大，復(fù)合涂層深度和寬度減小，高度增大。當(dāng)激光功率、掃描速度等其他熔覆工藝參數(shù)不變時，激光能量密度隨離焦量的增大而減小，到達(dá)基體且被基體和粉末吸收形成熔池的能量減小，進(jìn)入熔池內(nèi)粉末量減小，形成熔池區(qū)域面積變小，因而熔深在離焦量為0～2 mm間呈下降趨勢。

圖4 MoS2+Fe-Cr-Mo-Si復(fù)合涂層截面幾何尺寸測量示意圖(a)和測量結(jié)果(b)Fig.4 Schematic diagram(a) and measurement results(b) of geometric dimension measurement of cross section of the MoS2+Fe-Cr-Mo-Si composite coating

2.2 微觀組織

圖5為不同離焦量下復(fù)合涂層垂直截面的顯微組織?？梢?，受熔池凝固過程中凝固速度R和溫度梯度G的影響，復(fù)合涂層顯微組織從底部到頂部呈現(xiàn)出規(guī)律性變化，依次為復(fù)合涂層底部平面晶和柱狀晶區(qū)、復(fù)合涂層中部樹枝晶區(qū)、復(fù)合涂層頂部等軸晶區(qū)。在復(fù)合涂層底部區(qū)域，圖5(i)中可以清晰觀察到結(jié)合處有平面晶出現(xiàn)，圖5(c，f)則不明顯。主要原因是激光能量密度隨離焦量的增大而減小，導(dǎo)致溫度梯度降低，結(jié)晶參數(shù)G/R減小，平面晶生長受到抑制。在復(fù)合涂層中部區(qū)域，溫度梯度較大，樹枝晶具有較好的生長條件，且隨離焦量增大，樹枝晶組織越粗大。在復(fù)合涂層頂部區(qū)域，隨著離焦量的增大，溫度梯度減小，使得晶粒尺寸變小，從圖5(g)可見，當(dāng)離焦量為2 mm時，等軸晶晶粒更加細(xì)小，組織也更加致密。在熔合線下方是熱影響區(qū)，該區(qū)域主要由馬氏體組織形成，白色部分為殘留奧氏體，其主要原因為在熔覆過程中，熔池內(nèi)產(chǎn)生的熱量快速傳遞到40Cr鋼基體，基體吸收激光能量后發(fā)生相變，從而轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕容^高的馬氏體組織。

圖5 MoS2+Fe-Cr-Mo-Si復(fù)合涂層垂直截面的顯微組織Fig.5 Microstructure of vertical section of the MoS2+Fe-Cr-Mo-Si composite coating

2.3 顯微硬度

圖6(a)為不同離焦量下復(fù)合涂層顯微硬度分布曲線?？梢?，3種離焦量下的顯微硬度均呈階梯狀下降趨勢，復(fù)合涂層硬度明顯高于基材硬度。其中，離焦量h3=2 mm時，復(fù)合涂層上部顯微硬度值最大，達(dá)696.1 HV0.5，其值約為40Cr鋼基材(Sub)平均硬度(230.6 HV0.5)的3倍。主要原因在于復(fù)合涂層組織晶粒大小影響復(fù)合涂層硬度，晶粒尺寸相對越小，復(fù)合涂層的顯微硬度越大，復(fù)合涂層截面組織晶粒大小特征如圖6(b)所示。當(dāng)離焦量為h3=2 mm時硬度值分布曲線最為穩(wěn)定，而離焦量為h1=0 mm和h2=1 mm時硬度值分布曲線波動較大。主要原因在于當(dāng)離焦量相對較小時，激光能量密度較大且分布不均勻，使得光斑中心與邊緣的能量密度差較大，導(dǎo)致基材與復(fù)合涂層間的冶金結(jié)合強(qiáng)度不理想以及復(fù)合涂層各區(qū)域組織晶粒生長不均勻，因此硬度值分布曲線不穩(wěn)定。由于基材元素對復(fù)合涂層產(chǎn)生的局部稀釋，導(dǎo)致復(fù)合涂層下部的熔化區(qū)(BZ)硬度值有所下降，而位于熔化區(qū)之下的熱影響區(qū)(HAZ)硬度明顯高于基材，其原因在于40Cr鋼基材部分組織向馬氏體組織轉(zhuǎn)變。

圖6 不同離焦量下MoS2+Fe-Cr-Mo-Si復(fù)合涂層熔覆試樣的顯微硬度分布曲線(a)和截面組織晶粒大小特征(b)Fig.6 Microhardness distribution curves(a) and grain size characteristics of section structure(b) of the MoS2+Fe-Cr-Mo-Si composite coating clad specimen with different defocusing amounts

2.4 摩擦磨損性能

圖7(a)為相同磨損條件下4組試樣的平均摩擦因數(shù)。可見，復(fù)合涂層平均摩擦因數(shù)分別為0.506、0.489、0.457，遠(yuǎn)小于Fe基涂層的平均摩擦因數(shù)(0.618)，主要原因是MoS2潤滑相降低了涂層摩擦因數(shù)。熔覆高溫使MoS2受熱分解，與復(fù)合涂層中合金元素生成硫化物，且硫化物具有層片狀的易滑移結(jié)構(gòu)特征，起到潤滑作用。當(dāng)離焦量增加時，激光能量分布均勻性增大，使MoS2潤滑相充分分解，潤滑作用提升，所以摩擦因數(shù)隨著離焦量的增加呈下降趨勢。由圖7(b)可見，復(fù)合涂層磨損量隨著離焦量增大而減小，與復(fù)合涂層摩擦因數(shù)規(guī)律性保持一致。離焦量為2 mm的復(fù)合涂層試樣磨損量為0.010 g，僅為Fe基涂層磨損量的21.7%，表明MoS2改性Fe-Cr-Mo-Si合金涂層耐磨性能良好。

圖7 不同離焦量下MoS2+Fe-Cr-Mo-Si復(fù)合涂層及Fe基涂層的摩擦因數(shù)(a)與磨損量(b)Fig.7 Friction coefficient(a) and wear loss(b) of the MoS2+Fe-Cr-Mo-Si composite coating with different defocusing amounts and Fe-based coating

圖8為4種試樣的磨損表面形貌。復(fù)合涂層磨損表面出現(xiàn)較細(xì)淺且平行于滑動方向的犁溝，并出現(xiàn)大塊粘著物，主要磨損機(jī)制為磨粒磨損和粘著磨損。Fe基涂層磨損表面非常粗糙，出現(xiàn)較深的犁溝和小凹坑，主要由于脫落的磨屑在摩擦過程中充當(dāng)硬質(zhì)磨粒，導(dǎo)致表層材料出現(xiàn)斷裂剝落產(chǎn)生局部疲勞，從而形成凹坑，主要磨損機(jī)制為磨粒磨損及疲勞剝落磨損。從圖8可以看出，當(dāng)離焦量為2 mm時，復(fù)合涂層表面磨損程度最小，耐磨性能更好，主要原因為復(fù)合涂層在激光高能密度作用下，其內(nèi)部生成潤滑作用較好的硫化物潤滑膜，從而顯著提升復(fù)合涂層表面耐磨性能。

圖8 不同離焦量下MoS2+Fe-Cr-Mo-Si復(fù)合涂層(a～c)及Fe基涂層(d)的磨損表面形貌Fig.8 Worn surface morphologies of the MoS2+Fe-Cr-Mo-Si composite coating with different defocusing amounts(a-c) and Fe-based coating(d)(a) 0 mm; (b) 1 mm; (c) 2 mm

3 結(jié)論

1) 采用激光熔覆技術(shù)在40Cr鋼上制備MoS2改性的Fe-Cr-Mo-Si合金復(fù)合涂層。隨著離焦量的增大，復(fù)合涂層表面越光滑平整，復(fù)合涂層與基材間冶金結(jié)合越好，當(dāng)離焦量為2 mm時，復(fù)合涂層表面粗糙度最小，結(jié)合面無氣孔、裂紋等缺陷。

2) 復(fù)合涂層上部形成了等軸晶組織，中部為粗大的樹枝晶，底部存在垂直熔合線生長的柱狀晶及沿著基體表面生長的平面晶。其中，離焦量為2 mm時，復(fù)合涂層上部顯微硬度值最高，達(dá)696.1 HV0.5，約為基材硬度(230.6 HV0.5)的3倍；離焦量為2 mm時硬度分布最為穩(wěn)定，而離焦量為0 mm和1 mm時硬度值存在波動。

3) 在相同磨損工況下，復(fù)合涂層平均摩擦因數(shù)及磨損量遠(yuǎn)小于Fe基涂層，但復(fù)合涂層平均摩擦因數(shù)及磨損量隨離焦量增大而減?。粡?fù)合涂層主要磨損機(jī)制為磨粒磨損和粘著磨損，在離焦量達(dá)到2 mm時復(fù)合涂層耐磨性能最好，而Fe基涂層以磨粒磨損和疲勞剝落磨損機(jī)制為主。