激光熔覆Fe基非晶合金涂層裂紋分析

歐陽昌耀， 白峭峰， 韓斌慧， 閆獻國

(1. 太原科技大學 機械工程學院， 山西 太原 030024；2. 西安航空職業(yè)技術(shù)學院 汽車工程學院， 陜西 西安 710089)

鐵基非晶合金因其相對較低的材料成本和優(yōu)越的物理、力學性能，如極高的強度、硬度、耐磨性和優(yōu)異的磁性能[1-2]，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。表面涂層技術(shù)可以有效提高非晶合金成形性能以及不受厚度、尺寸的限制，使得非晶合金涂層具有更大的吸引力。激光熔覆技術(shù)具有很高的功率密度和冷卻速度(104～106K/s)，涂層與基體冶金結(jié)合良好，滿足制備非晶合金的要求[3]。但在激光熔覆過程中也會帶來一些新的問題，如熔覆層裂紋的產(chǎn)生、熔覆層被基體過分稀釋和熔覆層產(chǎn)生氣孔等問題[4]。裂紋是最危險的缺陷，嚴重影響了熔覆質(zhì)量和涂層性能。本文使用激光熔覆技術(shù)在304不銹鋼基材表面熔覆鐵基非晶合金涂層時產(chǎn)生了裂紋，通過對裂紋周圍元素、硬度和易萌生處析出物的定性分析，研究了涂層裂紋成形機理。為激光熔覆制備鐵基非晶合金涂層裂紋控制方面提供參考。

1 試驗材料及方法

試驗采用304不銹鋼作為基體。熔覆粉末為球形Fe基非晶合金粉末，其化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為：1.13C、0.97Si、1.66Mn、11.1Mo、21.64Cr、8.31W，F(xiàn)e余量，平均粒徑為45 μm。圖1為Fe基非晶合金粉末的X射線衍射圖，可見其在2θ為40°～50°的范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的表征非晶態(tài)的彌散包，無明顯的布拉格晶體衍射峰存在，表明粉末呈現(xiàn)良好的非晶態(tài)組織。

圖1 Fe基非晶合金粉末的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of the Fe-based amorphous alloy powder

使用LDF3000-60型激光器，搭配同軸送粉器，依靠KUKA機械臂來實現(xiàn)空間位移帶動激光熔覆頭進行熔覆試驗，熔覆過程使用高純度的氬氣作為保護氣及載氣，熔覆工藝見表1。

表1 激光熔覆工藝參數(shù)

試驗前，將304不銹鋼基體打磨、清潔干凈，之后使用液體滲透著色觀察熔覆層表面裂紋行為，使用蔡司場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察熔覆層內(nèi)部缺陷，并使用能譜儀(EDS)分析熔覆層裂紋區(qū)的元素種類和含量。使用Empyrean型X射線衍射儀(XRD)對熔覆層所含物相進行檢測，使用HXD-1000TM型數(shù)字顯微硬度計對熔覆層裂紋區(qū)周圍進行硬度測試，加載載荷砝碼為200 g。

2 裂紋分析

2.1 裂紋形貌分析

Fe基非晶合金熔覆層表面著色探傷裂紋宏觀形貌見圖2，可以看出涂層表面出現(xiàn)了多條明顯的縱向垂直于掃描方向或略向掃描方向傾斜的橫向裂紋，而且部分裂紋還出現(xiàn)了樹枝形分叉行為。

圖2 Fe基非晶合金涂層宏觀形貌(a)及表面著色探傷裂紋形貌(b)Fig.2 Macro morphologies of the Fe-based amorphous alloy coating(a) and surface colored flaw detection cracks(b)

圖3為涂層中裂紋的主要形態(tài)，通過觀察可知，不同類型裂紋均從涂層和基體之間的熱影響區(qū)萌生，呈折線狀向熔覆層方向擴展。這種萌生在基體熱影響區(qū)，并向熔覆層方向擴展的裂紋，根據(jù)其特性，一般稱為熱影響區(qū)裂紋[5]。涂層主要裂紋類型有穿透裂紋、深埋裂紋、粗裂紋、細裂紋(見圖3)。穿透型裂紋(見圖3(a))是從基材界面開始到達涂層的表面，裂紋貫穿于整個熔覆層；深埋型裂紋(見圖3(b))是從基材界面發(fā)生僅存在于熔覆層內(nèi)部，未到達熔覆層的表面。文獻[6]認為穿透型裂紋的應(yīng)力相對于深埋型裂紋較大，其對熔覆層的破壞和危害作用更大；但是深埋型裂紋由于位于熔覆層內(nèi)部，使得對其檢測難度增大，防治也變得更加困難。粗裂紋(見圖3(c))是熔覆層內(nèi)形狀大小較為明顯的裂紋，在較大的應(yīng)力作用下，在粗裂紋的周圍容易出現(xiàn)相較于主裂紋比較細小的次生裂紋。粗裂紋內(nèi)部多為較大的顆粒沉淀物組成，顆粒間沒有粘結(jié)，顆粒之間的有效孔隙阻礙整體之間的接觸。細裂紋(見圖3(d))是熔覆層中比較細小的裂紋，中間多出現(xiàn)斷續(xù)，成串分布現(xiàn)象，內(nèi)部有較多尺寸較小的夾雜物和沉淀物，整體表現(xiàn)較為疏松。

圖3 Fe基非晶合金涂層中裂紋形貌(a)穿透裂紋；(b)深埋裂紋；(c)粗裂紋；(d)細裂紋Fig.3 Morphologies of cracks in the Fe-based amorphous alloy coating(a) penetration crack; (b) deep buried crack; (c) coarse crack; (d) fine crack

2.2 熔覆層物相分析

圖4為Fe基非晶涂層的XRD衍射圖譜，可見Fe基非晶涂層出現(xiàn)了明顯的衍射峰和少量的非晶漫散射峰(2θ為43°左右)，部分尖銳衍射峰疊加在漫散射峰之上。這表面涂層主要由晶相和非晶相共同組成。涂層的晶相主要由α-Fe、α-Cr、第二相碳化物(M7C3、M5C2)、硅化物(CrSi2、FeSi)和不確定物相組成。激光熔覆時內(nèi)部非平衡的凝固以及非晶態(tài)轉(zhuǎn)變時形核不完全、晶化不完全，導(dǎo)致形成了些許的非平衡相，在標準的物相卡片(PDF)上未找到具體的物相與之對應(yīng)，文獻[7]對鐵基非晶合金涂層的研究也報道過相關(guān)的結(jié)論。

圖4 Fe基非晶合金涂層的XRD圖譜Fig.4 XRD pattern of the Fe-based amorphous alloy coating

2.3 裂紋周圍元素匹配性分析

對涂層裂紋附近元素進行線掃描能譜分析，結(jié)果見圖5。涂層裂紋位置和左右無裂紋位置之間存在多處元素強度突變的情況，其中C、Si元素含量在裂紋處有著明顯的劇增趨勢，F(xiàn)e、Cr、Mo等元素在裂紋處有一定的下降趨勢。通常元素發(fā)生變化的位置可能有因偏析而形成的析出產(chǎn)物，可知裂紋處存在一定的元素偏析現(xiàn)象。元素偏析伴隨著物相的變化，進而產(chǎn)生一定的組織應(yīng)力，為裂紋的產(chǎn)生提供應(yīng)力條件。

圖5 Fe基非晶合金涂層裂紋處線掃描分析Fig.5 Line scan analysis of crack in the Fe-based amorphous alloy coating

結(jié)合X射線衍射分析結(jié)果可知，C、Si明顯的偏析聚集現(xiàn)象主要是存在碳化物和硅化物析出物，它們具有較高的熔點，在熔覆過程中首先從液態(tài)金屬中析出且具有較高的脆性。由于激光熔覆非平衡凝固過程，硬質(zhì)沉淀物形成迅速且不均勻，這導(dǎo)致硬質(zhì)沉淀物內(nèi)部嚴重的晶格畸變和較高的內(nèi)應(yīng)力[8]。這導(dǎo)致該區(qū)域周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致硬質(zhì)沉淀物破裂，成為裂紋萌生的核心。Shi等[9]在同軸激光熔覆Ni60A合金涂層的裂紋行為研究中也得到過類似的結(jié)論。圖6為涂層裂紋處碳元素分布形貌，可以看出C在裂紋發(fā)生的一側(cè)聚集，聚集的沉淀碳化物引起過大的應(yīng)力導(dǎo)致裂紋擴展。

圖6 Fe基非晶合金涂層裂紋處碳元素分布形貌Fig.6 Distribution morphologies of carbon element at crack in the Fe-based amorphous alloy coating

圖7 裂紋帶周圍硬度分布Fig.7 Hardness distribution around the crack zone

2.4 裂紋周圍硬度分析

圖7為裂紋帶周圍的硬度，可見緊挨著裂紋帶的硬度相比于同一水平其他無缺陷地方硬度較低。這是由于裂紋帶附近組織較為疏松，存在較多的縫隙和孔隙，同時硬質(zhì)相結(jié)合不牢固，裂紋帶周圍整體呈斜滑趨勢。

3 討論

針對Fe基非晶合金涂層裂紋的產(chǎn)生，對控制裂紋提出以下兩條思路：

1) 由于涂層和基體之間的熱物理性能和溫度差異很大，使得熔覆層會產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱應(yīng)力是殘余應(yīng)力的主要部分，對開裂有至關(guān)重要的影響[10]。根據(jù)式(1)來判定熔覆層熱應(yīng)力[11]：

(1)

式中：σ為熱應(yīng)力；E為熔覆層的彈性模量；Δα為熱膨脹系數(shù)之差，即Δα=α2-α1(α1、α2分別為基材和熔覆材料的熱膨脹系數(shù))；ΔT為熔覆層溫度與室溫之差；γ為熔覆層的泊松比。當σ>0時，涂層中熱應(yīng)力為拉應(yīng)力，對控制涂層開裂不利；當σ<0時，涂層中熱應(yīng)力為壓應(yīng)力，有利于降低裂紋開裂的敏感性。可以通過選擇熱膨脹系數(shù)相近的基材和熔覆材料及通過預(yù)處理降低溫度梯度，來抑制熔覆層的開裂。文獻[12-13]中研究者通過熔覆前對基材進行預(yù)熱，降低涂層內(nèi)的溫度梯度、減少熱應(yīng)力，有效避免了裂紋的產(chǎn)生。

2) 搭接區(qū)是連接第一道熔覆和第二道熔覆的區(qū)域，由于該區(qū)域即包含第一道熔覆的部分元素，又包含第二道熔覆的部分元素，這使得該區(qū)域相較于其他區(qū)域更加容易造成元素的堆積現(xiàn)象。使得C、Si在該區(qū)域容易堆積偏析，搭接區(qū)元素堆積示意如圖8所示，形成較多的硬質(zhì)沉淀相，給裂紋的萌生提供了一定的條件。搭接處因被激光重新加熱，易熱力集中而產(chǎn)生熱應(yīng)力，對裂紋控制不利。因此，為抑制熔覆層開裂，可選用合理的搭接率進行熔覆；文獻[14]報道過相關(guān)的研究，通過合適的搭接率獲得了無裂紋的Zr-Cu-Ni-Al非晶復(fù)合涂層。

圖8 搭接區(qū)元素堆積示意圖Fig.8 Schematic diagram of element accumulation in overlap area

4 結(jié)論

激光熔覆Fe基非晶合金涂層存在萌生于基體熱影響區(qū)并向熔覆層方向擴展的裂紋，裂紋類型有穿透裂紋、深埋裂紋、粗裂紋、細裂紋。涂層主要存在α-Fe、α-Cr、碳化物、硅化物等物相。裂紋主要由熱影響區(qū)較大的熱應(yīng)力以及C、Si元素偏析聚集而成的高熔點及高硬度的碳硅化物造成。裂紋帶的硬度相較于同一水平其他無缺陷處硬度要低。