燒結(jié)熔覆鋼表面鎳基合金涂層的組織和性能

李新星 ，王紅俠 ，施劍峰 ，韓雨洋 ，姜秋彤 ，劉 緣

1) 宿遷學(xué)院材料科學(xué)與工程系, 宿遷 223800 2) 宿遷學(xué)院產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 宿遷 223800 3) 江蘇豐東熱技術(shù)有限公司, 鹽城 224100

鎳基自熔合金涂層具有良好的耐磨性、耐腐蝕性和抗氧化性等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用在各種模具、發(fā)動(dòng)機(jī)閥座以及各類電器閥門上，對(duì)提高工件在高溫、腐蝕、磨損等嚴(yán)酷環(huán)境下的使用壽命具有重要意義[1-2]。劉祥慶等[3]通過感應(yīng)熔覆法在AISI 1045鋼管內(nèi)外壁上制備了Ni60合金涂層，涂層與基體之間形成了良好的冶金結(jié)合，對(duì)基體能夠起到很好的抗腐蝕防護(hù)作用。楊理京等[4]通過超音速激光沉積技術(shù)在45鋼表面制備出Ni60合金涂層，在Ni60涂層與45鋼基體界面處，機(jī)械咬合與冶金結(jié)合共存，涂層的平均顯微硬度為HV0.3867。肖逸鋒等[5]通過真空燒結(jié)熔覆技術(shù)在Q235鋼表面制備出Ni60合金涂層，涂層硬度和耐磨性均明顯優(yōu)于鋼基體。徐峰等[6]采用熱噴涂技術(shù)在鋼基體表面制備出Ni60涂層和含質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%金剛石顆粒的Ni60涂層，Ni60涂層的顯微硬度約為HV 694.2，含金剛石顆粒的Ni60涂層的顯微硬度約為HV 891.8。李朋洋等[7]采用火焰噴焊與等離子堆焊工藝在45鋼基體表面制備了Ni60與Ni60-WC涂層，等離子堆焊層比相應(yīng)的火焰噴焊層更加致密，孔隙率更低，WC顆粒的添加顯著提高了的涂層硬度和耐磨性。

目前常用的鎳基自熔合金涂層制備方法有熱噴涂法、堆焊法、感應(yīng)熔覆法、激光熔覆法等[8-13]。然而這些方法往往存在設(shè)備投資大、涂層厚度薄、工藝復(fù)雜等一系列固有缺點(diǎn)[14-15]。本文采用燒結(jié)熔覆法，在45鋼基體表面制備鎳基合金涂層，分析了不同成分合金涂層的相組成、組織形貌、界面結(jié)構(gòu)和涂層剖面硬度分布特征，并研究了涂層的燒結(jié)熔覆工藝，為進(jìn)一步拓展鎳基合金涂層在工程領(lǐng)域的應(yīng)用奠定理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

涂層原材料分別采用Ni25、Ni45及Ni60鎳基自熔合金粉末，粒徑為50～80 μm，化學(xué)成分如表1所示。基體材料選擇45鋼，尺寸為φ10 mm×15 mm。實(shí)驗(yàn)前將45鋼用砂輪機(jī)打磨，去除表面鐵銹和氧化皮，然后用丙酮清洗表面油污，并用電吹風(fēng)吹干。

表1 Ni25、Ni45、Ni60合金粉末化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical compositions of the Ni25, Ni45, Ni60 alloy powders %

秤取一定量鎳基自熔合金粉末放入研缽，加入少量聚乙烯醇（PVA）粘結(jié)劑并攪拌均勻，用壓片機(jī)將混入粘結(jié)劑的合金粉末壓制成圓柱形預(yù)制塊，尺寸約為φ10 mm×2 mm。在45鋼基體表面涂上粘結(jié)劑，然后將預(yù)制塊粘貼于45鋼基體表面，實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。將粘貼好涂層的45鋼試樣放入烘箱，在90 ℃溫度下干燥8 h。將干燥好的試樣放入已升至設(shè)定溫度的電阻爐中，進(jìn)行燒結(jié)熔覆實(shí)驗(yàn)。燒結(jié)溫度設(shè)定為1000 ℃和1100 ℃，保溫時(shí)間設(shè)定為15、30、45 min。保溫結(jié)束后關(guān)閉電阻爐，隨爐冷至800 ℃左右，然后出爐空冷至室溫。

圖1 燒結(jié)熔覆實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the sintering cladding experiment

采用D/Max-2500/PC型X射線衍射儀（X-ray diffraction，XRD）分析不同成分鎳基合金涂層的物相組成，采用Cu靶的Kα射線，衍射角度為10°～90°。采用Lab1型蔡司金相顯微鏡觀察并拍攝鎳基合金涂層的微觀形貌。采用HVS-1000型數(shù)字顯微硬度儀測(cè)量鎳基合金涂層和45鋼基體的顯微硬度值，施加載荷為0.49 N，加載時(shí)間為10 s。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層物相分析

圖2給出了不同成分鎳基合金涂層的X射線衍射分析結(jié)果。從圖中可以看出，Ni25合金涂層的主要由γ-(Ni, Fe)奧氏體和Cr23C6碳化物組成。Ni45和Ni60合金涂層中除了γ-(Ni, Fe)奧氏體和Cr23C6碳化物之外，還出現(xiàn)了CrB硼化物，且Ni60合金涂層中Cr23C6和CrB較Ni45涂層中含量更多?？梢?，原料粉末從Ni25到Ni60，隨著C、Cr、B等合金元素含量增加，涂層中的硬質(zhì)相逐漸增多了。

圖2 不同成分鎳基合金涂層的X射線衍射圖譜：（a）Ni25；（b）Ni45；（c）Ni60Fig.2 XRD patterns of the nickel-based alloy coatings with different compositions: (a) Ni25; (b) Ni45; (c) Ni60

2.2 涂層微觀形貌

圖3給出了不同成分鎳基合金涂層的微觀形貌。從圖中可以看出，不同成分鎳基合金涂層的微觀組織均較為致密，孔隙數(shù)量較少。說明采用燒結(jié)熔覆法可以在45鋼表面獲得較為致密的鎳基合金涂層。Ni25合金粉末中C、Cr、B等合金元素含量較低，Ni元素含量最高，結(jié)合圖2中X射線衍射分析結(jié)果可知，Ni25合金涂層組織主要為比較粗大的γ-(Ni, Fe)奧氏體枝晶，以及少量的Cr23C6碳化物相分布于枝晶間。由于碳化物數(shù)量較少，尺寸也較小，在顯微鏡下幾乎難以辨別，如圖3（a）所示。與Ni25合金粉末相比，Ni45合金粉末中的C、B、Cr等合金元素含量相對(duì)較多。從圖3（b）中可以看出，Ni45合金涂層中的γ-(Ni, Fe)奧氏體相枝晶細(xì)化，且在涂層組織中所占比例明顯下降。在奧氏體枝晶間可以觀察到一些顆粒狀的硬質(zhì)相，結(jié)合圖2中X射線衍射分析結(jié)果可知，顆粒狀硬質(zhì)相主要為Cr23C6碳化物和CrB硼化物。Ni60合金粉末中的合金元素含量是三種成分合金粉末中最多的，因此Ni60合金涂層組織中硬質(zhì)相含量最多。由圖3（c）可見，大量的顆粒狀Cr23C6碳化物和CrB硼化物彌散分布在γ-(Ni, Fe)枝晶間。

2.3 界面形貌

圖4為45鋼表面不同成分鎳基合金涂層的界面形貌。從圖中可以看出，界面主要包括基體、過渡層和合金涂層三個(gè)組成部分。上部區(qū)域?yàn)?5鋼基體，下部區(qū)域?yàn)殒嚮辖鹜繉樱煌煞宙嚮辖鹜繉优c45鋼基體在界面處的結(jié)合均比較致密，幾乎看不到孔隙和裂紋存在。在燒結(jié)熔覆過程中，由于鎳基合金呈液態(tài)，有利于界面處各元素充分?jǐn)U散。在基體和涂層之間的結(jié)合處存在明顯的過渡區(qū)，說明涂層和基體之間形成了良好的冶金結(jié)合。

2.4 燒結(jié)工藝參數(shù)對(duì)涂層組織形貌的影響

圖5為不同燒結(jié)溫度及保溫時(shí)間下Ni60合金涂層的微觀形貌。由圖5（a）至圖5（c）可以看出，燒結(jié)溫度1000 ℃時(shí)，不同保溫時(shí)間下Ni60合金涂層相對(duì)密度均不高。由于燒結(jié)溫度較低，該溫度下主要以固相燒結(jié)為主，顆粒擴(kuò)散速度慢，因而涂層中孔隙數(shù)量較多，且孔隙形狀為不規(guī)則的圓形。隨著保溫時(shí)間由15 min增加至30 min，由于在高溫下停留時(shí)間比較長(zhǎng)，擴(kuò)散變得更加充分，且燒結(jié)過程中形成的少量液相有足夠時(shí)間充分流動(dòng)，可以填充到涂層中的部分孔洞中，涂層中的孔隙尺寸略有減小，數(shù)量也略有減少。保溫時(shí)間達(dá)到45 min，涂層中硬質(zhì)相顆粒尺寸長(zhǎng)大，相對(duì)密度變化不大。

圖5（d）至圖5（f）所示為1100 ℃下不同保溫時(shí)間時(shí)Ni60合金涂層的微觀形貌。由圖可知，燒結(jié)溫度1100 ℃時(shí)，由于燒結(jié)溫度較高，涂層呈現(xiàn)出典型的鑄態(tài)特征。由于形成較多的液相量，擴(kuò)散速率加快，燒結(jié)比較充分。不同保溫時(shí)間下涂層顯微組織均較為致密，幾乎沒有孔隙存在。保溫時(shí)間15 min時(shí)，涂層中硬質(zhì)顆粒相尺寸較小，均勻彌散地分布在基體中；保溫時(shí)間30 min時(shí)，涂層中硬質(zhì)相尺寸長(zhǎng)大；隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)到45 min，涂層中硬質(zhì)相進(jìn)一步長(zhǎng)大，尺寸變得不規(guī)則，部分CrB顆粒甚至發(fā)展成為粗大的針狀[5]。這種粗大的針狀第二相對(duì)材料的性能有害無益，很容易造成應(yīng)力集中，使材料塑性降低，強(qiáng)度下降。

2.5 涂層硬度分析

圖6給出了45鋼表面不同成分鎳基合金涂層剖面的顯微硬度分布曲線。從Ni25到Ni60，合金涂層中碳化物和硼化物數(shù)量逐漸增多，彌散分布的硬質(zhì)第二相能夠起到較好的彌散強(qiáng)化作用，從而大幅度提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。此外，部分B、Si元素固溶于γ-(Ni, Fe)奧氏體中，通過固溶強(qiáng)化機(jī)制對(duì)提高涂層的硬度同樣可以起到積極的作用。由圖可以看出，Ni45、Ni60合金涂層剖面顯微硬度呈梯度分布趨勢(shì)，表面硬度較高，隨后逐漸降低到基體硬度值。Ni60合金涂層的硬度最高，約為HV 735；Ni45合金涂層次之，約為HV 534；而Ni25合金涂層硬度最低，只有HV 236，與45鋼基體硬度相接近，因而剖面顯微硬度分布曲線幾乎呈一條水平線。這是因?yàn)镹i25合金涂層組織主要為韌性粗大的γ-(Ni, Fe)奧氏體枝晶，硬質(zhì)相數(shù)量極少，所以涂層硬度較低，韌性相對(duì)較好。

3 結(jié)論

（1）Ni25合金涂層組織主要為比較粗大的γ-(Ni, Fe)奧氏體，以及少量的Cr23C6碳化物相；Ni45和Ni60合金涂層中除了γ-(Ni, Fe)和Cr23C6碳化物相之外，還出現(xiàn)了CrB硼化物相，Ni60合金涂層組織中硬質(zhì)相含量最多。

（2）不同成分鎳基合金涂層與45鋼基體界面處的結(jié)合均比較致密，兩者之間形成了良好的冶金結(jié)合。燒結(jié)溫度1100 ℃、保溫時(shí)間15 min時(shí)，涂層相對(duì)密度較高，硬質(zhì)相顆粒尺寸較小，分布均勻。

（3）合金元素含量增加，鎳基合金涂層的顯微硬度提高。Ni60合金涂層的硬度最高，約為HV 735；Ni45合金涂層次之，約為HV 534；Ni25合金涂層硬度最低，為HV 236，接近45鋼基體硬度值。