超聲滾壓對高速激光熔覆GH5188高溫合金涂層組織和力學(xué)性能的影響

紀(jì)皓文，郝敬賓,b，牛慶偉，劉昊，楊海峰，劉新華

超聲滾壓對高速激光熔覆GH5188高溫合金涂層組織和力學(xué)性能的影響

紀(jì)皓文a，郝敬賓a,b，牛慶偉a，劉昊a，楊海峰a，劉新華a

（中國礦業(yè)大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院 b.江蘇省礦山智能采掘裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 徐州 221116）

為了提高GH5188高速激光熔覆涂層的摩擦磨損性能和耐腐蝕性能，采用超聲滾壓（UR）技術(shù)在GH5188涂層表面制備納米晶層。利用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）、能譜分析儀（EDS）、維氏硬度計(jì)、高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和電化學(xué)工作站研究超聲滾壓作用下GH5188涂層的微觀形貌、相組成、顯微硬度、高溫摩擦磨損性能和耐腐蝕性能。超聲滾壓后，GH5188涂層表面達(dá)到鏡面效果，與未滾壓相比，粗糙度下降58%；制備出厚度為18 μm的納米晶層；與H13基體相比，未滾壓的涂層表面顯微硬度提高21%，超聲滾壓后的涂層表面顯微硬度提高70%；與H13基體相比，未滾壓的涂層耐磨性提高69%，超聲滾壓后的涂層耐磨性提高81%；電化學(xué)測試結(jié)果表明，與H13基體相比，未滾壓的涂層耐腐蝕性提高12%，超聲滾壓后的涂層耐腐蝕性提高17%。超聲滾壓后的涂層表層組織位錯(cuò)密度和晶界增加，獲得了納米晶層，有效改善了GH5188涂層的顯微硬度、耐磨性和耐腐蝕性等力學(xué)性能。

高速激光熔覆；超聲滾壓；高溫合金涂層；表面強(qiáng)韌化；納米晶層

研究表明，由于零部件之間的相對運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的侵蝕磨損造成約有一半的機(jī)械能被浪費(fèi)[1]。疲勞裂紋通常出現(xiàn)在頻繁進(jìn)行循環(huán)載荷的運(yùn)動(dòng)部件上[2]。機(jī)械零件表面的性能由表層材料決定，因此，對表層材料進(jìn)行改性，在表面粗糙度、硬度、顯微組織、耐磨等方面獲得更優(yōu)異的性能是非常重要的[3]。表面改性技術(shù)通常以嚴(yán)重塑性變形工藝為代表，通過嚴(yán)重塑性變形產(chǎn)生納米晶層，提高表面材料的摩擦磨損性能、熱疲勞壽命和耐腐蝕性能[4]。據(jù)Bertini等[5]報(bào)道，超聲軋制可以提高材料的微動(dòng)疲勞性能，表面硬度提高約20%～25%。經(jīng)超聲噴丸處理后，Ti6Al4V表層晶粒細(xì)化為17～25 nm的納米晶層；腐蝕速率降低意味著耐蝕性提高[6]。

H13鋼淬火回火后易獲得良好的淬透性、韌性、抗熱裂能力等，因而被廣泛應(yīng)用于熱作模具和壓鑄模具等，其工況環(huán)境往往受到冷熱循環(huán)作用，表面多發(fā)于熱磨損、高溫氧化、腐蝕等缺陷，不僅造成資源的浪費(fèi)，也導(dǎo)致加工成本的上升。為提高和修復(fù)H13鋼表面性能，國內(nèi)科研人員提出了不同的熔覆方案。鄧力群等[7]采用真空電弧離子鍍工藝在H13鋼表面制備了TiAlN復(fù)合涂層，與基材相比，極大地提高了耐磨性。徐培鑫[8]選用鈷基、鎳基合金粉末，輔以WC顆粒為增強(qiáng)相，得到了具有較高耐磨性和高抗氧化性的復(fù)合熔覆層。姚爽等[9]使用Cr3C2和Ti粉制備了在高溫下反應(yīng)生成TiC顆粒作為增強(qiáng)相的復(fù)合熔覆層，使得熔覆層硬度提高至H13基板的2.21倍。錢星月等[10]在H13模具鋼受損部位激光熔覆了鈷基合金高性能涂層，使得H13基板顯微硬度和耐磨性得到顯著改善。員霄等[11]在H13鋼表面分別制備了鐵基和鈷基的熔覆層，對比分析后得出，鈷基熔覆層對基材耐磨性的提升效果大于鐵基熔覆層。

超聲滾壓技術(shù)是基于嚴(yán)重塑性變形的表面改性技術(shù)，結(jié)合了靜態(tài)擠壓和動(dòng)態(tài)沖擊作為軋制力[12]。超硬材料的加工頭可以在靜力擠壓下滾壓金屬表面，超聲能場通過超聲激振器作用于加工頭，進(jìn)而作用于金屬表面，使得工件表面發(fā)生嚴(yán)重塑性變形。與傳統(tǒng)的冷軋制相比，超聲滾壓在低靜壓條件下產(chǎn)生了更深的表面殘余壓應(yīng)力層[13]。Amanov等[14]通過超聲滾壓技術(shù)處理鈦合金Ti6Al4Fe之后，使其晶粒尺寸由35.5 μm細(xì)化至200 nm，表面硬度提高約1.4倍。Tan等[15]通過超聲滾壓處理了TC17合金，表面粗糙度由0.5～1.07 μm降低為0.04～0.12 μm，粗糙度的降低使得摩擦因數(shù)減小，同時(shí)獲得了致密的加工硬化層。Zhao等[6]在鈦合金Ti5Al4Mo6V2Nb1Fe上試驗(yàn)了不同工藝參數(shù)下的超聲滾壓后，得出超聲滾壓后的摩擦因數(shù)降至未處理試樣的30%。Ye等[16]采用硬態(tài)車削和超聲滾壓分別處理試樣，超聲滾壓后試樣表面粗糙度降低了88.5%，殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為殘余壓應(yīng)力，涂層頂部的晶粒尺寸得到細(xì)化，試樣性能得到明顯改善。Hao等[17]在H13模具鋼上制備了Inconel 625多層熔覆層，通過超聲滾壓，其表面粗糙度下降了66%，硬度提高了2.2倍，高溫耐磨性得到顯著提升。

目前，超聲滾壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用于堆焊、鑄焊、銑削后的表面處理，但對于高速激光熔覆高溫合金涂層性能調(diào)控方面的應(yīng)用研究報(bào)道較少。文中采用超聲滾壓技術(shù)對高速激光熔覆GH5188高溫合金涂層進(jìn)行表面強(qiáng)韌化處理，研究超聲滾壓對激光熔覆鈷基高溫合金涂層微觀組織和力學(xué)性能的影響，為H13熱作模具損傷修復(fù)和表面強(qiáng)化提供更為有效的工藝方案。

1 試驗(yàn)

1.1 涂層制備

首先，使用中科中美ZKZM?6000高速激光熔覆設(shè)備來制備GH5188涂層，性能參數(shù)如表1所示。該系統(tǒng)主要由半導(dǎo)體激光器作為光纖耦合連續(xù)輸出激光器和同軸中心送粉裝置組成，送粉器型號為ZKZM?DF。選用尺寸為100 mm×80 mm×25 mm的H13鋼作為基體。涂層材料采用GH5188鈷基合金粉末，粒度為45～105 μm，化學(xué)成分如表2所示。以Ar氣為保護(hù)氣體，采用同軸中心送粉在H13基體表面制備多道單層涂層。

表1 ZKZM-6000加工中心參數(shù)

Tab.1 Parameters of machining center in ZKZM-6000

表2 GH5188高溫合金的化學(xué)成分

Tab.2 Chemical composition of GH5188 high-temperature alloy wt.%

熔覆后對涂層表面進(jìn)行精銑，以去除涂層表面的雜質(zhì)和氧化層。然后在室溫下進(jìn)行超聲滾壓處理，重復(fù)3次。超聲滾壓工藝參數(shù)：滾球直徑為14 mm，超聲波振動(dòng)頻率為28 kHz，振幅為10 μm，施加靜力為400 N。超聲滾壓的過程如圖1所示，加工試樣如圖2所示。

圖1 超聲滾壓工藝示意圖

1.2 組織性能測試

通過HT?1000型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行對比試驗(yàn)。試驗(yàn)前，用砂紙去除磨損樣品的表面缺陷，然后用乙醇（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%）清洗。試驗(yàn)參數(shù)為：加熱至600 ℃后保持40 min、磨球旋轉(zhuǎn)半徑2.5 mm、載荷7 N、磨損時(shí)間20 min、磨球直徑5 mm、摩擦球選擇Si3N4材料。使用DSX1000數(shù)字顯微鏡對摩擦磨損試樣掃描建模，通過景深攝像機(jī)掃描試樣對滾壓前后磨損截面進(jìn)行計(jì)算分析。

用MTP?200型金相拋光機(jī)將試樣的橫截面研磨至1 500粒度，然后用SiO2研磨膏拋光，并用王水蝕刻，通過X射線衍射儀（XRD, Bruker, D8?Advanced）進(jìn)行物相分析，XRD測試所用的靶材為銅靶，電壓40 kV，電流30 mA，衍射角度為20°～100°。觀察微觀組織前，首先通過超聲波清洗機(jī)用乙醇（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%）清洗每個(gè)樣品表面5 min，然后用王水溶液（HCl∶HNO3=3∶1）腐蝕60 s，腐蝕后的試樣用乙醇（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%）清洗以去除殘余溶液和雜質(zhì)。樣品的微觀組織和化學(xué)分析通過掃描電子顯微鏡（SEM，Quanta 250）、能量色散光譜（EDS）檢測器來進(jìn)行測試分析。

圖2 加工試樣

沿涂層橫截面深度的顯微硬度由維氏顯微硬度計(jì)（HVS?1000）測量，載荷為3 N，保持載荷時(shí)間15 s。沿垂直涂層方向的顯微硬度分布由一組測試值獲得。相鄰測試點(diǎn)的垂直間隔保持在50 μm。每個(gè)測試在同一水平線重復(fù)3次，取平均值。顯微硬度的可能誤差主要來自載荷的誤差、持續(xù)時(shí)間的控制誤差、試樣表面的平整度誤差和壓痕面積的計(jì)算誤差。

通過CHI660D電化學(xué)工作站分析涂層在NaCl溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%）中的電化學(xué)腐蝕性能。選擇212型飽和甘汞電極、290型鉑電極和熔覆試樣分別作為參比電極、輔助電極和工作電極。在動(dòng)電位極化測量之前，記錄開路電位（OCP）1 h，以確保穩(wěn)定電位，測試時(shí)間為300 s。

2 結(jié)果和分析

2.1 微觀組織分析

圖3顯示，靠近基體的結(jié)合處存在明顯白亮區(qū)域，反映出涂層熔覆過程與基體之間的冶金結(jié)合狀態(tài)良好。底部以柱狀晶為主，中部和頂部以柱狀等軸晶和胞狀等軸晶的共晶組織形態(tài)存在。與銑削試樣相比可以看到，在超聲滾壓的作用下，生長方向朝向加工方向，最終平行于加工方向，滾壓后的涂層頂部的晶粒組織尺寸發(fā)生明顯細(xì)化，原本生長方向雜亂無序的胞狀晶、柱狀晶被擠壓、拉長，并且生長方向平行于加工表面。在超聲滾壓產(chǎn)生的塑性變形區(qū)域內(nèi)，晶粒尺寸保持在100～ 500 nm范圍內(nèi)，隨著深度的增加，超聲滾壓產(chǎn)生的塑性形變影響降低；在非塑性變形區(qū)域內(nèi)，晶粒尺寸范圍在15～20 μm，最大值達(dá)到30.1 μm，涂層表層的晶粒尺寸分布如圖4所示。經(jīng)計(jì)算，在表面平行于加工方向形成的納米級晶層最大深度約為18 μm。在超聲滾壓過程中，高頻循環(huán)擠壓和滾動(dòng)產(chǎn)生的嚴(yán)重塑性變形使粗大晶體破碎為更小的晶粒，而隨著深度增加，塑性應(yīng)變降低，變形程度從表面逐漸減小，在微觀結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)為梯度變形組織結(jié)構(gòu)。另外可以看出，GH5188涂層靠近表面的微觀組織呈細(xì)板條狀，這是由于GH5188高溫合金為單一的FCC相結(jié)構(gòu)，加工硬化過程中容易產(chǎn)生滑移，產(chǎn)生更大的塑性變形效果[18]。

圖3 涂層超聲滾壓處理前后的FSEM圖像

圖4 晶粒尺寸沿深度的分布度

2.2 相組成

由XRD衍射圖（圖5）分析可知，GH5188涂層主要由面心立方結(jié)構(gòu)的γ?Co固溶體、Cr3C2和Cr7C3組成。由于激光熔覆的梯度融凝和Ni、W等元素的高溫耐受性強(qiáng)，使γ?Co固溶體相在熔池凝固過程中發(fā)生轉(zhuǎn)變的比例降低，形成富含Cr、Ni、W等多種合金元素的過飽和固溶體[19]。XRD分析組織中存在較多的Cr3C2與Cr7C3碳化物，空間結(jié)構(gòu)為六方體。含Cr碳化物具有硬度高、高溫耐受力強(qiáng)的特點(diǎn)，加上W、Cr、Mn、Fe等元素有限固溶于其中，形成的合金滲碳體化合價(jià)高，共價(jià)鍵更牢固，滲碳體也更穩(wěn)定，這些碳化物以顆粒狀彌散分布于晶體和晶間[20]，達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化作用，顯著提高了硬度與耐磨性。

圖5 GH5188高溫合金涂層的XRD衍射圖譜

由圖5可以看出，XRD中衍射峰發(fā)生了明顯的寬化，根據(jù)文獻(xiàn)[21]可知，滾壓處理會(huì)導(dǎo)致衍射峰半高寬變化，考慮到晶粒尺寸與衍射峰半高寬的關(guān)系，可以通過謝樂公式計(jì)算納米晶粒大小，見式（1）。

式中：為晶粒尺寸，nm；為Scherrer常數(shù)，取0.89；為波長，nm；為衍射峰的半高寬，rad；為半衍射角，rad。

表3為通過JADE獲得的樣品晶面半高寬和晶粒尺寸，與未施加超聲滾壓的試樣相比，超聲滾壓后試樣衍射峰半高寬變寬，衍射強(qiáng)度峰降低，表明涂層表層組織的晶粒尺寸減小，組織中晶粒得到細(xì)化[22]。圖6為GH5188鈷基高溫合金涂層的元素分布圖，可以看到，超聲滾壓工藝前后涂層元素基本一致。根據(jù)文獻(xiàn)[23]可知，金屬材料相結(jié)構(gòu)的改變歸因于材料組成成分和金屬凝固過程冷卻條件兩方面的影響。在試驗(yàn)過程中僅對涂層進(jìn)行了物理處理，并沒有引入其他元素，故施加超聲滾壓工藝對涂層物相組成沒有影響。

表3 通過JADE獲得的晶粒參數(shù)

Tab.3 Grain parameters obtained by JADE

3 涂層性能分析

3.1 顯微硬度

圖7所示為H13基體、GH5188涂層和超聲滾壓后涂層的顯微硬度值。GH5188涂層精銑后的平均硬度值為320.12HV，相比H13基體的平均硬度（264.68HV）提高了21%；超聲滾壓后的平均硬度值為449.81HV，提高了70%。硬度提高的主要原因在于：滾壓過程中因金屬材料表面產(chǎn)生塑性流動(dòng)而發(fā)生加工硬化。通過工具頭在一定靜載荷下對涂層表面進(jìn)行高頻振動(dòng)，導(dǎo)致涂層表層形成塑性變形層，表層結(jié)構(gòu)密度得到強(qiáng)化。另一方面，在納米晶層形成過程中，層內(nèi)晶粒被擠壓、拉伸，從而得到細(xì)化，抗應(yīng)變能力得到增強(qiáng)。

硬度可以理解為材料抵抗塑性變形的能力，材料組織中的晶粒越小，晶界越多，能夠承受塑性變形的能力越顯著[24]?；贖all-Petch的細(xì)晶強(qiáng)化理論[13]，硬度的提高是由于加工硬化效應(yīng)和細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)的綜合強(qiáng)化效果，強(qiáng)化效果由式（2）給出[25]。

式中：s為材料的屈服強(qiáng)度；0為移動(dòng)單個(gè)位錯(cuò)所需克服的摩擦力；為晶粒尺寸，nm；為常數(shù)。由式（2）可知，s與成反比。GH5188涂層頂部組織以柱狀等軸晶或胞狀等軸晶為主，生長方向垂直于塑性流動(dòng)發(fā)生的方向，在受到高頻沖擊振動(dòng)后更易破碎，原始試樣中GH5188晶粒尺寸與滾壓后試樣尺寸變化顯著（如表3所示）。在晶體位錯(cuò)移動(dòng)中，尺寸變小的晶粒意味著其數(shù)量更多，位錯(cuò)壁增多，所需克服形變運(yùn)動(dòng)的摩擦力更大，屈服強(qiáng)度得到提高，因而硬度增加。

3.2 高溫摩擦磨損行為分析

圖8a為超聲滾壓前試樣的FSEM圖像，可見GH5188涂層的磨痕上附著物較少，沿滑動(dòng)方向的劃痕呈犁溝狀形貌，表明表面發(fā)生磨粒磨損。隨著磨損時(shí)間增加，試樣表面溫度升高，產(chǎn)生氧化現(xiàn)象。涂層表面在高溫條件下形成致密的氧化膜，能有效降低涂層與摩擦球之間的摩擦因數(shù)，從而改善涂層表面磨損情況。與超聲滾壓后的樣品（圖8b）相比，未滾壓試樣的氧化物剝落面積和深度顯著增加；磨粒磨損導(dǎo)致更多的凹槽，并且寬度和深度比超聲滾壓試樣更顯著。未滾壓樣品上的凹槽始終與剝離區(qū)域相連，而超聲滾壓樣品上的凹槽細(xì)長且相互獨(dú)立。與連續(xù)大面積剝離不同，超聲滾壓樣品的剝落區(qū)域更加分散，這是因?yàn)闈L壓試樣的顯微硬度比未滾壓試樣更高且更均勻，導(dǎo)致接觸區(qū)域難以產(chǎn)生塑性變形，從而有效地保護(hù)了基體，提高了涂層的耐磨性。

使用DSX1000數(shù)字顯微鏡對摩擦磨損試樣進(jìn)行三維輪廓掃描，對超聲滾壓前后的磨損體積進(jìn)行定量分析，三維輪廓掃描結(jié)果如圖9所示。截取等距的5個(gè)截面算得GH5188滾壓前截面積為4 909.31 μm2，滾壓后截面積為3 024.06 μm2，由體積公式=×可計(jì)算得到=25 133 μm（其中摩擦半徑為4 mm）。磨損體積如圖10所示，與H13基體相比，未滾壓涂層耐磨性提高69%，超聲滾壓工藝使得涂層磨損量降低了34%，滾壓后的涂層耐磨性比基體提高81%。

圖6 GH5188合金涂層的元素分布

圖11所示為超聲滾壓前后的表面粗糙度。超聲滾壓后，GH5188表面粗糙度降低了58%，這是因?yàn)樵诠ぞ哳^的高頻振動(dòng)下，金屬材料表面發(fā)生塑性流動(dòng)，使凹凸不平的表面達(dá)到“削峰填谷”的作用，從而減小了涂層表面的粗糙度值。而金屬材料的塑性流動(dòng)有利于獲得超細(xì)晶粒，增加位錯(cuò)密度。位錯(cuò)滑移、積聚和重排可導(dǎo)致小角度晶界的增加，從而改善材料表面的顯微硬度、耐磨性等力學(xué)性能。

圖7 GH5188高溫合金涂層的顯微硬度

如圖12所示，GH5188滾壓前平均摩擦因數(shù)為0.39，超聲滾壓后平均摩擦因數(shù)為0.35，與H13基體的摩擦因數(shù)（0.48）相比，分別減少了19%、27%，超聲滾壓后GH5188涂層表現(xiàn)出更優(yōu)異的摩擦磨損性能。

超聲滾壓工藝能提高涂層耐磨性的原因在于：超聲滾壓過程中超聲振動(dòng)帶動(dòng)硬質(zhì)合金壓頭在試樣表面進(jìn)行高頻振動(dòng)，表層及亞表層受高頻振動(dòng)擠壓后晶粒發(fā)生變形且細(xì)化，造成表層的組織形貌和微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變；在細(xì)晶強(qiáng)化和加工硬化的綜合作用下，涂層表面硬度提高，摩擦系數(shù)降低。由XRD和SEM分析發(fā)現(xiàn)，GH5188涂層耐高溫摩擦性的提高以固溶強(qiáng)化為主，碳化物彌散強(qiáng)化為輔；合金中Mn、W等元素固溶于胞狀等軸晶及共晶組織之間，達(dá)到固溶體增強(qiáng)作用；此外，含Cr碳化物硬度高、高溫耐受性好，彌散分布于晶間，提高了GH5188合金涂層的高溫耐磨性。

圖8 高溫摩擦磨損試樣的FSEM圖像

圖9 高溫磨損試樣三維輪廓圖像

圖10 磨損體積

圖11 滾壓前后的粗糙度

圖12 GH5188高溫合金涂層的摩擦因數(shù)

3.3 腐蝕行為

圖13為試樣的動(dòng)電位極化曲線，表4列出了從Tafel區(qū)域測得的自腐蝕電位corr和自腐蝕電流密度corr的值。較小的corr和相對較正的corr反應(yīng)具有較強(qiáng)的耐腐蝕性能。其中，corr是通過推導(dǎo)Tafel外推極化曲線的線性部分確定的。因此，corr是評價(jià)試樣耐蝕性最準(zhǔn)確的指標(biāo)。較小的corr意味著較強(qiáng)的耐腐蝕性。當(dāng)極化電位超過+0.3 V時(shí)，腐蝕電流密度波動(dòng)明顯并迅速增大，主要原因是涂層上的鈍化膜開始破裂。GH5188鈷基涂層具有相對較小的自腐蝕電流密度（6.49×10?6A/cm2）和相對較正的自腐蝕電位（?0.374 V），表明GH5188涂層在活性溶解階段的材料溶解速率較小，具有較為優(yōu)異的耐蝕性。

圖13 GH5188高溫合金涂層的動(dòng)電位極化曲線

表4數(shù)據(jù)顯示，與H13基體相比，未滾壓涂層的腐蝕速率降低了12%，超聲滾壓后涂層的腐蝕速率降低了17%，說明超聲滾壓工藝能夠提高涂層的電化學(xué)耐腐蝕性能。超聲滾壓過程中工作頭產(chǎn)生的沖擊和擠壓使涂層表面產(chǎn)生塑性變形，獲得了梯度納米晶層，降低了表面粗糙度，根據(jù)菲克第一定律，見式（3）。

表4 電化學(xué)參數(shù)

Tab.4 Electrochemical parameters

4 結(jié)論

1）超聲滾壓使頂部原本雜亂的晶粒生長方向趨向涂層表面發(fā)生塑性流動(dòng)的方向，表層及亞表層的晶粒生長方向平行于滾壓方向，晶粒尺寸得到細(xì)化。GH5188中粗大的柱狀晶和胞狀等軸晶被擠壓后破碎成為細(xì)小的等軸晶，呈現(xiàn)細(xì)板條狀。

2）與H13基體相比，未滾壓的涂層表面顯微硬度提高了2%，超聲滾壓后的涂層表面顯微硬度提高了70%。硬度的提高歸因于細(xì)晶強(qiáng)化帶來更大的屈服強(qiáng)度和承受更多的位錯(cuò)應(yīng)變，這對提高其抗疲勞性和耐磨性起著重要作用。

3）固溶強(qiáng)化和碳化物強(qiáng)化共同作用的物相強(qiáng)化機(jī)制使得GH5188涂層具有優(yōu)異的耐高溫摩擦磨損性能。與H13基體相比，滾壓前后GH5188涂層耐磨性分別提高了69%、81%。超聲滾壓后GH5188涂層表面粗糙度降低了58%，熔覆層表層獲得了厚度為18 μm的納米晶層。

4）經(jīng)超聲滾壓處理后，GH5188高溫合金涂層在3.5% NaCl溶液中的耐腐蝕性能提高了12%，與H13基體相比提高了17%。超聲滾壓形成的納米晶表面擁有更厚的鈍化膜和較低的粗糙度，提高了涂層的電化學(xué)耐腐蝕性能。

[1] LU Hai-fei, CAI Jie, LUO Kai-yu, et al. Thermal Fatigue Life and Improvement Mechanism of Fe-Based Coatings on H13 Extrusion Die by Laser Additive Remanufacturing[J]. Surface and Coatings Technology, 2021, 408: 126808.

[2] ZHANG Hui, PAN Ye, HE Yi-zhu, et al. Application Prospects and Microstructural Features in Laser-Induced Rapidly Solidified High-Entropy Alloys[J]. JOM, 2014, 66(10): 2057-2066.

[3] LI Liang, KIM M, LEE S, et al. Study on Surface Modification of Aluminum 6061 by Multiple Ultrasonic Impact Treatments[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2018, 96(1): 1255-1264.

[4] YU J H, LEE K Y, SHIM D S, et al. Metal Embedding and Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification Technology for Super Wear-Resistant Mechanical Parts[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019, 101(1): 951-962.

[5] BERTINI L, SANTUS C. Fretting Fatigue Tests on Shrink-Fit Specimens and Investigations into the Strength Enhancement Induced by Deep Rolling[J]. International Journal of Fatigue, 2015, 81: 179-190.

[6] REN Zhao-jun, LAI Fu-qiang, QU Sheng-guan, et al. Effect of Ultrasonic Surface Rolling on Surface Layer Properties and Fretting Wear Properties of Titanium Alloy Ti5Al4Mo6V2Nb1Fe[J]. Surface and Coatings Technology, 2020, 389: 125612.

[7] 鄧力群, 鄒樹梁, 唐德文. H13表面TiAlN/CrAlN復(fù)合涂層的摩擦磨損性能研究[J]. 鑄造技術(shù), 2016, 37(5): 918-921.

DENG Li-qun, ZOU Shu-liang, TANG De-wen. Friction and Wear Properties of TiAlN/CrAN Composite Coating on H13 Surface[J]. Foundry Technology, 2016, 37(5): 918-921

[8] 許培鑫. H13鋼表面激光熔覆WC增強(qiáng)Ni、Co基復(fù)合熔覆層的試驗(yàn)研究[D]. 鄭州: 鄭州大學(xué), 2020: 55-59.

XU Pei-xin. Experimental Study on Laser Cladding of WC Reinforced Ni/Co Composite Cladding on the Surface of H13 Steel[D]. Zhengzhou: Zhengzhou University, 2020: 55-59.

[9] 姚爽, 劉洪喜, 張曉偉, 等. H13鋼表面激光原位自生TiC顆粒增強(qiáng)復(fù)合涂層的微觀結(jié)構(gòu)和摩擦磨損性能[J]. 中國激光, 2014, 41(10): 67-73.

YAO Shuang, LIU Hong-xi, ZHANG Xiao-wei, et al. Microstructure and Wear Property of TiC Particle Reinforced Composite Coatings on H13 Steel Surface by Laser In-Situ Synthesis[J]. Chinese Journal of Lasers, 2014, 41(10): 67-73.

[10] 錢星月, 童和強(qiáng), 張丹莉, 等. H13模具鋼表面激光熔覆Co基合金涂層的組織和性能[J]. 冶金叢刊, 2011(5): 1-3.

QIAN Xing-yue, TONG He-qiang, ZHANG Dan-li, et al. Microstructure and Performance of Laser-Cladding Co-Based Alloy Coating on the Surface of H13 Mold Steel[J]. Metallurgical Collections, 2011(5): 1-3.

[11] 員霄, 王井, 朱青海, 等. H13鋼的鐵基和鈷基熔覆層組織與耐磨性[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2018, 39(12): 105-109, 133.

YUAN Xiao, WANG Jing, ZHU Qing-hai, et al. Microstructure and Abrasion Resistance of Fe-Based and Co-Based Coatings of AISI H13[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2018, 39(12): 105-109, 133.

[12] WANG Hai-bo, SONG Guo-lin, TANG Guo-yi. Evolution of Surface Mechanical Properties and Microstructure of Ti6Al4V Alloy Induced by Electropulsing-As-sis-ted Ultrasonic Surface Rolling Process[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2016, 681: 146-156.

[13] BOZDANA A T, GINDY N N Z. Comparative Experi-me-ntal Study on Effects of Conventional and Ultrasonic Deep Cold Rolling Processes on Ti-6Al-4V[J]. Materials Science and Technology, 2008, 24(11): 1378-1384.

[14] AMANOV A, CHO I S, KIM D E, et al. Fretting Wear and Friction Reduction of CP Titanium and Ti-6Al-4V Alloy by Ultrasonic Nanocrystalline Surface Modifi-c-ation[J]. Surface and Coatings Technology, 2012, 207: 135-142.

[15] TAN Liang, YAO Chang-feng, ZHANG Ding-hua, et al. Effects of Different Mechanical Surface Treatments on Surface Integrity of TC17 Alloys[J]. Surface and Coatings Technology, 2020, 398: 126073.

[16] YE Han, ZHU Jin-shu, LIU Yong, et al. Microstructure and Mechanical Properties of Laser Cladded CrNi Alloy by Hard Turning (HT) and Ultrasonic Surface Rolling (USR)[J]. Surface and Coatings Technology, 2020, 393: 125806.

[17] HAO Jing-bin, HU Fang-tao, LE Xia-wei, et al. Microstructure and High-Temperature Wear Behaviour of Inconel 625 Multi-Layer Cladding Prepared on H13 Mould Steel by a Hybrid Additive Manufacturing Method[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2021, 291: 117036.

[18] WANG Ting, WANG Dong-po, LIU Gang, et al. Investigations on the Nanocrystallization of 40Cr Using Ultrasonic Surface Rolling Processing[J]. Applied Surface Science, 2008, 255(5): 1824-1829.

[19] 范氏紅娥, 張曉偉, 王傳琦, 等. H13鋼表面TiC/Co基激光修復(fù)層的顯微組織與力學(xué)性能[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2013, 34(11): 27-31.

FAN Shi-hong-e, ZHANG Xiao-wei, WANG Chuan-qi, et al. Microstructure and Mechanical Properties of TiC/Co Composite Coating by Laser Cladding on H13 Steel Surface[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2013, 34(11): 27-31.

[20] 斯松華, 徐錕, 劉月龍, 等. 激光熔覆Co+Cr3C2復(fù)合涂層的組織與性能[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2006, 27(4): 45-48.

SI Song-hua, XU Kun, LIU Yue-long, et al. Microstructure and Performance of Laser Cladding Co+Cr3C2Composite Coating[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2006, 27(4): 45-48.

[21] 劉江. 表面納米化對鎳基690合金抗腐蝕性能的影響[D]. 贛州: 江西理工大學(xué), 2020: 30-47.

LIU Jiang. Effect of Surface Nanocrystallization on Corrosion Resistance of Nickel-Based Alloy 690[D]. Ganzhou: Jiangxi University of Science and Technology, 2020: 30-47.

[22] AMANOV A, UMAROV R. The Effects of Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification Temperature on the Mechanical Properties and Fretting Wear Resistance of Inconel 690 Alloy[J]. Applied Surface Science, 2018, 441: 515-529.

[23] 華一新. 冶金過程動(dòng)力學(xué)導(dǎo)論[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2004: 31-65.

HUA Yi-xin. Introduction to Metallurgical Process Dyna-mics[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2004: 31-65.

[24] 周鑫. 塑性變形制備納米金屬材料的穩(wěn)定性研究[D]. 肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2019: 25-40.

ZHOU Xin. Stability of Nanograined Metals Prepared by Using Plastic Deformation[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2019: 25-40.

[25] BAHL S, SUWAS S, UNGàR T et al. Elucidating Micr-ostructural Evolution and Strengthening Mechanisms in Nanocrystalline Surface Induced by Surface Mechanical Attrition Treatment of Stainless Steel[J]. Acta Materialia, 2017, 122: 138-151.

Effect of Ultrasonic Rolling on Microstructure and Mechanical Properties of GH5188 High-temperature Alloy Coating by High-speed Laser Cladding

JI Hao-wena, HAO Jing-bina,b, NIU Qing-weia, LIU Haoa, YANG Hai-fenga, LIU Xin-huaa

(a. School of Mechanical and Electrical Engineering, b. Jiangsu Province and Education Ministry Co-sponsored Collaborative Innovation Center of Intelligent Mining Equipment, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116, China)

The work aims to prepare nanocrystalline layer on the surface of GH5188 coating by ultrasonic rolling (UR) technique, so as to improve the friction and wear properties and corrosion resistance of GH5188 high-speed laser cladding coating. The microstructure, phase composition, microhardness, high-temperature friction and wear properties, and corrosion resistance of GH5188 coating under UR were investigated by scanning electron microscope (SEM), X-ray diffractometer (XRD), energy spectrum analyzer (EDS), Vickers hardness tester, high-temperature friction and wear tester and electrochemical workstation. After UR, the GH5188 coating surface achieved a mirror-like effect, with roughness decreasing by 58% compared with the coating not rolled. Nanocrystalline layer with a thickness of 18 μm was prepared. Compared with the H13 substrate, the microhardness of the coating surface not rolled increased by 21% and the microhardness of the coating surface after UR increased by 70%. Compared with the H13 substrate, the wear resistance of the coating not rolled increased by 69% and the wear resistance of the coating after UR increased by 81%. From the electrochemical test results, compared with the H13 substrate, the corrosion resistance of the coating not rolled increased by 12% and the corrosion resistance of the coating after UR increased by 17%. Therefore, the microstructure dislocation density and grain boundary of the coating surface after UR increase and the nanocrystalline layer is obtained, which effectively improves the mechanical properties of GH5188 coating such as microhardness, wear resistance and corrosion resistance.

high-speed laser cladding; ultrasonic rolling; high-temperature alloy coating; surface strengthening and toughening; nanocrystalline layer

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.01.019

TG174.4；TB559

A

1674-6457(2023)01-0146-10

2022?04?03

2022-04-03

國家自然科學(xué)基金（51905534）；中國礦業(yè)大學(xué)重大項(xiàng)目培育專項(xiàng)（2020ZDPYMS22）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目（PAPD）

National Natural Science Foundation of China (51905534); Fundamental Research Funds for the Central Universities (2020ZDPYMS22); Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions (PAPD)

紀(jì)皓文（1996—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)榧す庠霾闹圃臁?/p>

JI Hao-wen (1996-), Male, Postgraduate, Research focus: laser additive manufacturing.

郝敬賓（1982—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榧す庠霾闹圃炫c再制造技術(shù)。

HAO Jing-bin (1982-), Male, Doctor, Research focus: laser additive manufacturing and remanufacturing technology.

紀(jì)皓文, 郝敬賓, 牛慶偉, 等. 超聲滾壓對高速激光熔覆GH5188高溫合金涂層組織和力學(xué)性能的影響[J]. 精密成形工程, 2023, 15(1): 146-155.

JI Hao-wen, HAO Jing-bin, NIU Qing-wei, et al. Effect of Ultrasonic Rolling on Microstructure and Mechanical Properties of GH5188 High-temperature Alloy Coating by High-speed Laser Cladding[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(1): 146-155.