Ce对送粉激光熔覆层组织和性能的影响

日期:2019-03-23 / 人气:

摘 要:研究了送粉激光熔覆添加Ce的可能性和对组织、性能的影响。结果表明,Ce可以细化组织,提高熔覆层的显微硬度和耐磨性。
关键词:稀土元素;显微组织;显微硬度;耐磨性

1 前言

激光熔覆技术作为新兴的表面技术,具有热变形小、稀释率可控、组织极细、孔隙率小、界面为冶金结合和过程易实现自动化控制等优点,近年来得到迅速的发展[1~3]。利用这一高新技术,可在低成本基材上得到优异的耐磨、耐蚀、高温以及光、电、磁等性能;也可以对零部件表面进行局部修复,具有广阔的发展前景,越来越引起人们的关注。
稀土元素在金属材料中的研究和应用已有80多年的历史。稀土在金属材料中具有净化、变质和合金化的作用,可以不同程度改善金属材料的一系列性能,如冶金、铸造、热加工性能,力学性能(韧性、低温脆性),表面性能,耐磨、耐蚀、抗氧化性能,焊接和高温性能等,被誉为“钢中的青霉素”。近20多年来,美、日、西欧等国把稀土研究开发重点转向高新技术应用的新材料。现在国际上把稀土誉为新技术革命中的战略元素,高技术的生长点,新材料的宝库[4]。稀土Ce在钢中和化学热处理、火焰喷涂、扩散热处理、电镀等领域获得了广泛的应用,但在激光表面改性技术领域应用得较少,虽有过报道[5],但都停留在激光预置熔覆法和采用柱状光源的阶段,而且稀土元素的加入方式,主要以氧化物的形式,在宽带送粉激光熔覆方面尤其稀土以单质的形式加入,还未见报道。本文研究稀土送粉激光熔覆对组织和性能的影响。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

基底材料、熔覆材料分别为球墨铸铁(QT-50)和铁基305粉(Fe5Cr4B4Si30Ni+25%WC)成分见表1。稀土Ce采用分析纯粉末,添加量8%,基体材料为铸态组织,表面经过铣床加工。

表1 基体和熔覆材料的化学成分(质量分数)w(%)
 CMnCrNiBSiPSFe305 53044 余量QT-503.60.62 2.83<0.1<0.1余量

2.2 试验方法

激光熔覆采用中科院上海激光所研制的5kW CO2激光器和JKF-6型宽带涂覆送粉器。熔覆工艺:激光实际输出功率P=3.5kW,光斑尺寸为25mm×2mm,光束相对基体的扫描速度V=1.65mm/s,送粉速率F=450mg/s,喷嘴尺寸20mm×2mm,喷嘴距离试样表面40mm,采用侧送粉的方式。

采用JXA-840型(配有OxFord ISS300能谱系统)的扫描电镜和德国MM6型金相显微镜,X射线衍射仪对熔覆层横断面的成分、组织和相结构进行分析,扫描电镜和金相试样沿熔覆层横向截取,经研磨抛光后用腐蚀液腐蚀;用LETTZ显微硬度计对熔覆层横断面进行硬度测量;磨损试验在SKODA快速磨损机上进行,载荷砝码15kg,转速675r/min,总转数3000r。

3 试验结果和分析

3.1 显微组织和相结构

图1给出两种材料的激光熔覆层沿横截面的显微组织变化结果。Fe5Cr4B4Si30Ni+25%WC的熔化区由粗大的树枝晶和分布在枝晶间的共晶体、分布于界面附近的块状WC硬质相组成(图1a),并且枝晶的方向性并不明显;而添加8%稀土Fe5Cr4B4Si30Ni+25%WC粉末的熔覆层组织得到了明显的细化(图1b),失去晶体生长的方向性,枝晶间共晶组织数量明显增多,未熔碳化物的数量减少且偏聚于界面附近。上述两种组织具有的共同特征是层状结构明显,未熔碳化物分布于界面附近,添加稀土元素的组织得到明显的细化。形成上述组织特征的原因可归纳为:①激光照射形成的熔池,在由温度梯度引起的表面张力作用下,形成强烈的对流;熔覆材料尤其未熔碳化物的冲击作用加剧了对流搅拌作用,改变了熔池的热量分布,从而改变了枝晶的生长方向沿垂直于结合界面与散热方向大致平行的相反方向生长,具有定向凝固特征的生长方式;②稀土Ce是表面活性物质,可以降低表面张力,降低临界晶核的形成功,提高了形核率,减少了二次枝晶间距;同时微量稀土元素吸附在晶核表面又阻碍晶粒长大,有效地细化激光熔覆层组织,表现出较强的细晶强化效果;另外稀土Ce与C可形成亚稳定的高熔点REC2型化合物、与Fe、Cr等元素形成高熔点的金属化合物[6],作为结晶核心,提高了形核率,细化了组织。


图1 激光熔覆层的显微组织 ×100
Fig.1 Microstructure of the cladding layers
(a)Fe5Cr4B4Si30Ni+25%WC
(b)Fe5Cr4B4Si30Ni+25%WC+8%Ce

XRD相结构测定结果表明:Fe5Cr4B4Si30Ni+25%WC+8%Ce复合合金激光熔覆层的相结构主要由γ-FeNi基固溶体和固溶大量Cr、Si的WC型碳化物组成;经EDX检测出了稀土元素Ce的存在,其平均含量为0.10%,主要存在于枝晶间偏聚处或高熔点化合物中[7];表2列出激光熔覆层横断面面扫描EDX成分检测结果。本试验中没有检测出合金元素B的存在,这可能是由于烧损的缘故和作为自熔合金形成熔渣被排除熔池。图2是面扫描的分析结果:熔覆合金层表面附近合金元素含量较高,而靠近基材的结合区附近,由于熔化基材的稀释作用使Ni、Cr和W等元素含量降低。同时,这说明:一方面,由于激光熔覆的快速加热和快速凝固,使得液相停留的时间很短,合金元素不能达到均匀扩散;另一方面,由于熔池中表面张力引起的对流不均匀搅拌作用和热量分布的不均匀性,将使合金元素产生区域偏析。


图2 激光熔覆层横断面面扫描元素分布
Fig.2 Elements distribution mapping of the laser cladding coating

表2 EDX成分测试结果(质量分数) w(%)
MaterialSi—KCr—KNi—KFe—KCe—LFe5Cr4B4Si30Ni+8%Ce2.604.0118.1047.060.10

3.2 激光熔覆层的显微硬度分布

图3示出了两种激光熔覆层的显微硬度分布,曲线中3个明显的台阶分别对应于合金熔覆层、热影响区和基体。添加稀土元素的合金熔覆层显微硬度略高于Fe5Cr4B4Si30Ni+25%WC合金层。这说明在激光的快速加热和快速凝固过程中,稀土元素起到了细化晶粒的作用,枝晶组织的细化和共晶组织数量的增多,碳化物微粒的弥散强化作用有助于显微硬度的提高。


图3 熔覆层显微硬度分布
Fig.3 Microhardness distridution of the clad coating

3.3 磨损性能

图4是不同合金熔覆层快速磨损试验结果的直方图,添加稀土元素的合金熔覆层的耐磨性明显高于未添加稀土元素,增幅大约在50%。由于稀土元素可以细化组织,组织的细化可以提高熔覆层的强度和硬度;另外,稀土元素的净化作用,可以降低熔覆层中夹杂物、微观裂纹的数量,这些都有利于降低合金熔覆层的摩擦系数,降低磨损量。


图4 激光熔覆层的磨损性能
Fig.4 Wear volume of the clad coating

4 结论

(1) 通过送粉激光熔覆,可以成功地在熔覆层中添加稀土元素,其平均含量为0.10%。
(2) 稀土元素可以细化晶粒,净化熔覆层组织,提高合金熔覆层的显微硬度和耐磨性。

基金项目:吉林省工业发展基金资助(19980101-08)
作者简介:张庆茂(1966—),男,讲师,博士研究生。
作者单位:张庆茂(中国人民解放军军需大学农副业生产系,吉林长春130062)
刘喜明(吉林工学院材料工程系,长春 130012) 
黄凤晓(吉林工学院材料工程系,长春 130012)
关振中(中科院长春光学精密机械研究所,长春 130012)

参考文献:
[1]李文,关振中.激光表面涂覆进展[J].材料导报,1997,11(5):15~18.
[2]关振中.全国激光涂层科学与技术研讨会文集[C],沈阳,1991:1.
[3]梁 勇.全国激光涂层科学与技术研讨会文集[C],沈阳,1991:80.
[4]杜 挺.稀土元素在金属材料中的一些物理化学作用[J].金属学报,1997,33(1):69~77.
[5]WANG Kun-lin,ZHANG Qing-bo,WEI Xing-guo.Rare earth La2O3 modification of laser cladding coatings[J].Journal of Materials Science,1998,33:3573~3577.
[6]ZHONG Wei-zhen,HAN Qi-yong,HUO Cheng-zheng,LIU Xiu-kun.Content and microdistribution of spheroidizer in various phase of cast iron[J].Metall.Trans,1987,18A(4):499~507.

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