Fe基非晶-納米晶激光熔覆涂層研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對機械產品零件的表面性能要求越來越高，不少工件要求在高速、高壓、重載及腐蝕介質工況下可靠持續(xù)的工作。在普通金屬材料表面制備復合材料涂層，可以改善材料的表面性能，延長機電產品的使用壽命、減少環(huán)境污染。非晶-納米晶復合材料由于具有較高的硬度、強度及良好的耐腐蝕性，在材料表面改性領域具有潛在的應用價值。本文用激光作為熱源，熔覆預涂覆在45鋼表面的合金粉末，利用激光快速加熱及冷卻的特性，制備出Fe-Ni-Si-B-V系列非晶

2、-納米晶復合涂層。并對熔覆層的微觀組織、非晶相、納米晶相的形成機制、微合金化對合金系的影響及熔覆層的磨損性能等進行了系統(tǒng)分析，研究了影響熔覆層組織及其性能的因素及規(guī)律。 預涂覆合金粉末的組分及合金中的元素存在狀態(tài)是影響激光熔覆制備Fe基非晶－納米晶復合涂層中非晶相與晶化相形成的重要因素。在Fe-Ni-Si－B－V合金系中，B以硼鐵的狀態(tài)加入合金系比以B粉狀態(tài)加入更有利于抑制熔覆層中晶化相的產生、降低熔池的液態(tài)溫度，而且工藝性好、

3、價格低廉，能夠與母材獲得結合良好的熔覆層，這歸咎于硼鐵的低共晶熔點以及硼鐵中的硼相對單質硼更穩(wěn)定的特性。Si作為合金系的組元之一，適量增加Si的含量，可增加熔覆層中非晶的形成傾向，同時還能防止合金系中其他組成元素氧化燒損，因此有利于提高熔覆層中非晶相、納米晶相的含量；但過量的加入容易使合金系偏離其深共晶成分，不利于熔覆層中非晶相、納米晶相的形成。在本試驗條件下，根據各種加入元素量的比較結果，其中Fe-Ni－Si－B－V合金有利于非晶相、

4、納米晶相形成的最佳成分為Fe36Ni32Si16B14V2。 利用激光熔覆制備的Fe36Ni32Si16B14V2非晶－納米晶復合涂層沒有裂紋、孔洞等宏觀缺陷。利用X射線衍射、掃描電鏡、透射電鏡等分析結果表明，由于微區(qū)成分和冷卻條件的差異，熔覆層的構成由表及里依次為細小的樹枝晶區(qū)、粒狀晶及非晶－納米晶區(qū)和外延生長的樹枝晶區(qū)。其中晶化相主要為Fe2B和γ－Fe，Ni。熔覆層物相組成呈現(xiàn)明顯的分層結構，而且熔覆層中的非晶-納米晶相含

5、量沿熔覆層的厚度方向變化。熔覆層的微觀結構呈現(xiàn)為高度彌散的細小晶化相、納米晶相、非晶相等復合組織，非晶相-納米晶相主要存在于距熔覆層表面0.4～0.5mm區(qū)域。熔覆層中非晶相與晶化相相間分布，局部呈現(xiàn)納米晶相鑲嵌于非晶態(tài)基體上或存在于晶化相內部。熔合區(qū)晶粒以外延生長方式向熔覆層內部生長，基體與熔覆層呈現(xiàn)良好的冶金結合。Fe36Ni32Si16B14V2非晶-納米晶復合涂層的顯微硬度從熔覆層表層至熔覆層中部存在著一個顯微硬度緩慢上升的區(qū)域

6、，熔覆層中部的顯微硬度最高，從熔覆層中部至母材間顯微硬度持續(xù)下降，呈現(xiàn)梯度分布。在同樣載荷、同樣磨損時間的情況下，F(xiàn)e36Ni32Si16B14V2非晶-納米晶復合涂層的磨損體積只有母材磨損體積的1/6～1/10。熔覆層的摩擦系數與母材相比平均低0.1～0.2，摩擦過程也變得比較平緩。在激光熔覆的條件下，C、Nb、Ce等不同合金元素對Fe-Ni-Si-B-V合金微合金化作用不同，對晶化相、非晶-納米晶相形成條件影響不同；其相對含量不同，

7、對熔覆層的性能也有不同的影響。 研究表明，C的加入有利于抑制熔覆層中晶化相的生長，促進非晶-納米晶相的生成。與Fe36Ni32Si16B14V2熔覆層相比，F(xiàn)e36Ni31Si16B14V2C1熔覆層中部由復雜的納米晶、非晶組成，其中納米晶相為組成的主體，非晶相分布于納米晶相之間，非晶相構成非常復雜，微觀成分不均勻。Fe2B等晶粒也變得細小、分布更加均勻。這是由于C的加入改變了液態(tài)熔池的Fe-C短程有序團簇的數量與分布，進而影響

8、到其他元素與Fe的結合能力。磨損試驗研究指出非晶-納米晶含量的增加可有效提高材料的耐磨性，其機理為改變了磨損機制，在相同條件下Fe36Ni31Si16B14V2C1熔覆層的磨損體積僅有母材的1/15～1/22，主要磨損機制為磨粒磨損和粘著磨損。 強碳化物元素Nb不利于Fe-Ni-Si-B-V合金中非晶相的形成，Nb的加入促進了NbC及(Nb,V)C形成的傾向，易于生成NbC-VC復合晶粒，為高溫熔體提供了異質形核核心，因而降低了

9、Fe36Ni32Si16B14V2合金的玻璃形成能力，使得熔覆層中的非晶-納米晶相含量下降。熔覆層的顯微硬度下降，同時由于硬質點碳化物的增加，熔覆層整體顯微硬度變化幅度加大。 Ce作為微合金化元素，可以改變Fe-Ni-Si-B-V合金熔體的結晶體系，Ce的加入量小于1.0at.％時，抑制Fe2B的結晶、促進γ－Fe，Ni相的產生；Ce含量為2.0at.％時，兩種晶化相的結晶均受到抑制。Ce的添加形成了更多的非晶相，降低了起到強化

10、作用的納米晶相、Fe2B等硬質相的含量，與Fe36Ni31Si16B14V2C1熔覆層相比，F(xiàn)e36Ni30Si16B14V2Ce2熔覆層組織均勻、非晶相相含量更高，熔覆層的顯微硬度下降、熔覆層變得更加均勻。由于Fe基非晶合金是高硬度、低斷裂韌度的脆性材料，使Fe36Ni30Si16B14V2Ce2熔覆層的抗磨損性能變差。其磨損機制以以剝層磨損為主，磨損面光滑。研究表明，微量元素C、Nb、Ce中，C對Fe36Ni32Si16B14V2熔