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(jī)械產(chǎn)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(zhì)工況下可靠持續(xù)的工作。在普通金屬材料表面制備復(fù)合材料涂層，可以改善材料的表面性能，延長機(jī)電產(chǎn)品的使用壽命、減少環(huán)境污染。非晶-納米晶復(fù)合材料由于具有較高的硬度、強(qiáng)度及良好的耐腐蝕性，在材料表面改性領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。本文用激光作為熱源，熔覆預(yù)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(fù)合涂層。并對熔覆層的微觀組織、非晶相、納米晶相的形成機(jī)制、微合金化對合金系的影響及熔覆層的磨損性能等進(jìn)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(yù)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(fù)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(chǎn)生、降低熔池的液態(tài)溫度，而且工藝性好、

3、價(jià)格低廉，能夠與母材獲得結(jié)合良好的熔覆層，這歸咎于硼鐵的低共晶熔點(diǎn)以及硼鐵中的硼相對單質(zhì)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(shí)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(yàn)條件下，根據(jù)各種加入元素量的比較結(jié)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(fù)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(jié)果表明，由于微區(qū)成分和冷卻條件的差異，熔覆層的構(gòu)成由表及里依次為細(xì)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為高度彌散的細(xì)小晶化相、納米晶相、非晶相等復(fù)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(nèi)部。熔合區(qū)晶粒以外延生長方式向熔覆層內(nèi)部生長，基體與熔覆層呈現(xiàn)良好的冶金結(jié)合。Fe36Ni32Si16B14V2非晶-納米晶復(fù)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(gè)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(shí)間的情況下，F(xiàn)e36Ni32Si16B14V2非晶-納米晶復(fù)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(shù)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(jìn)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(fù)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(gòu)成非常復(fù)雜，微觀成分不均勻。Fe2B等晶粒也變得細(xì)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(tuán)簇的數(shù)量與分布，進(jìn)而影響

8、到其他元素與Fe的結(jié)合能力。磨損試驗(yàn)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(jī)理為改變了磨損機(jī)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(jī)制為磨粒磨損和粘著磨損。 強(qiáng)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(jìn)了NbC及(Nb,V)C形成的傾向，易于生成NbC-VC復(fù)合晶粒，為高溫熔體提供了異質(zhì)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(shí)由于硬質(zhì)點(diǎn)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(jié)晶體系，Ce的加入量小于1.0at.％時(shí)，抑制Fe2B的結(jié)晶、促進(jìn)γ－Fe，Ni相的產(chǎn)生；Ce含量為2.0at.％時(shí)，兩種晶化相的結(jié)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(qiáng)化

10、作用的納米晶相、Fe2B等硬質(zhì)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(jī)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