激光功率对Ni基合金熔覆层的结构及性能影响

陈小明，姜志鹏，张磊，刘伟，赵坚，伏利

激光功率对Ni基合金熔覆层的结构及性能影响

陈小明1, 2, 3，姜志鹏1, 2，张磊1, 2，刘伟1, 4，赵坚1, 2，伏利2, 4

(1. 水利部产品质量标准研究所，杭州 310012；2. 浙江省水利水电装备表面工程技术研究重点实验室，杭州 310012；3. 北京科技大学，北京 100083；4. 水利机械及其再制造技术浙江省工程实验室，杭州 310012)

本文通过研究激光功率对Ni基合金熔覆层的组织结构及抗磨耐蚀性能的影响，寻求最佳的激光功率参数，以求获取冶金结合良好，耐磨及耐蚀性优异的Ni基合金涂层。研究结果表明，熔覆制备的Ni基合金涂层与基体呈现冶金结合，无明显的裂纹及孔洞，其主要成分为γ-(Ni,Fe)固溶体，并在较低的激光功率下伴随有少量的Cr3C7相出现。随激光功率增大，熔覆层中的Ni和Cr元素含量下降，Fe元素含量升高，熔覆层的厚度从545 μm增加到1 100 μm，组织明显宽化，并有从树枝晶向胞状晶转变的趋势。同时，随激光功率增大，试样的显微硬度从508 HV降低到375 HV，耐磨性能随之下降，耐蚀性反而提升，自腐蚀电流密度从4.347×10−7A/cm2降低到8.257×10−8 A/cm2。

激光功率；γ-(Ni,Fe)固溶体；显微硬度；耐磨性；耐蚀性

激光熔覆(Laser Cladding)，是在基材表面通过不同的添料方式添加熔覆材料，利用高能量密度的激光束使之与基材表面一起快速熔凝，在基材表面形成与其呈冶金结合的涂层，从而改善基材表面的耐磨、耐蚀、耐热及抗氧化等性能的一种表面改性技术[1−5]。激光熔覆具有冷速快(高达106K/s)、涂层与基体结合强度高、热影响区小、稀释率低、基材变形小、易于实现自动化、无污染等一系列优点[6−8]。Ni基自熔性合金粉末因具有很好的润湿性、耐蚀性、高温自润滑作用和适中的价格，使得激光熔覆Ni基合金涂层得到了广泛的研究与关注[9−11]。熔覆过程中的工艺参数主要包含激光功率[12−14]、扫描速度[15−18]、光斑尺寸[19]、搭接率[20]和送粉速度[21]等。其中若扫描速度过快，合金粉末未能完全熔化，就无法获得优质的熔覆效果；但若扫描速度过低，则熔池持续时间过长，合金粉末烧损严重，同时基体大量的热输入会导致基材热变形[15−16]。光斑尺寸的差异会引起熔覆层表面能量分布的变化，所制备的熔覆层组织结构和性能有较大的差别[22]。目前，激光功率对熔覆层组织的影响报道较少，功率对激光熔覆层的组织及性能的影响尚不明确，因此本研究将着力于解决激光功率对熔覆层的作用规律，并为制备高性能的Ni基合金涂层提供优化工艺。

1 实验

1.1 涂层制备

选取45#钢作为基体材料，1550-00#Ni基合金粉末作为熔覆层材料，化学成分如表1所列。用线切割机将基材切割成80 mm×40 mm×20 mm尺寸的长方体试样，将需熔覆的基材表面用砂纸打磨以去除表面的氧化层，并用无水乙醇清洗吹干后放入烘箱备用。采用德国LASERLIN公司LDF4000型光纤耦合半导体激光器进行同轴送粉和多道搭接激光熔覆，激光功率分别为1.6，2.0，2.4和2.8 kW，扫描速度为10 mm/s，搭接率为50%，送粉率为0.4 r/min，基材预热温度为100 ℃，熔覆过程中用N2作为载气和保护气体。

表1 粉末和基材成分

1.2 测试分析

将熔覆后的试样用线切割加工成10 mm×10 mm×8 mm尺寸的小样块，用美国Buehler公司生产的全自动磨抛机制取金相试样，选取王水作为浸蚀液。通过X射线衍射仪(XRD, PANalytical X’Pert Powder)对Ni基合金涂层进行物相分析；用配备牛津能谱仪(EDS)的场发射扫描电子显微镜(SEM, ZEISS SUPRA55)表征Ni基合金涂层的微观形貌和元素组成及分布。选用HVS−1000型数显显微硬度计来检测熔覆层截面沿厚度方向的显微硬度，载荷为1.96 N，加载时间10 s；采用Bruker UMT 3.0摩擦磨损试验机测试分析不同激光功率下熔覆层的耐磨性能，并计算其质量损失率。采用RST5200型电化学工作站测试分析激光功率对熔覆层耐蚀性的影响，腐蚀介质为质量分数为3.5%的NaCl溶液，扫描范围为开路电位(OCP) 以下1 V至OCP以上0.2 V，扫描速度1 mV/s。采用Tafel曲线外推法获取自腐蚀电位(corrvs SCE)和自腐蚀电流密度(corr)。

2 结果与讨论

2.1 微观结构

图1所示为不同激光功率(1.6，2.0，2.4和2.8 kW)下熔覆层的截面形貌图，包含了熔覆层的顶部(1)、中段(2)和底端(3)。从图中可以明显看出，涂层与基体部分呈现出良好的冶金结合，并没有明显的裂纹及孔洞。随激光功率增大，涂层的整体厚度从545 μm增加到1 100 μm，这是因为激光功率越大，单位时间内的能量输入越大，粉末和基材的熔化量越多，熔覆深度越大，从而导致涂层厚度增加。同时也可看出，在低功率下制备的熔覆层的组织更为细小，并随功率增大，熔覆层组织明显宽化，且伴随有从树枝晶向胞状晶转变的趋势。这是由于随激光功率增大，试样熔覆区吸收的热量增加，同时冷却速度变慢，结晶速度减小，组织得以长大宽化，并逐渐形成胞状晶。激光熔覆过程中，涂层与基体之间的温度梯度分布可简化表示 为[23]：

式中：为温度梯度分布，K/mm；为材料热导率，W/(m∙K)；为合金液相线温度，K；0为基体预热温度；为激光吸收率；为激光功率，W。随激光功率增大，试样熔覆区吸收的热量增加，同时温度梯度变小，冷却速度降低，结晶速度减小，组织得以长大宽化，并逐渐形成胞状晶。表2所列为不同激光功率(1.6，2.0，2.4和2.8 kW)下熔覆涂层的EDS数据，分析结果发现，随功率增大，Ni和Cr原子的相对含量逐渐下降，Fe原子的相对含量上升。

图2所示为不同激光功率(1.6，2.0，2.4和2.8 kW)下熔覆涂层的X射线衍射分析图谱，可以看出涂层主要为γ-(Ni,Fe)物相，并在较低的激光功率下出现了Cr3C7的衍射峰。结合EDS结果分析，激光熔覆层组织中枝晶部分为γ-(Ni,Fe)固溶体，Cr3C7主要出现在枝晶间的灰色区域。由于Ni与γ-Fe同属于Fm3m空间群于面心立方结构，因此可以互熔形成γ-(Ni,Fe)固溶体[24−25]，即Ni先在γ-Fe表面形成固溶体晶核，然后不断吸收熔池中的Ni原子，形成富Ni的γ-(Ni,Fe)固溶体。低功率下Cr3C7衍射峰的出现也印证了EDS的结果，即在低功率下的涂层中Cr的含量大于高功率下的Cr含量。

2.2 显微硬度及耐磨性

图3所示为不同激光功率下熔覆层和基体部分的显微硬度，可以看出，熔覆层的硬度均高于基体部分的硬度，并且在低功率下两者差异尤为显著。功率为1.6 kW时所制备的熔覆层的显微硬度为508 HV，约是基体的1.6倍。随激光功率增大，熔覆层的硬度反而下降，这是因为在低功率下硬质相Cr3C7的生成使得硬度增大，同时随功率增大，涂层内部组织从树枝晶向胞状晶的转变也会影响硬度。图4所示为不同激光功率下熔覆试样经摩擦磨损试验后的质量损失率，从图中可以看出经过熔覆后的试样的质量损失率显著低于基体本身，表明熔覆的Ni基合金涂层可大幅提高材料的耐磨性。并且随激光功率增大，试样的质量损失率增大，这可归因于在较低功率下，硬质相Cr3C7提升了试样本身的硬度，增强了其耐摩擦磨损性能。

图1 不同激光功率下的熔覆层截面SEM形貌

(a) 1.6 kW; (B) 2.0 kW; (C) 2.4 kW; (D) 2.8 kW(A1), (B1), (C1), (D1) are the top parts of (A), (B), (C), (D) respectively; (A2), (B2), (C2), (D2) are the middle parts of(A), (B), (C), (D) respectively; (A3), (B3), (C3), (D3)are the bottom parts of (A), (B), (C), (D) respectively

表2 不同激光功率下熔覆层的元素含量

图2 不同激光功率下的熔覆层XRD物相分析

图3 不同激光功率下的熔覆层与基材的平均显微硬度

2.3 电化学性能

图5为不同激光功率下熔覆试样在质量分数为3.5%NaCl溶液中的Tafel曲线，通过Tafel曲线线性外推法可以求出自腐蚀电位和自腐蚀电流密度，结果如表3所列。从图表中可以看出，基体部分的自腐蚀电位远小于熔覆试样，而自腐蚀电流远大于熔覆试样，表明熔覆试样的耐蚀性远优于基体的耐蚀性。随激光功率增大，熔覆试样的自腐蚀电位变大，表明试样的自腐蚀倾向减小；与此同时试样的自腐蚀电流密度减小，表明试样的腐蚀速率下降。

图4 不同激光功率下的熔覆层经摩擦磨损后的质量损失率

图5 不同激光功率下熔覆试样在NaCl溶液中的Tafel曲线

从上述结果中可以发现，试样的耐蚀性随激光功率增大而提高，但2.4 kW和2.8 kW时的耐蚀性差异不明显。分析认为，当激光功率相对较低时，一方面熔覆区域内输入能量少，Ni基合金粉末可能未能完全熔化，致使没有充分发挥Ni基涂层的耐蚀性；另一方面，在较低激光功率下，涂层中存在的少量Cr3C7硬质相与γ-(Ni,Fe)固溶体存在的电位差，导致了腐蚀电化学微电池的形成，从而导致耐蚀性不如较高激光功率下的涂层。

表3 不同激光功率下Tafel曲线的拟合结果

3 结论

1) 熔覆的Ni基合金涂层与基体呈现冶金结合，无明显的裂纹及孔洞，涂层的主要成分为γ-(Ni,Fe)固溶体，并在较低激光功率下出现少量的Cr3C7相。

2) 随激光功率增大，熔覆层的厚度从545 μm增加到1 100 μm，熔覆组织宽化，并伴随有从树枝晶向胞状晶转变的趋势。

3) 随激光功率增大，熔覆层中的Ni和Cr元素含量下降，Fe元素含量上升，熔覆层的显微硬度从508 HV下降至375 HV，摩擦磨损性能下降，耐蚀性提升，自腐蚀电流密度从4.347×10−7A/cm2降低到8.257× 10−8 A/cm2。

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Effects of laser power on microstructure and properties of Ni-based alloy cladding layers

CHEN Xiaoming1, 2, 3, JIANG Zhipeng1, 2, ZHANG Lei1, 2, LIU Wei1, 4, ZHAO Jian1, 2, FU Li2, 4

(1. Standard & Quality Control Research Institute, Hangzhou 310012, China;2. Key Laboratory of Surface Engineering of Equipments for Hydraulic Engineering of Zhejiang Province, Hangzhou, 310012, China; 3. University of Science & Technology Beijing, Beijing 100083, China; 4. Hydraulic Machinery and Remanufacturing Technology Engineering Laboratory of Zhejiang Province, Hangzhou 310012, China)

The effects of laser power on the microstructure and wear-resistant and corrosion-resistant properties of Ni-based alloy cladding coatings were studied in this paper, in order to get the optimal laser power parameters and obtain Ni-based alloy coatings with good metallurgical bonding and excellent wear resistance and corrosion resistance. The results showed that Ni-based alloy coating prepared by laser cladding is metallurgically bonded to the substrate without obvious cracks and holes, and the main composition of the Ni-based alloy coating is γ-(Ni,Fe) solid solution, and a small amount of Cr3C7phase appeared in relatively lower power. With increasing laser powers, the element contents of Ni and Cr in the cladding layers decreased, the element content of Fe in the cladding layers increased, and the thickness of cladding layers increased from 545 μm to 1 100 μm, microstructure was coarsened obviously and the transition from dendrites to cellular dendrites tendency. Meanwhile, with increasing laser powers, the microhardness decreased from 508 HV to 375 HV, and the wear resistance of the specimens decreased, but the anti-corrosion resistance was enhanced, the corrosion current density decreased from 4.347×10−7A/cm2to 8.257×10−8 A/cm2.

laser powers; γ-(Ni,Fe) solid solution; microhardness; wear resistance; anti-corrosion resistance

TG174.44

A

1673-0224(2019)04-315-06

浙江省一带一路国际科技合作项目(2019C04019)；浙江省公益性项目(2017C37048，2018C37029)

2019−01−08；

2019−03−05

陈小明，高级工程师。电话：0571-880871155；E-mail: xiaoming840@163.com

(编辑 高海燕)