３６８ 安徽工业大学学报 ２００８矩 合涂层（Ｃｒ３ｃ ｅ），主要研究Ｃｒ３Ｃ 对熔覆层的组织、显微硬度及耐磨损性能的影响。 １实验材料与实验方法 试验基材为低碳钢，基板尺寸为２００ ｍｍｘ６０ ｍｍｘｌ０ ｍｍ，表面磨平与清洗后，经２００ ｏＣ预热１０ ｍｉｎ。Ｆｅ 基合金粉末的粒度为４５～１５０ Ｉｘｍ，成份（ ／％）为Ｃ ０．１２，Ｃｒ １５．４６，Ｍｏ ０．９９，Ｎｉ １．４２，Ｓｉ １．０５，Ｂ １．３１，余为 ＦｅｏＣｒ３Ｃ 陶瓷粉末采用Ｎｉ包Ｃｒ３Ｃ 复合粉末（其中ｗ（Ｃｒ３Ｃ２）＝８５％），粒度为４０～１００ ｔｘｍ。将Ｆｅ基合金粉末和 ２０％Ｃｒ３Ｃ２（质量分数）粉末充分研磨混合后，在１００ ｃＣ的烘箱内烘烤３０ ａｒｉｎ。 用５ ｋＷＣＯ 激光器及配套设备在基板表面进行激光熔覆处理，得到Ｆｅ５５涂层及Ｃｒ３ＣＪＦｅ复合涂层。试 验工艺参数为：激光功率２．０ ｋＷ，光斑直径５ ｍｍ，扫描速率２００ ａｒｍ／ａｒｉｎ，搭接量２．５ ｍｍ，熔覆时用Ａｒ气保 护熔池，熔覆层厚度约１ ｍｍ。 横截面金相试样经抛光后用王水深腐蚀，用ＯＬＹＭＰＵＳＰＭＥ一３型显微镜，ＰＨＬＩＰ—ＸＬ３０型扫描电镜及能 谱附件进行微观组织及微区成份分析；用ＪＥＭ一２０００ＥＸ型透射电镜观察组织形貌和进行电子衍射结构分析； 用ｘ 一ＴＲＡ型ＸＲＤ仪分析相结构；用ＨＶ一１０００型显微硬度计测量涂层的显微硬度。 滑动磨损试验在ＭＭ２００环块磨损试验机上进行，载荷３Ｏ ｋｇ，转速２００ ｒ／ｍｉｎ，磨损时间３０ ｍｉｎ，用１：１００ 乳化液作为冷却液。上试样为分别具有Ｆｅ５５及Ｃｒ３ＣＪＦｅ涂层的长方块试样，尺寸３０ ｍｍｘ６．５ ｍｍｘ６．５ ｍｍ， ３０ ｍｉｎｘ６．５ ｍｍ为磨损面，涂层表面磨光。下试样为环状试样，其外径４０ ｍｍ，内径１６ ｍｍ，厚度为１０ ｍｍ，材 质为Ｈ１３模具钢，硬度ＨＲＣ５６，表面磨光。试验试样（上试样）的磨损失重用感量为０．０００ １ ｇ的分析天平称 量。 ２试验结果及分析 图１所示为激光熔覆Ｆｅ５５及Ｃｒ３Ｃｚ／Ｆｅ合金涂层表面的ＸＲＤ图谱。由图１可见，Ｆｅ５５涂层主要由 一Ｆｅ 和Ｃｒ２３Ｃ６组成，Ｃｒ３Ｃ２／Ｆｅ涂层主要组成相为 一Ｆｅ， —Ｆｅ，Ｃ Ｃ６及未熔Ｃｒ３Ｃ 等相组成。 （ａ）Ｆｅ５５ 图１激光熔覆涂层的Ｘ射线衍射图 （ｂ）Ｃｒ３Ｃ￣Ｆｅ 图２为激光熔覆Ｆｅ５５涂层沿垂直于激光扫描方 向的剖面组织。图２（ａ）中基材与涂层界面处存在一条 “白亮带”（熔合区），显示出涂层与基材之间具有良好 的冶金结合。Ｆｅ５５涂层组织为具有明显生长方向的柱 状枝晶。图２（ｂ）为Ｆｅ５５涂层的典型ＳＥＭ组织形貌， 可见Ｆｅ５５涂层主要以亚共晶方式结晶，在初生 一Ｆｅ 固溶体枝晶间存在大量的网状共晶组织。 图３为激光熔覆ＣｒｚＣＪＦｅ涂层沿垂直于激光扫描 方向剖面的组织。涂层中存在少量白色颗粒（图３ （ａ）ＯＭ（ｂ）ＳＥＭ 图２激光熔覆Ｆｅ５５涂层的剖面组织 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 斯松华等：激光熔覆Ｃｒ３Ｃ２／Ｆｅ复合涂层的组织与磨损性能 ３６９ （ａ））；白色颗粒周边存在细小枝晶组织（图３（ｂ））；涂层的典型组织如图３（ｃ）所示，主要为大量等轴晶及其问 细小的共晶组织。可见加入Ｃｒ３Ｃ 改变了Ｆｅ基合金涂层的组织特征。 对图３（ｂ）Ｏ大颗粒（标为Ａ）、等轴晶组织（标为Ｂ）及其枝晶组织（标为Ｃ）进行能谱分析（不考虑ｃ量）， 结果见表１。从表１可见，Ａ区由Ｃｒ元素组成，应为未熔Ｃｒ３Ｃ 粒子；Ｂ，ｃ区组织中Ｆｅ为主要含量，Ｂ区应为 等轴固溶体，ｃ区为共晶组织。 （ａ）低倍形貌 （ｂ）大颗粒周围形貌 图３激光熔覆Ｃｒ３Ｃ］Ｆｅ涂层的剖面组织 表１ Ｃｒｆ￣ｅ涂层中微区成份能谱分析（ ％） （ｃ）涂层组织ＳＥＭ典型形貌 位置 ＡＢ Ｆｅ —— ７５．５６ Ｃｒ １００１７．４０ Ｓｉ ——１．５７ Ｍｏ ——０．３２ Ｎｉ —— ５．１５ Ｃ ６９．５６ ２３．９０ １．０１ １．６３ ３．９０ 图４为Ｃｒ３Ｃ２／Ｆｅ复合涂层ＴＥＭ形貌。熔覆层中的初生相呈现等轴晶状生长（图４（ａ）中Ａ区）；ＳＡＤＰ分析 表明，其为ｂ－ｃ－ｃ结构的 ～Ｆｅ固溶体（图４（ｂ））；熔覆层中共晶主要呈现层片状生长，对共晶组织中杆状物（图４ （ｃ）中Ｂ区）进行透射电镜衍射斑点分析，标定确定为Ｃｒ２３ｃ （图４（ｄ））。 （ａ）明场像 （ｂ）仅一Ｆｅ［１ １３］物相标定 （ｃ）明场像（ｄ）Ｃｒ￣Ｃ６［００１］物相标定 图４激光熔覆Ｃｒ３ＣＪＦｅ涂层ＴＥＭ形貌及物相标定 Ｆｅ５５涂层的非平衡凝固是以亚共晶方式结晶，先析出大量仪一Ｆｅ初生固溶体，随后的冷却中在 一Ｆｅ枝 晶间形成枝晶共晶组织。Ｆｅ基合金中加入Ｃｒ３Ｃ 后，显著影响了Ｆｅ基合金涂层的凝固特性。加入Ｃｒ３Ｃ 后，大 部分溶解。未溶解的Ｃｒ３Ｃ：能起到非自发形核作用，使涂层组织细化；溶解的Ｃｒ３Ｃ 粒子在熔池中溶解了大量 的Ｃｒ与Ｎｉ元素，产生较大的过冷度，使Ｆｅ基合金涂层的杆状枝晶组织转变成 一Ｆｅ等轴固溶体组织及细小 的共晶组织（枝晶固溶体加Ｃｒ２３ｃ ）。 图５为Ｆｅ５５及Ｃｒ３ＣＪＦｅ合金涂层的显微硬度沿层深的分布，Ｆｅ５５涂层的平均硬度为５７８，Ｃｒ３Ｃ￣Ｆｅ涂 层的平均硬度高达７９６，与Ｆｅ５５相比提高了近４０％，说明在Ｆｅ基合金中加入Ｃｒ３Ｃ 后，涂层的硬度明显提 高。图６为Ｆｅ５５及Ｃｒ３Ｃ２／Ｆｅ涂层的磨损量。可见，Ｃｒ３Ｃｚ］Ｆｅ涂层的耐磨性能明显优于Ｆｅ５５涂层，磨损量只有 Ｆｅ５５涂层磨损量的６２％。 Ｆｅ基合金粉末中存在大量合金元素，激光熔覆快速凝固造成的细晶强化，合金元素大量溶入枝晶产生 的固溶强化，以及大量共晶化合物的形成产生的第二相都使Ｆｅ５５涂层具有较高的硬度和耐磨性。加入Ｃｒ３Ｃ 颗粒后，一方面Ｃｒ３Ｃ：溶解得到的ｃ，Ｃｒ在枝晶中的固溶，增强了固溶强化效果以及重新凝固过程中生成共晶 碳化物的第二相强化作用；另一方面未溶的ｃｒ３Ｃ 本身以及在重新凝固过程中形成的碳化物等对涂层组织的 维普资讯 http://www.cqvip.com
３７０ 安徽工业大学学报 ２００８年 细晶强化，都使ｃｒ。ｃ ｅ涂层的硬度及耐磨性明显高于Ｆｅ５５涂层。 ＞ ２ 瑚１ 越 距顶端距离／ｍｍ 图５ Ｆｅ５５及Ｃｒ３Ｃ￣Ｔｅ涂层的显微硬度分布曲线 图６ Ｆｅ５５及Ｃｒ３Ｃ￣／Ｆｅ涂层的滑动磨损性能 ３结 论 （１）Ｆｅ５５涂层以亚共晶方式结晶，在初生固溶体枝晶间存在大量的网状共晶组织。 Ｃｒ３Ｃｚ／Ｆｅ涂层中Ｃｒ３Ｃ２ 大部分溶解。Ｃｒ３Ｃ 的加入使复合涂层和枝晶组织明显细化、等轴化。 （２）激光熔覆Ｆｅ５５涂层主要由 一Ｆｅ和ｃｒ２３ｃ 组成，Ｃｒ３ＣＪＦｅ涂层的主要组成相为 一Ｆｅ， —Ｆｅ，Ｃｒ＝Ｃ 以及 未熔Ｃｒ３Ｃ２。 （３）激光熔覆Ｃｒ３Ｃ２／Ｆｅ涂层的硬度和耐磨性明显优于Ｆｅ５５涂层。 参考文献： ［１１李明喜，］袁晓敏，何宜柱．Ｎｉ基合金表面激光熔覆ｃｏ基合金的组织与性能［Ｊ］．安徽工业大学学报（自然科学版），２００３，２０（２）： １０６－１０８． ［２］张松，张春华，康煜平．钛合金表面激光熔覆原位生成ＴｉＣ增强复合涂层［Ｊ］．中国有色金属学报，２００１，１１（６）：１０２６—１０３０． ［３］ＹＡＮＧ Ｙｏｎｇｑｉａｎｇ．Ｍｉｅｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｈｉｓｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９９，１４０：１９—２３． ［４］Ｄａ—Ｗｅｉ Ｚｈａｎｇ，Ｌｅｉ Ｔ Ｃ．Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅ ａｎｄ ｅｒｏｓｉｖｅ—ｃｏｒｒｏｓｉｖｅ ｗｅａｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｌａｓｅｒ－ｃｌａｄ Ｎｉ－Ｃｒ３Ｃ２ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｏａｔｉｎｇ［Ｊ］． Ｗｅａｒ，２００３，２５５：１２９－１３３． ［５】何宜柱，斯松华，徐锟，等．Ｃｒ３Ｃ 对激光熔覆钴基合金涂层组织与性能的影响【Ｊ］．中国激光，２００４，３１０）：１１４３—１１４８．
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