激光增材制造熔覆Ni基合金涂层组织性能研究进展(2)
时间：2024-01-12 09:07 来源：特种铸造 作者：修虎,米国发,李雷等 阅读：次
向镍基合金粉末中添加硬质颗粒来提高激光熔覆层的硬度和耐磨性，主要有以下几种原理：①硬质颗粒与熔覆层拥有良好的冶金结合，直接作为硬质相均匀分布在基体中起到增加强度提高耐磨性的效果。②金属氧化物的添加往往起到细化晶粒，增强冶金结合，减少空洞裂纹萌生的作用。③硬质相参与了激光熔池的冶金反应，致使涂层中原位生成新的碳化物及其他增强相弥散到晶体间起到增加硬度和耐磨性的作用{Sahoo, 2017 #90;Liu, 2012 #33;Chao, 2004 #85}。
为了减少材料的摩擦、磨损率，最佳的方式就是通过自润滑来达到减磨耐磨的效果，润滑就是用一层具有润滑效果的薄膜将两个发生相对运动的表面隔开，是物体在摩擦中减少接触，来实现减少材料损耗的目的,通过添加自润滑相，在镍基合金中起到减磨效果也是增加镍基合金涂层增加耐磨性的一个重要途径。常用作自润滑相的物质有软金属、石墨、碳包合金以及硫化物等。
TORRES H等采用激光熔覆手段，将Au、Ag等不同的软金属固体润滑剂通过过渡金属二卤族化合物(WS2, MoS2)包裹加入镍基复合涂层，使其均匀分布在组织内，得到了在室温到600℃以内耐磨性提高的镍基复合涂层。马超等在40CrNi2Si2MoV钢表面采用了激光熔覆技术制备了不同含量的镍包石墨制备了镍基复合涂层（见图2），结果表明随着镍包石墨含量的增加，熔覆层的组织逐渐细化，并伴随着石墨相的出现，在镍包石墨为6%时，表现出良好的耐磨性。LI M Y等采用激光熔覆技术，并运用离子渗流的方式加入硫元素，在镍基合金熔覆层表面形成FeS自润滑相来达到减磨效果，结果表明由于FeS的作用，复合熔覆层的摩擦系数和磨损量都在减小。ZHU R等在Inconel625合金基体上运用激光熔覆技术制备了镍基自润滑涂层NiCrAlY/Ag2O/Ta2O5，结果表明室温下Ag为主要的润滑作用，在350 ℃时NiO和Ag共同作用进行润滑，当550 ℃时，Ag失去润滑效果，而NiO和CrO2形成的耐磨釉层为熔覆层起到了主要的润滑作用，使其在高温下的耐磨性有很大提高。LU L X等在Ti6Al4V基板上通过激光熔覆手段制备了不同六方氮化硼（hBN）含量的Ni60-hBN复合镀层，结果表明随着hBN含量的增加涂层的耐磨性和润滑性也在不断的增加，在Ni60-10%hBN涂层在高温(300 ℃和600 ℃)下表现出优异的摩擦学行为。LIU X B等通过激光熔覆手段在NiCr-Cr3C2镍基合金粉末中加入了WS2自润滑粉末，并通过电镀封装防止WS2的分解，结果表明在WS2含量为30%时，涂层在300℃到600℃以内具有良好的润滑和耐磨性。
图2 不同镍包石墨含量复合涂层中石墨的分布状态
(a)6.0%镍包石墨；(b)10.0%镍包石墨；(c)14.0%镍包石墨；(d)原始镍包石墨颗粒
通过添加自润滑相来达到熔覆层减磨目的主要有以下两种形式：①所加入的软金属、石墨等自润滑相均匀分布在组织内，使得熔覆层的组织整体具有良好的稳定性和润滑性。②加入硫化物，非金属等物质通过物理化学结合的方式在熔覆层的表面形成润滑层及耐磨釉层来达到减磨耐磨的目的。通过自润滑的方式来增加耐磨性在中低温度往往达到较好的耐磨效果，但在较高温度（600 ℃以上）自润滑相，耐磨釉层会发生不同程度的分解，导致耐磨机制变化，从而使磨损率提高，耐磨变差。因此，有待进一步开发高温耐磨自润滑减磨材料体系。
稀土元素被称为“工业的维生素”，在镍基合金粉末中加入稀土元素可使熔覆层的性能大为改善，主要作用可细化组织晶粒，减少裂纹、缺陷和气孔、降低熔覆基体稀释率，提高抗氧化能力，使熔覆层具有更好的冶金结合能力等。
NING Z等将Ni60合金粉末和La2O3混合，利用激光熔覆手段在30CrMnSiNi2A基板上制备了添加稀土元素（Re,La2O3)的镍基复合涂层，结果表明La在枝晶间偏析，限制了次生枝晶的粗化，使熔覆层的表面组织得到细化，显著的减少了熔覆层中地裂纹和气孔，使熔覆层地耐磨性得到极大的提高。ZHANG G Y等在Ni60合金粉末中加入稀土CeO2利用激光熔覆在6063-Al上制备了镍基合金熔覆层，结果表明在 CeO2含量为5wt.%时，在Ni60熔覆层具有较好的组织和形貌，且减少了裂纹和气孔，尤其是在熔覆层的表面作用更为明显，从而使熔覆层的耐磨性提高。WANG C等同样在6063-Al表面制备了不同稀土含量的镍基合金熔覆层，结果表明添加4% CeO2、5% La2O3和5% Y2O3的Ni60熔覆层比Ni60的熔覆层具有更好的形貌特征，气孔和裂纹明显减少，熔覆层的硬度随着熔覆层深度而逐渐减小，且稀土的加入使熔覆层的稀释度增加。CAI Y等在Cr12MoV钢表面利用激光熔覆手段制备了不同CeO2含量的Ti/Ni复合涂层（见图3），结果表明熔覆层从底部到表面依次是柱状晶、胞状晶、等轴晶，适当的稀土元素使得熔覆层组织细化，并在表面析出较多的TiC颗粒，使得表面的耐磨性提高；过量的稀土元素会污染晶界且导致TiC颗粒过度的烧损，从而降低熔覆层耐磨性。
图3 不同含量稀土复合涂层界面
(a)0 %; (b) 2 %; (c) 4 % ; (d) 6 %
稀土元素的加入对熔覆层的影响主要有以下特点：①稀土的加入并没有产生新的相，对枝晶的生长产生重要影响，弥散的稀土元素钉扎晶界长大，产生偏析，增加了等轴晶数量，从而达到细晶强化。②稀土对熔覆层晶粒的作用敏感度从顶部到深处越来越弱，熔覆层顶部的晶粒最为细化，涂层表面更加致密，耐磨性硬度最好。③稀土元素的另外一个主要的作用是净化合金晶界，吸附熔覆层中难溶化合物磷、硫等，减少熔覆层缺陷生成，但过量加入则会燃烧晶界。
辅助处理对镍基合金涂层的影响
未经辅助处理的熔覆层往往会存在较大的残余应力、裂纹、气孔等，适当的辅助处理不仅可以减少缺陷的产生，也可以优化熔覆层的性能，随着激光熔覆的发展以及熔覆件性能的要求，辅助处理对激光熔覆镍基合金的研究也在不断深入，常见的对镍基合金熔覆层辅助处理的方式有热处理、电磁场，超声等手段。
FERREIRA A A等研究了基材预热对镍基合金熔覆层的影响，结果表明在基板预热300 ℃时对镍基合金熔覆层和基材界面区域有较大影响，减少了熔覆层中有害Laves相的形成，使涂层组织更加均匀。GONG F B等采用激光熔覆在FV520B钢表面制备了FeCrNi合金熔覆层，研究了热处理对镍基合金的影响，结果表明在1 073 ~ 1 273 K的热处理过程中，二次淬火的作用使基体材料的晶粒得到细化，并使熔覆层与基体结合的硬度软区得到了有效去除;当热处理温度为1 073 K时，熔覆层获得了最大的抗拉强度，但也在一定程度影响了其耐磨性。DURGE G等在AISI410不锈钢表面熔覆了NiCrBSi合金涂层，并在625℃下热处理了1.5 h，结果表明热处理后的NiCrBSi熔覆层硬度提升约1/3，并且热处理过程中涂层中形成了额外的硼化物、碳化物沉淀，其耐磨性也有明显的提高。
YAO F P等为了在不增加强化相的情况下使镍基合金熔覆层的性能最大优化，采用了不同频率的超声辅助对镍基合金熔覆层进行了处理，并使用摩擦磨损试验机对熔覆层进行了硬度和摩擦磨损的测试，实验表明适度的超声频率能显著的细化熔覆层的组织，使熔覆层的硬度和耐磨性得到显著提高，且熔覆层具有良好的细晶粒。HU G F等创新性的将电磁和超声叠加辅助处理在镍基合金熔覆层上，并采用有限元分析对熔覆场流体的辅助影响模拟（见图4），模拟结果表明声流改变了熔池的宏观运动，电磁场加剧了熔池的对流，实验结果表明：辅助场的加入细化了组织，内部元素偏析均匀，由于熔池对流加剧，元素偏析被抑制，枝晶生长被打破，进一步细化了组织，与未加辅助场的熔覆层相比，极大的提高了硬度和耐磨性。
图4 复合场辅助处理镍基合金熔覆层表面微观组织
无论是单一辅助场，还是复合场均可对镍基合金熔覆层组织性能进行调控，主要的作用机理可分为：①基板预热处理，增加冶金结合，提高熔覆层抗裂性，改善激光熔覆工艺性。②后期热处理，通过退火消除应力集中，进行时效强化，改善熔覆层的组织结构，提高硬度耐磨性。③超声和电磁场的辅助通过增加熔池液体对流，产生枝晶破碎使组织更加均匀，从而细化晶粒，起到增加硬度和耐磨性。
结语与展望
（1）激光工艺参数对镍基合金熔覆层的影响基于合金成分不同和复杂多变不可控量未有规范可循的参考，但可以从激光功率等参数对稀释率、熔覆层几何形状等角度对工艺参数进行调节，对于具体的影响和作用仍需大量的研究和统计学分析去标准化。
（2）微量元素、合金成分、稀土元素对镍基合金的影响具有相辅相成的作用，往往通过细化晶粒、枝晶偏析、固溶强化等单一或共同作用来提高熔覆层性能，不同之处在于稀土的加入往往不会产生新相，而合金元素加入可原位促进新的强化相和增强相来提高熔覆层耐磨性。添加相对于熔覆层的影响已相当成熟，仍需在提高镍基合金熔覆层耐高温、高速摩擦、强腐蚀方面继续深耕。
（3）自润滑相的加入改变了镍基合金熔覆层的磨损机理，在600 ℃以下往往表现出优异的耐磨性，在600 ℃及以上温度润滑相的氧化和耐磨釉层的分解需要进一步优化。
（4）辅助处理可对镍基合金熔覆层组织的细化和残余应力、缺陷的消除具有至关重要的影响，但目前关于镍基合金熔覆层的辅助处理研究还比较少，在定性、定量使用辅助处理熔覆层时仍需做进一步研究。
对镍基合金熔覆层高温耐磨的研究一直在深入，在工艺参数方面可以早日实现规范具体的参考标准，再通过具体的元素强化、自润滑相减磨、辅助处理的多方位优化，有望实现激光熔覆镍基合金涂层优异的耐高温磨损性能，进一步推广其工业应用。
(责任编辑：admin)
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