氧化釔對激光熔覆鎳基40Cr 鋼組織與性能的影響

張新建，牛 莉，王 甫，孫 燕

（安徽機電職業技術學院 航空與材料學院, 安徽 蕪湖 241000）

激光熔覆技術是利用高能激光束在極短時間內熔化熔覆材料和基體表面， 然后經快速冷卻和凝固后， 在熔覆材料和基體表面之間形成良好冶金性能的表面改性技術［1］。

稀土元素具有凈化金屬熔池的功能， 可以不同程度改善金屬材料的一些性能，如鑄造性、耐腐蝕性、耐磨性和抗氧化性等，被譽為“鋼鐵中的青霉素”［2］。為了提高金屬材料的性能， 在激光熔覆過程中加入適量的稀土元素可以達到細化晶粒、 改善微觀組織以及減少裂紋和氣孔缺陷的目的［3］。譚友宏等［4］通過激光熔覆技術在60CrMnMo 鋼表面制備出WCB4W-Y2O3復合材料，實驗表明,加入適量Y2O3可有效改善熔覆層的冶金性能；王玉玲等［5］通過激光熔覆技術在42CrMo 鋼表面制備了添加CeO2的稀土3540Fe 基合金熔覆層， 得到組織較細的熔覆層，其耐磨性得到提高；張哲浩等［6］通過添加稀土Nd 元素，在Cr12MoV 模具鋼表面獲得耐磨性良好的稀土鎳基合金熔覆層。

40Cr 鋼主要用于制造軸類、連桿類、螺釘類和重要齒輪類等要求高硬度、高耐磨性和一定耐腐蝕性的零件［7］，這些零件工作條件差，磨損嚴重，使用壽命低。 為了提高40Cr 鋼的機械性能，本文采用激光熔覆技術在40Cr 鋼基體表面制備稀土鎳基熔覆層，研究不同質量分數Y2O3對熔覆層組織和性能的影響。

1 材料和方法

1.1 材料

基體材料為40Cr 鋼， 熔覆層材料為Ni60 粉末，其成分含量分別見表1 和表2， 其中Ni60 粉末粒度為50～100 μm。 添加稀土元素為Y2O3粉末， 粒度為40～110 μm。 首先將質量分數分別為0.5%、1.0%和2.0%的Y2O3粉末加入Ni60 粉末中，放入球磨機（球磨機型號為QM-3SP4， 球磨罐與磨球材質均為硬質合金，球料比為10∶1）球磨3 h，充分混合，球磨速度設定為120 r/min。 然后用砂紙對40Cr 鋼基體表面進行打磨， 去除氧化層及油污， 并用丙酮清洗，再將水乙醇與熔覆層材料粉末以1∶5 的質量比例調成的糊狀覆層材料均勻地涂覆在基體表面， 厚度為1.0 mm，最后將經涂覆的樣品放入干燥箱中干燥4 h，溫度設定為100 ℃。

表1 40Cr 鋼的化學成分

表2 Ni60 合金粉末的化學成分

1.2 試樣準備

采用TJ-HL-5000 型光纖激光器對40Cr 鋼進行激光熔覆， 實驗樣品尺寸為40 mm×10 mm×10 mm，激光熔覆參數如表3 所示。 為了減少裂紋，在激光熔覆前將40Cr 鋼基體先預熱到150 ℃， 同時， 為減少激光熔覆過程中周圍空氣對熔覆層組織的影響， 激光熔覆前預先通氬氣作為保護氣體，氣體流量為16 L/min。 熔覆好的樣品用線切割機床切割成尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的試樣。

表3 激光熔覆參數

1.3 組織與性能表征

沿垂直于激光熔覆掃描方向的表面首先用200目砂紙進行打磨，然后用400 目砂紙進行打磨，最后用600 目砂紙進行打磨， 直至光滑。 經拋光機拋光后，用王水腐蝕60 s，采用型號為EVO-60 的掃描電鏡（SEM）觀察激光熔覆層的微觀形貌；采用型號為D/max-2200 的X 射線衍射儀（XRD）測定激光熔覆層 的 相 組 成（Cu 靶，掃 描 速 率 為4°/min）；采 用HV-S1000 型顯微硬度計測試激光熔覆層的顯微硬度，加載8 N，保壓15 s；采用型號為MFT-EC4000的摩擦磨損試驗機對試樣磨損性能進行檢測， 試驗條件為干摩擦，摩擦副材料為Si3N4 陶瓷球，摩擦頻率為4 Hz，摩擦時間為25 min，摩擦長度為6 mm，載荷為25 N，磨損時間為60 min。

2 結果與討論

2.1 熔覆層的宏觀形貌

添加不同質量分數Y2O3的激光熔覆層的微觀結構如圖1 所示。 從圖1 可以看出， 添加Y2O3的激光熔覆層均呈現出亞共晶結構的特征。 這是因為在激光熔覆過程中，鎳顆粒在高溫作用下溶解，周圍液相成分發生變化，并隨著凝固溫度的降低，熔覆層的成分由亞共析向亞共晶轉變，析出枝晶。 在圖1 中，隨著Y2O3含量的增加， 熔覆層的組織逐漸細化，均勻性也得到改善，共晶組織的數量逐漸增加。這是因為Y2O3具有凈化熔池的功能，可以與合金中的雜質元素反應，形成精細的稀土化合物。這些化合物是非自發成核的核心， 提高了成核速率， 促進了晶粒細化。 此外，添加稀土元素還可以減少枝晶間的間隙，阻礙枝晶的生長，減少中間雜質，提高液態合金的流動性。當Y2O3含量超過1.0%時，熔覆層組織變粗，出現枝晶生長方向不一致的現象。 這是因為過量的Y2O3和雜質元素形成的大量難熔材料不容易從熔池中漂浮出來，降低了液態合金在熔池中的流動性，并使合金層的晶粒變粗。

圖1 不同含量Y2O3 的熔覆層的掃描電鏡圖

2.2 熔覆層相結構

圖2 為未添加Y2O3的激光熔覆Ni60 涂層的XRD圖譜。 由圖2 可知，在40Cr 基體表面形成了由γ-Ni、M23C6（M=Fe、Ni、Cr）、FeNi3、Ni3B 和CrB 組 成 的 硬化相。

圖2 未添加Y2O3 激光熔覆Ni60 涂層的XRD 圖譜

圖3 為添加不同含量Y2O3的熔覆層的XRD 圖。從圖3 可以看出： 隨著Y2O3含量從0.5%增加到2.0%，熔覆層物相類型沒有發生變化，主要由?-（Fe，Ni）、Ni3Si、Cr23C6、FeNi3、Ni3B 等相組成。 隨著Y2O3含量從0.5%增加到1.0%時，組織中? -（Fe，Ni）在45.9°、75.4°處所對應的衍射峰強度逐漸增強，說明? -（Fe，Ni） 相 對 含 量 逐 漸 增 多；Cr23C6在42.6°、51.7°處所對應的衍射峰強度逐漸增強， 說明Cr23C6相 對 含 量 逐 漸 增 多；FeNi3、Ni3Si、Ni3B 在37.3°、54.1°處所對應的衍射峰強度逐漸減弱， 說明其相對含量逐漸減少。 這主要是由于Y2O3可以促進鎳顆粒的分解，增加周圍液相中的鎳含量，使液相成分轉變為亞共晶成分，增加了Cr23C6相的含量。 但是當Y2O3含量為2.0%時，共晶Cr23C6相的含量反而降低，這是由于稀土元素的添加增大了熔覆材料對激光的吸收率，使熔覆層中的Cr23C6出現分解， 由于添加的Y2O3較少， 且Y2O3與雜質元素反應生成稀土化合物， 上浮到熔池表面，因此未檢測到Y2O3及其相關物相。

（a）Y2O3 含 量 為0.5% ； （b）Y2O3 含 量 為1.0% ；（c）Y2O3 含量為2.0%。

2.3 熔覆層的顯微硬度

圖4 是不同含量Y2O3的熔覆層的顯微硬度分布曲線。 從圖4 可以看出，當Y2O3未添加到熔覆層時，由于熔覆材料對激光輻照能量的吸收率相對較低，40Cr 基體材料吸收了大量的能量， 使得基體溫度急劇升高，熔化后鐵大量進入到熔覆層中，提高了激光熔覆層的稀釋率［8］，導致平均硬度較低，硬度為616 HV。在熔覆層中加入Y2O3， 可以有效提高熔覆材料對激光輻照能量的吸收率， 改善合金元素在基體材料中的溶解能力，使基體中少量的鐵進入到熔覆層，熔覆層組織分布更加均勻，形貌更加規則，結合更加緊密。 此外，稀土元素在金屬材料中的固溶性很小，微量稀土元素可以留在晶界和位錯等缺陷處，與晶界處的其他原子相互作用，影響晶界結構，強化晶界［9］，并大大提高熔覆層的硬度。 所以，當Y2O3含量為0.5%時，熔覆層的平均硬度達到657 HV，比未添加Y2O3時提高了6.7%； 當Y2O3含量為1.0%時，熔覆層的平均硬度達到786 HV， 比未添加Y2O3時提高了27.6%。 然而，當Y2O3含量為2.0%時，熔覆層的平均硬度為734 HV， 比未添加Y2O3時提高了19.2%，低于Y2O3含量為1.0%的熔覆層的平均硬度。這是由于Y2O3含量太高， 熔覆材料的激光吸收率太大，導致熔覆層中大量碳化物（如Cr23C6）分解，同時使基體中的鐵熔化后進入熔覆層中， 熔覆層硬度降低。因此，Y2O3的含量應嚴格控制在合理范圍內。

圖4 不同含量Y2O3 的熔覆層的顯微硬度曲線

2.4 熔覆層的耐磨性

利用MFT-EC4000 摩擦磨損試驗機測試熔覆層的摩擦磨損性能， 結果如圖5 所示。 從圖5 可以看出， 當Y2O3的添加量分別為0、0.5%、1.0%和2.0%時， 激光熔覆層的平均摩擦系數呈現先減小后增大的趨勢， 分別為0.56、0.47、0.42 和0.45。 其中不含Y2O3的熔覆層的摩擦系數最高， 因為其顯微組織粗大，平均硬度較低，耐磨性較差；當Y2O3含量達到1.0%時，熔覆層的組織變得較細，熔覆層的平均硬度增加， 摩擦過程相對穩定， 平均摩擦系數較??；當Y2O3含量為2.0%時，熔覆層組織變粗，平均硬度相比含量1.0%時下降，耐磨性降低，平均摩擦系數增加，并且隨著時間的推移，曲線呈上升趨勢。

圖5 不同含量Y2O3 熔覆層的摩擦系數曲線

不同含量Y2O3的熔覆層的磨損量如圖6 所示。由圖6 可知： 當未添加Y2O3時， 熔覆層磨損量為14.26×10-3mm3。 當Y2O3的添加量分別為0.5%、1.0%和2.0%時，熔覆層磨損量分別為13.24×10-3、11.27×10-3、12.13×10-3mm3， 與不含Y2O3的激光熔覆層相比，磨損量分別降低了7.2%、21.0%、14.9%。 因此，添加適量的Y2O3可以達到細化熔覆層晶粒的目的，使熔覆層的組織更加均勻，提高熔覆層的耐磨性。

圖6 不同含量Y2O3 的熔覆層的磨損量

圖7 是不同含量Y2O3的激光熔覆層磨損痕跡形貌的SEM 照片。 由圖7 發現：未添加Y2O3的熔覆層的磨損表面出現寬而深的溝槽， 熔覆層磨損程度最高， 這是由于未添加Y2O3熔覆層的組織比較粗大，硬度較低。隨著Y2O3含量的增加，在Y2O3作用下晶粒細化，熔覆層硬度逐漸增加，其耐磨性也隨之提高，磨損表面的溝槽變得更窄、更淺［10］；當Y2O3含量達到2.0%時，熔覆層組織粗化，硬度降低，耐磨性也降低，使磨損表面上的溝槽又變寬變深。

圖7 不同含量Y2O3 熔覆層的磨痕形貌

3 結論

在40Cr 鋼表面激光熔覆含有稀土氧化物Y2O3的Ni60 涂層，研究了添加不同含量Y2O3的激光熔覆層的組織與性能。 實驗結果表明：添加Y2O3的鎳基熔 覆 層 組 織 為 樹 枝 晶， 主 要 由γ-（Fe，Ni）、Ni3Si、FeNi3、Cr23C6、Ni3B 等相組成， 沒有出現Y2O3相。 在40Cr 鋼基體表面制備Ni 基的熔覆層， 添加適量的Y2O3可以起到凈化熔池、改善枝晶形態、細化晶粒組織的作用， 達到提高激光熔覆層硬度和耐磨性的目的。當Y2O3含量為1.0%時，熔覆層組織最細，冶金性能最好。 過量Y2O3的加入反而使熔覆層的微觀組織變粗，并降低熔覆層的耐磨性。