劉均波， 王立梅， 劉均海

(1.濰坊學(xué)院 a. 機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，b. 信息與控制工程學(xué)院，山東 濰坊 261061； 2. 山東科技大學(xué) 材料學(xué)院，山東 青島 266510； 3.威海職業(yè)學(xué)院 機(jī)電系，山東 威海 264210)

0 引 言

高能密度束(包括激光束、電子束以及等離子束等)因能量密度高、穿透性強(qiáng)，已被廣泛應(yīng)用于金屬表面改性技術(shù)領(lǐng)域[1]。等離子表面改性技術(shù)是一種極其具有前途的表面改性技術(shù)[2-7]。當(dāng)前，高能束熔敷技術(shù)主要包括等離子熔敷和激光熔敷。激光熔敷設(shè)備成本相對(duì)較高，且對(duì)工作環(huán)境有一定的特殊要求，此外，工件表面熔敷前還必須進(jìn)行預(yù)處理，制備工藝相對(duì)比較繁雜。相比于激光熔敷，等離子熔敷工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，污染較少，且同等條件下對(duì)工件熔敷時(shí)間相對(duì)短，其設(shè)備成本只為激光熔敷設(shè)備的1/4～1/5。有研究表明，等離子熔敷的生產(chǎn)效率約是激光熔敷的6～10倍，其粉末利用率約是激光熔敷的2～4倍[8-10]，因此等離子熔敷技術(shù)在機(jī)械、電力、煤炭、冶金等很多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

粉末成分對(duì)涂層的微觀組織和性能均有著較大的影響。本文在前期制備等離子熔敷Fe-Cr-C涂層基礎(chǔ)上[11-15]添加一定量的Ti，采用前驅(qū)體碳化復(fù)合技術(shù)制備了Fe-Cr-C-Ti等離子熔敷復(fù)合粉末，并用等離子熔敷技術(shù)在Q235鋼表面原位合成了Fe-Cr-C-Ti涂層。通過(guò)SEM對(duì)添加不同粉末成分(C、Ti、Cr)時(shí)制備出的涂層的顯微組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，以便為制備更優(yōu)質(zhì)的涂層材料提供理論與研究基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料與方法

試驗(yàn)設(shè)備采用山東科技大學(xué)金海納等離子科技有限公司研制的DRF-1型全自動(dòng)等離子熔覆設(shè)備，該設(shè)備由等離子電源、等離子炬、送粉系統(tǒng)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等組成。以涂層與基材表面的結(jié)合性能及基材對(duì)涂層成分的稀釋率為指標(biāo)，試驗(yàn)確定了前驅(qū)體碳化復(fù)合粉末等離子熔覆的最佳工藝參數(shù)為：工作電流300 A，工作電壓30 V，送粉量30 g/min，掃描速度500 mm/min，工作氣(Ar)流量2.5 L/min，送粉氣(Ar)流量3 L/min。

涂層試樣經(jīng)過(guò)電火花線(xiàn)切割、鑲樣(電木粉)、磨樣、拋光、腐蝕和噴碳等步驟制備成金相試樣。腐蝕劑成分為: HF∶濃HNO3∶H2O=4∶4∶92(體積百分比)，腐蝕時(shí)間5 min。在NephotⅡ型臥式光學(xué)金相顯微鏡上觀察分析等離子熔覆涂層低倍顯微組織；在日立S-3400型掃描電子顯微鏡上觀察分析等離子熔覆涂層的高倍顯微組織，并用該掃描電鏡觀察分析室溫干滑動(dòng)磨損試樣、高溫滑動(dòng)磨損試樣橫截面組織，用掃描電鏡自帶的OXFORD 7021能譜儀對(duì)等離子熔覆涂層、室溫干滑動(dòng)磨損及高溫滑動(dòng)磨損表面及磨屑進(jìn)行成分分析；利用Rigaku D/max 2200 PC自動(dòng)X射線(xiàn)衍射儀對(duì)等離子熔覆等離子熔覆涂層進(jìn)行物相分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Ti的添加方式與含量對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)的影響

由于Ti的化學(xué)性質(zhì)活潑，極易發(fā)生氧化形成鈦的氧化物，對(duì)涂層產(chǎn)生有害相。另外，在制備等離子熔覆涂層時(shí)，等離子弧所產(chǎn)生的高溫在形成熔池的同時(shí)，也熔化了合金粉，促使粉末中的Ti元素和C元素直接發(fā)生反應(yīng)合成TiC相，致使熔池的熔點(diǎn)提高，不能有效地形成熔池，熔池的流動(dòng)性也變差，從而使涂層的成形困難。另外，純鈦粉的工業(yè)成本較高，使Fe-Cr-Ti-C熔覆粉末末存在生產(chǎn)成本過(guò)高的缺點(diǎn)。以鈦鐵粉替代純鈦粉形成了Fe-Cr-Ti-C熔覆粉末。用鈦鐵粉末作為反應(yīng)TiC增強(qiáng)相的原料，已有很多研究者做了研究。鈦鐵(FeTi)中含有Ti元素和Fe元素。由Fe-Ti二元合金相圖知，純Ti的熔點(diǎn)為1 670 ℃，純Fe熔點(diǎn)為1 538 ℃，而鈦鐵共晶的最低溫度為1 085 ℃，比兩者都低。因此，前驅(qū)體碳化等離子熔覆高鉻鐵基涂層合金粉中加入鈦鐵，既提供了合成TiC所需的Ti元素，又提供了形成基體的Fe元素，還能夠有效降低熔池的熔點(diǎn)，促進(jìn)熔池流動(dòng)性，提高涂層的性能。因此在以上試驗(yàn)成分設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，選用Cr粉(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))30%、Fe粉42%和純鈦粉或鈦鐵粉23%，以16.13%的蔗糖為前驅(qū)體制備Fe-Cr-Ti-C熔覆粉末，進(jìn)行等離子熔覆制備Fe-Cr-Ti-C涂層，研究Ti的添加方式對(duì)Fe-Cr-Ti-C涂層組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

從圖1可明顯看出，涂層顯微組織結(jié)構(gòu)為大量的灰黑色等軸狀和樹(shù)枝晶狀相。圖2是加入鈦鐵粉的Fe-Cr-Ti-C涂層的顯微組織結(jié)構(gòu)照片，從圖2(b)可以看出，加入鈦鐵粉的 Fe-Cr-Ti-C涂層的顯微組織結(jié)構(gòu)與加入純鈦粉的 Fe-Cr-Ti-C涂層類(lèi)似，也是由奧氏體、共晶碳化物(Cr,Fe)7C3和反應(yīng)合成的TiC相組成。由圖2中的(a)、(c)、(e)可以看出，涂層的熔合區(qū)的TiC顆粒含量較少，中部區(qū)域稍多，表面區(qū)域最多。對(duì)比圖2(a)和圖1可以看出，與加入純鈦粉Fe-Cr-Ti-C涂層類(lèi)似，加入鈦鐵粉的 Fe-Cr-Ti-C涂層的表層組織更易形成樹(shù)枝狀TiC相。從圖2中(b)、(d)也可以看出，涂層的熔合區(qū)和中部區(qū)域TiC顆粒形狀大多呈等軸狀，涂層的表層區(qū)域大部分TiC顆粒形狀呈現(xiàn)樹(shù)枝狀。

Fe-Cr-Ti-C涂層中TiC含量對(duì)涂層的硬度和耐磨性有很大的影響，隨著TiC含量的增加，涂層的硬度和耐磨性都會(huì)增加，所以一般在不影響涂層形成的條件下，盡可能增加涂層中的TiC含量。在試驗(yàn)中選用4種TiC含量作為研究試樣，試樣粉末組成如表1所示，理論計(jì)算的TiC含量分別為10.58%、13.52%、18.21%和21.15%。

圖1 加入純鈦鐵粉的Fe-Cr-Ti-C涂層的表層組織結(jié)構(gòu)

(a)表層低倍組織

(b)表層高倍組織

(c)中部低倍組織

(d)中部高倍組織

(e)熔合區(qū)低倍組織

圖3是不同Ti含量對(duì)Fe-Cr-Ti-C涂層表層組織結(jié)構(gòu)。與圖3(b)相比較，可以發(fā)現(xiàn)，圖3(a)試樣中TiC體積含量較低，大部分TiC相以等軸狀出現(xiàn)，部分TiC相為枝晶狀。共晶相(Cr,Fe)7C3含量非常多，奧氏體含量較少。圖3(c)試樣中TiC含量較高，TiC體積含量較高，等軸狀TiC相減少，枝晶狀TiC相增多。大部分TiC相團(tuán)聚在一起，出現(xiàn)裂紋缺陷。共晶相(Cr,Fe)7C3明顯減少，大部分為奧氏體。由圖3可知，3個(gè)試樣中主要是鈦含量和鐵含量不一樣，其他成分一樣，主要考查了鈦含量對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響。在3種試樣中鉻含量和碳含量主要是高鉻鐵提供的C和Cr含量，分別占5%和30%。因此，隨著碳化復(fù)合粉中Ti含量的增加，F(xiàn)e-Cr-Ti-C系反應(yīng)等離子熔覆涂層發(fā)生了4方面的變化：①TiC體積含量增加；②TiC相形態(tài)發(fā)生了變化，從等軸狀逐漸向樹(shù)枝狀或TiC顆粒聚集變化；③共晶(Cr,Fe)7C3體積含量逐漸減少；④奧氏體體積含量逐漸增多。

(a)18%

(b)23%

(c)31%

通過(guò)對(duì)所制備的碳化復(fù)合粉末進(jìn)行等離子熔覆時(shí)發(fā)現(xiàn)，理論TiC含量為21.92%的試樣的合金粉末所制備的涂層表面有一些松散粉末的堆積，涂層成形不好，無(wú)法使用。產(chǎn)生這種情況主要原因是鈦鐵合金粉末中的Ti與C相互反應(yīng)合成TiC含量較高，TiC為高熔點(diǎn)物質(zhì)，它的形成會(huì)影響熔液的黏度。另外，基體中的碳含量較少。碳與鉻的共晶相減少，致使熔池的熔點(diǎn)升高，涂層的成形性能變差，不能形成有效的涂層。

2.2 C含量對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)的影響

Fe-Cr-Ti-C熔覆粉末中的C含量對(duì)Fe-Cr-Ti-C涂層的性能有顯著影響。碳提供了反應(yīng)合成TiC需要的C原子，使TiC獲得足夠的碳源，以獲得良好性能。多余碳與基體中鉻可生成鉻的碳化物。因此，在試驗(yàn)中選用4種不同C含量的碳化復(fù)合粉作為研究對(duì)象，試樣粉末組成如表2所示，理論計(jì)算的C含量分別為4%、5%、6%和7%。

表2 等離子熔覆涂層碳化復(fù)合粉組分表 %

(a)4%

(b)5%

(c)6%

圖4是不同碳含量下的涂層表層組織結(jié)構(gòu)的SEM照片。從圖4(a)中可以看出，試樣中TiC大部分以等軸狀出現(xiàn)，共晶相(Cr,Fe)7C3含量非常少，奧氏體含量較多。與(a)相比較，(b)中的試樣TiC相主要有兩種形態(tài)，大約有一半TiC相呈現(xiàn)等軸狀，另外一半TiC相呈現(xiàn)樹(shù)枝狀。試樣中的共晶相(Cr,Fe)7C3含量增多，奧氏體含量減少。與(a)和(b)相比較，(c)試樣中TiC相大部分為樹(shù)枝狀。共晶相(Cr,Fe)7C3明顯增多，奧氏體較少。

由表2可以知道，3個(gè)試樣中主要是碳含量和鐵含量不一樣，其他成分一樣，主要考查了碳含量對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)的影響。鈦含量在5#、6#、7# 3種試樣中的含量10.81%，與之相應(yīng)的C/Ti原子比分別為1.48、1.85和2.22。因此，隨著C含量的增加，等離子熔覆復(fù)合涂層發(fā)生了三方面的變化：①TiC相的形態(tài)發(fā)生了變，從大部分為等軸狀，逐漸變化為較多的樹(shù)枝狀或TiC顆粒團(tuán)聚；②共晶碳化物(Cr,Fe)7C3體積含量逐漸增多；③奧氏體體積含量逐漸減少。

通過(guò)對(duì)所制備的碳化復(fù)合粉末進(jìn)行等離子熔覆，發(fā)現(xiàn)理論C/Ti原子比為2.59的試樣的涂層表面有一些松散粉末的堆積，涂層成形不好，無(wú)法使用。產(chǎn)生這種情況主要原因之一是因?yàn)殁佽F合金粉末中的Ti與C相互反應(yīng)合成TiC含量較高，基體中的碳含量較少。碳與鉻的共晶相減少，致使熔池的熔點(diǎn)升高，涂層的成形性能變差，不能形成有效的涂層。原因之二是因?yàn)樵撛嚇拥奶己枯^高，包覆在碳化復(fù)合粉粒外層碳厚度較厚，在向熔池送粉過(guò)程中，不易被熔池所捕獲。

2.3 Cr含量對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)的影響

從上面分析可知，高鉻Fe-Cr-C合金里的鉻一方面和碳、鐵相互作用，形成碳化物；另一方面，部分鉻還溶解于基體中，鉻的增加將使碳化物和基體的含鉻量都增加，直接影響涂層的性能。表3是Cr含量不同時(shí)等離子熔覆涂層碳化復(fù)合粉組分表，主要研究Cr含量對(duì)涂層組織的影響。

圖5是Cr含量不同的Fe-Cr-Ti-C涂層表層組織結(jié)構(gòu)。與圖5(b)組織結(jié)構(gòu)相比較，可以發(fā)現(xiàn)，(a)中TiC相呈現(xiàn)大量等軸狀、棒狀和樹(shù)枝狀等形狀。共晶相(Cr,Fe)7C3明顯減少，大部分為奧氏體。圖5(c)中TiC相呈現(xiàn)大量等軸狀，有少量的TiC呈現(xiàn)聚集狀。共晶相(Cr,Fe)7C3含量非常多，奧氏體含量較少。因此，隨著鉻含量的增加，TiC相的形態(tài)也發(fā)生變化，從樹(shù)枝狀向等軸狀發(fā)展，共晶相(Cr,Fe)7C3逐漸增加，奧氏體逐漸減少。

表3 Cr含量不同的等離子熔覆涂層碳化復(fù)合粉組分表 %

(a) 25%

(b) 30%

(c) 35%

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 以鈦粉或鈦鐵粉、鉻粉、鐵粉和碳的前驅(qū)體(有機(jī)物)為原料，通過(guò)前驅(qū)體碳化復(fù)合技術(shù)制備Fe-Cr-C-Ti等離子熔覆復(fù)合粉末，通過(guò)反應(yīng)等離子熔覆技術(shù)制備了等離子熔敷Fe-Cr-C-Ti涂層。

(2) 隨著C含量的增加，共晶(Cr,Fe)7C3相逐漸增加，奧氏體相減少，TiC顆粒形態(tài)從等軸狀向樹(shù)枝狀轉(zhuǎn)變。隨著Ti含量的增加，TiC顆粒的尺寸逐漸增加，形態(tài)從等軸狀向樹(shù)枝狀和團(tuán)聚狀轉(zhuǎn)變，共晶(Cr,Fe)7C3逐漸減少，奧氏體相逐漸增加。隨著Cr含量的增加，共晶(Cr,Fe)7C3逐漸增加，奧氏體相逐漸減少，TiC顆粒形態(tài)從樹(shù)枝狀向等軸狀轉(zhuǎn)變。本研究試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)Fe-Cr-Ti-C熔覆粉末中含4%～6%C、25%～35% Cr、8%～13%Ti時(shí)，涂層組織性能最佳。

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