張群莉，姚中志，周塘，姚建華，Volodymyr S. Kovalenkoa,2

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前驅(qū)體對(duì)激光熔覆復(fù)合溶膠凝膠制備陶瓷涂層的影響

張群莉1，姚中志1，周塘1，姚建華1，Volodymyr S. Kovalenko1a,2

（1.浙江工業(yè)大學(xué) a.激光先進(jìn)制造研究院 b.機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310014； 2.烏克蘭國立科技大學(xué) 激光技術(shù)研究所，烏克蘭 基輔 03056）

研究不同前驅(qū)體配比下，激光熔覆復(fù)合溶膠凝膠在3Cr13不銹鋼表面制備的陶瓷涂層的性能，并對(duì)強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行分析。通過溶膠凝膠法制備均勻的前驅(qū)體，即TiO2和C（微米石墨和碳納米管），利用激光熔覆技術(shù)，在3Cr13不銹鋼基體表面制備出高性能的涂層。采用光學(xué)顯微鏡、X射線衍射儀、掃描電鏡和能譜儀對(duì)涂層組織和相成分進(jìn)行分析，采用維氏硬度計(jì)對(duì)涂層的硬度進(jìn)行測試，采用HT-600型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試基體和熔覆層在常溫下的磨損性能。通過溶膠凝膠法，制備出均勻的TiO2和C混合粉末。激光熔覆后，在覆層中均勻分布著TiC和Cr7C3強(qiáng)化相。改變前驅(qū)體配比，當(dāng)C和TiO2的摩爾比增大時(shí)，涂層組織明顯細(xì)化，且涂層中無氣孔，顯微硬度也有較大提高。當(dāng)(TiO2)∶(C)=1∶8時(shí)，次表面顯微硬度達(dá)到810HV0.2，涂層硬度從上到下呈現(xiàn)遞減的趨勢，且涂層的耐磨性最好，為基體的4.5倍。增大C和TiO2兩者摩爾比，可以提高熔覆層的顯微硬度和耐磨性。在熔池中，TiC密度較小，涂層中硬質(zhì)顆粒從上到下依次減少，與之對(duì)應(yīng)，硬度也依次遞減。同時(shí)，碳納米管的加入將對(duì)涂層起到細(xì)晶強(qiáng)化的效果。Ti與碳納米管和微米石墨結(jié)合生成微米級(jí)和亞微米級(jí)TiC，提高了形核率，Cr7C3以亞微米級(jí)TiC為非均質(zhì)核心，形核長大，生成均勻分布的Cr7C3強(qiáng)化相。

激光熔覆；溶膠凝膠；3Cr13不銹鋼；TiC；Cr7C3；碳納米管

3Cr13不銹鋼具有較高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐蝕性，故經(jīng)常被用在汽輪機(jī)葉片、刀具等零件上[1-3]。3Cr13不銹鋼制作的零部件在使用過程中易出現(xiàn)磨損、腐蝕等損傷而失效，表面強(qiáng)化技術(shù)可進(jìn)一步提高零部件的性能，延長其使用壽命[4]。陶瓷相是一種耐高溫和耐磨的強(qiáng)化相[5]，故可以通過電弧離子鍍[6]、氣相沉積[7]、激光熔覆[8-9]等方法在材料表面制備一層高性能的陶瓷涂層，達(dá)到表面改性的目的。TiC具有優(yōu)異的性能，如熔點(diǎn)高、硬度高，具有良好的高溫穩(wěn)定性能和化學(xué)穩(wěn)定性能，故TiC陶瓷涂層被廣泛地用于切削工具[10]。碳化鉻陶瓷涂層是一種具有高耐蝕、高耐磨性能的材料，通常用作金屬表面復(fù)合涂層的增強(qiáng)材料[11]。Liu等[12]為了提高γ-TiAl金屬間化合物的耐磨性，對(duì)不同組成的NiCr-Cr3C2混合粉末進(jìn)行激光熔覆，得到了γ/Cr7C3/TiC復(fù)合涂層，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所制備的涂層耐磨性比γ-TiAl合金基體提高了3~5倍，耐磨性的增強(qiáng)與涂層中Cr7C3和TiC增強(qiáng)相的性能密切相關(guān)。李浩等[13]通過添加Ti粉，在均勻分布著CNTs的304不銹鋼表面，采用激光熔覆技術(shù)制備了TiC-Cr7C3-CNTs增強(qiáng)涂層，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，涂層中均勻分布著原位合成的TiC和Cr7C3陶瓷相以及未反應(yīng)完全的CNTs，所制備的涂層平均硬度達(dá)到365HV0.2，耐磨性和耐腐蝕性大大提高。Zhang等[14]通過電火花沉積和激光熔覆工藝，在Monel合金表面對(duì)Inconel 625合金粉末和Ni基合金粉末進(jìn)行激光熔覆，制備了強(qiáng)化涂層，涂層顯微硬度顯著增加，涂層中析出了Cr7C3、Cr23C6強(qiáng)化相。TiC和碳化鉻復(fù)合陶瓷能顯著增強(qiáng)基體的硬度和耐磨性，但是大多數(shù)研究都是在熔覆粉末中直接加入陶瓷相、陶瓷反應(yīng)物或者陶瓷相與CNTs的混合物。TiC和碳化鉻陶瓷相通常與基體的熱物性參數(shù)相差很大，碳納米管與微米尺度的粉末難以混合均勻，激光熔覆后，涂層表面易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致涂層開裂。因此，陶瓷相的加入方式和熔覆材料的組裝方法，是影響激光熔覆陶瓷強(qiáng)化涂層性能與均勻性的重要因素。

溶膠凝膠法復(fù)合激光熔覆制備陶瓷涂層，通過溶膠凝膠法制備均勻的前驅(qū)體，反應(yīng)物在溶膠凝膠過程中制備并均勻混合，激光熔覆過程中發(fā)生原位反應(yīng)，在涂層中生成均勻的陶瓷強(qiáng)化相，熔覆層和基體結(jié)合良好，所獲得的涂層性能優(yōu)良。作者團(tuán)隊(duì)[15-17]前期采用激光熔覆復(fù)合溶膠凝膠的辦法，在45鋼表面制備了TiC和TiB2陶瓷涂層，結(jié)果表明，原位反應(yīng)生成的陶瓷涂層性能較原基體材料大大提高，涂層無裂紋、氣孔等缺陷。激光熔覆復(fù)合溶膠凝膠法制備的陶瓷涂層具有非常廣闊的應(yīng)用前景，本文在3Cr13不銹鋼表面采用該方法制備TiC和碳化鉻陶瓷增強(qiáng)涂層，選用不同配比的前驅(qū)體，研究碳源對(duì)涂層形貌的影響和對(duì)選擇原位反應(yīng)的作用，對(duì)涂層性能進(jìn)行表征，并對(duì)原位生成TiC和Cr7C3強(qiáng)化相的機(jī)理進(jìn)行探討。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 基體材料

實(shí)驗(yàn)基材為退火態(tài)3Cr13板材，硬度為233HB，尺寸為100 mm×50 mm×10 mm，經(jīng)過砂紙打磨，去除表面氧化層和銹跡后，采用無水乙醇清洗干凈，然后放入80 ℃恒溫培養(yǎng)箱中干燥1 h?；w的化學(xué)成分如表1所示。

表1 3Cr13不銹鋼基板的化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of 3Cr13 stainless steel substrate wt.%

1.2 溶膠凝膠粉末

本文采用溶膠凝膠工藝制備復(fù)合粉末，在前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)前驅(qū)體的配比進(jìn)行優(yōu)化，碳源為微米石墨和CNTs（質(zhì)量比為4∶1）。將一定質(zhì)量的碳源加入到由去離子水、無水乙醇和冰醋酸所制備的混合溶液中，攪拌并超聲震蕩，得到均勻懸濁液A。鈦酸四丁酯作為鈦源，逐滴加入到無水乙醇中，得到均勻透明的淡黃色溶液B。將懸濁液A緩慢倒入B中，加入適量十二烷基苯磺酸鈉和少量鹽酸，攪拌并靜置24 h進(jìn)行膠化，得到黑色溶膠，干燥研磨后，得到粉末狀前驅(qū)體。通過該方法制備的粉末狀前驅(qū)體中，TiO2和C物質(zhì)的量之比分別為1∶6、1∶7和1∶8。溶膠凝膠粉末的微觀形貌如圖1所示，粉體中主要存在3種不同的形態(tài)：片層塊狀物、暴露在表層的管狀物和粘附在表層的白色顆粒。對(duì)混合粉體的各種成分進(jìn)行EDS分析（表2），可以得出，片層塊狀物和管狀物主要成分為C，白色顆粒的Ti、O原子比大約為1∶2。結(jié)合添加物分析，片層塊狀物為微米石墨，暴露在表層的管狀物為CNTs，白色顆粒為溶膠凝膠法生成的TiO2顆粒。

圖1 不同配比的前驅(qū)體SEM圖像

表2 粉末EDS結(jié)果分析

Tab.2 EDS results of powder at.%

1.3 激光熔覆實(shí)驗(yàn)

由于采用溶膠凝膠方法制備的粉末狀前驅(qū)體粒徑較小，所以采用粉末預(yù)置法，將粉末均勻鋪覆在基體表面，鋪粉厚度為0.5 mm，然后用無水乙醇使粉末表面潤濕，將得到的預(yù)置層放入保溫箱中干燥。采用該方法得到的預(yù)置層能夠?qū)⒎勰┚o密結(jié)合在一起，并與基體有很強(qiáng)的粘附力。本次實(shí)驗(yàn)使用2 kW光纖耦合半導(dǎo)體激光器，在Ar氣保護(hù)裝置下進(jìn)行激光熔覆，工藝參數(shù)為：激光功率1500 W，掃描速度5 mm/s，保護(hù)氣流量20 L/min，光斑直徑4 mm，搭接率30%。

用線切割機(jī)對(duì)熔覆件進(jìn)行切割，打磨拋光后，用化學(xué)腐蝕（腐蝕劑為5 g FeCl3+95 ml C2H5OH+5 ml HCl配制而成），制成金相試樣。采用ZEISS光學(xué)顯微鏡觀察試樣的金相顯微組織，采用ZEISS EVO18型掃描電鏡（SEM）觀察組織特征，用BRUKERX Flash 6130能譜儀（EDS）進(jìn)行成分分析，并用X’Pert PRO型X射線衍射儀（XRD）對(duì)涂層表面進(jìn)行物相測試。采用HMV-2TADWXY型自動(dòng)式維氏硬度計(jì)測量試樣的顯微硬度，所用載荷為200 g，加載時(shí)間為10 s。采用HT-600型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試基體和熔覆層在常溫下的磨損性能，對(duì)磨副為直徑5 mm的氮化硅陶瓷球，磨損試驗(yàn)對(duì)磨面接觸方式為平面-曲面的接觸形式，轉(zhuǎn)速為350 r/min，磨損時(shí)間為2 h，負(fù)載為1000 g，摩擦半徑為3 mm。采用精度為0.01 mg的電子天平，稱取摩擦前后試樣的質(zhì)量，從而得到質(zhì)量損失。

2 結(jié)果與討論

2.1 熔覆層橫截面形貌

圖2為前驅(qū)體中TiO2與C物質(zhì)的量之比分別為1∶6、1∶7和1∶8時(shí)所制備涂層的橫截面金相圖。由圖可以看出，3組試樣表面都有微熔現(xiàn)象，其中(TiO2)∶(C)=1∶6和(TiO2)∶(C)=1∶7的前驅(qū)體所制備涂層中存在氣孔。這是因?yàn)樵谌鄢刂?，CNTs和微米石墨與TiO2發(fā)生原位反應(yīng)，生成了CO氣體，由于激光加工具有快速冷卻的特性，熔池中的氣體來不及排出，在熔池中生成氣孔。具體反應(yīng)過程如下：

從圖2中可以明顯看出，隨著C含量的增大，氣孔減少，致密性提高。當(dāng)(TiO2)∶(C)=1∶8時(shí)，涂層中沒有氣孔的存在。隨著碳含量的增大，涂層的組織有細(xì)化趨勢。這是因?yàn)椋悍勰┲泻械腃NTs在起著物理架構(gòu)作用的同時(shí)，還會(huì)與熔池中的其他元素結(jié)合。CNTs比微米石墨比表面積大，碳原子主要為sp2雜化，含有碳碳雙鍵結(jié)構(gòu)，反應(yīng)過程中所需能量相對(duì)較低，容易與其他物體反應(yīng)，在相同的激光工藝參數(shù)下，會(huì)加快反應(yīng)的進(jìn)行，原位反應(yīng)生成碳化物強(qiáng)化相，從而起到晶粒細(xì)化的作用。同時(shí)，CNTs是一種細(xì)小的管狀粉末，受熱易團(tuán)聚。當(dāng)(TiO2)∶(C)=1∶8時(shí)，CNTs含量相對(duì)增大，部分CNTs直接與TiO2反應(yīng)生成TiC，另一部分CNTs受熱形成團(tuán)簇，團(tuán)簇的表面活性較低，與TiO2直接反應(yīng)能力減弱，隨著溫度進(jìn)一步升高，團(tuán)簇的碳元素在熔池中溶解，熔池中的鈦元素與碳元素直接結(jié)合析出TiC，此過程降低了反應(yīng)的劇烈程度，使氣體更容易從熔池中排出，從而獲得高質(zhì)量的涂層。

圖2 不同配比前驅(qū)體下激光熔覆層橫截面形貌

2.2 相分析

圖3為不同配比前驅(qū)體下3Cr13不銹鋼熔覆層表面XRD圖譜。由圖3可知，3種前驅(qū)體下制備的涂層XRD圖譜基本相同，涂層物相主要包括γ-Fe、Cr7C3、TiC、Cr23C7?？梢宰C明，在激光熔覆條件下，溶膠凝膠粉末通過反應(yīng)，原位生成了TiC和Cr7C3強(qiáng)化相，這兩種強(qiáng)化相具有高硬度和高耐磨性，從而得到了所需的鐵基高硬度耐磨涂層，且涂層中還有(Cr,Fe)7C3固溶強(qiáng)化相。當(dāng)(TiO2)∶(C)=1∶8時(shí)，XRD圖像的峰值有所降低，這說明改變碳源含量會(huì)改變涂層中生成的強(qiáng)化相含量，但不會(huì)改變涂層的相組成。

圖3 不同配比前驅(qū)體下(n(TiO2)∶n(C))激光熔覆涂層表面XRD分析

2.3 顯微組織

圖4為使用不同配比的前驅(qū)體得到的熔覆層SEM照片?？梢钥闯觯?種配比下得到的涂層組織特征各不相同，表現(xiàn)為隨著碳含量的增大，涂層組織更加細(xì)密。當(dāng)(TiO2)∶(C)=1∶6時(shí)，涂層中分布著大量粒徑為2 μm左右的黑色顆粒；(TiO2)∶(C)=1∶7和(TiO2)∶(C)=1∶8時(shí)，涂層中的顆粒組織較少。采用高倍SEM圖像對(duì)涂層組織進(jìn)行觀察，對(duì)涂層中主要存在的不規(guī)則顆粒狀組織A、灰色板條網(wǎng)狀組織B和灰白色組織C做EDS分析（表3）。由EDS點(diǎn)掃描和面掃描分析可知，黑色顆粒A主要由C元素和Ti元素組成，且比例接近1∶1，結(jié)合XRD分析可知，該黑色顆粒為原位反應(yīng)生成的TiC顆粒；灰色板條網(wǎng)狀組織B主要由C元素和Cr元素組成，且比例接近3∶7，結(jié)合XRD分析可知，該組織主要成分為Cr7C3；灰白色組織C中含有C元素和Cr元素，并有大量的Fe元素，故推測該組織主要為Fe、Cr與C元素結(jié)合的固溶體，由XRD物相分析結(jié)果可知，該組織為(Fe,Cr)7C3。從上面的結(jié)論分析可知，涂層中主要存在TiC、(Fe,Cr)7C3和Cr7C3三種組織。同時(shí)，通過對(duì)比還可以看出，隨著碳含量的增大，生成的TiC強(qiáng)化顆粒尺寸更加細(xì)小。當(dāng)(TiO2)∶(C)=1∶6和(TiO2)∶(C)=1∶7時(shí)，涂層中生成微米級(jí)（1.68 μm和1.12 μm）的TiC顆粒；(TiO2)∶(C)=1∶8時(shí)，涂層中生成了亞微米級(jí)（891 nm）的TiC顆粒?？芍荚矗–NTs和微米石墨）含量增大對(duì)涂層組織細(xì)化有影響，更容易生成亞微米級(jí)的強(qiáng)化相。

圖4 不同配比前驅(qū)體下強(qiáng)化涂層的SEM圖像

表3 不同前驅(qū)體下涂層中各組織EDS分析

Tab.3 EDS analysis of each tissue in the coating under different precursors at.%

2.4 涂層的顯微硬度及耐磨性

圖5為熔覆層橫截面的顯微硬度分布曲線。如圖5所示，激光熔覆試樣的硬度由表至里呈梯度遞減，熔覆層表面硬度較高。本實(shí)驗(yàn)采用預(yù)置粉末的方法，碳源在前驅(qū)體粉末中，激光熔覆時(shí)，熔池上部碳含量相對(duì)較高，碳含量富集會(huì)促進(jìn)碳化物強(qiáng)化相的析出和生成；在熔池中，原位生成的Cr7C3、(Fe,Cr)7C3和TiC的密度相對(duì)較小，在冷卻過程中上浮，導(dǎo)致熔覆層表層增強(qiáng)相比中下部含量高，表現(xiàn)為涂層的顯微硬度由表及里呈梯度下降。

圖5 不同配比前驅(qū)體下涂層的顯微硬度分布

隨著(TiO2)∶(C)的增大，涂層硬度隨之增大。當(dāng)(TiO2)∶(C)=1∶8時(shí)，涂層中的平均顯微硬度可達(dá)750HV0.2，高于其他兩種前驅(qū)體配比下所制備涂層的硬度。在激光熔覆過程中，熔覆層中原位生成的TiC和Cr7C3硬質(zhì)相會(huì)對(duì)涂層起到彌散強(qiáng)化的作用，從而提高涂層的硬度。在此比例下，TiC強(qiáng)化顆粒細(xì)小，由于TiC為FCC型結(jié)構(gòu)，在熔池中與鋼液的潤濕性良好，凝固過程中能作為Cr7C3的形核基底，生成更多的Cr7C3強(qiáng)化相[18]。此外，Cr和Ti等合金元素固溶于基體中，形成過飽和固溶體(Fe,Cr)7C3，也起到了一定的強(qiáng)化作用。

圖6為三種不同配比前驅(qū)體下得到的涂層及基體的磨損質(zhì)量損失。經(jīng)過2 h干摩擦試驗(yàn)，基體質(zhì)量損失最大，為0.009 00 g；(TiO2)∶(C)=1∶6時(shí)，涂層的質(zhì)量損失為0.003 24 g；(TiO2)∶(C)=1∶7時(shí)，涂層的質(zhì)量損失為0.002 88 g；(TiO2)∶(C)=1∶8時(shí)，涂層質(zhì)量損失為0.001 98 g。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，相比基體，不同前驅(qū)體下激光熔覆得到的涂層耐磨性大大提升，增大碳含量，可有效提高涂層的耐磨性，當(dāng)(TiO2)∶(C)=1∶8時(shí)，涂層的耐磨性最好，為基體的4.5倍。

圖6 不同試樣的磨損質(zhì)量損失

圖7為不同配比前驅(qū)體下得到的涂層和基體的表層磨損微觀形貌。從圖7可以看出，磨損表面分布著許多細(xì)小的犁溝，并有開裂和粘著剝落的現(xiàn)象。在摩擦磨損試驗(yàn)過程中，磨球不停地與表層摩擦，此過程為犁削效應(yīng)，會(huì)在涂層表面形成淺犁溝。由于基體相對(duì)較軟，基體表層磨損主要為粘著磨損。隨著C含量的增大，可以看出，粘著剝落現(xiàn)象明顯減少，當(dāng)(TiO2)∶(C)=1∶8時(shí)，涂層表層的磨損為磨粒磨損和粘著磨損，這是因?yàn)橥繉又蠺iC強(qiáng)化相起支撐作用，而Cr7C3起到了耐磨骨架的作用。在TiC強(qiáng)化相和Cr7C3強(qiáng)化相的共同作用下，磨球的犁削效果降低，涂層的耐磨性大大增強(qiáng)。

圖7 不同試樣的微觀磨損形貌

2.5 合成機(jī)理分析

由熱力學(xué)分析可知，物體化學(xué)反應(yīng)的速度主要與吉布斯自由能有關(guān)，且標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變與溫度存在近似的函數(shù)關(guān)系：

在本實(shí)驗(yàn)中，主要考慮存在3種體系的反應(yīng)，分別為Cr-C、Fe-C、Ti-C，化學(xué)反應(yīng)方程式如下[19]：

圖8 熔池中合金凝固析出曲線

在TiC富集或形成大硬質(zhì)相時(shí)，Cr7C3會(huì)以TiC作為有效的形核質(zhì)點(diǎn)，形核并長大。由圖4的SEM照片可以清楚地看到，在TiC周圍，生成了Cr7C3強(qiáng)化相。這是因?yàn)樵赥iC周圍存在C元素富集區(qū)域，Cr7C3在生長時(shí)，依附TiC表面形核，周圍的Cr元素和C元素迅速結(jié)合，生成Cr7C3。

當(dāng)(TiO2)∶(C)=1∶8時(shí)，從SEM圖像中可以得知，初生(Fe,Cr)7C3碳化物和Cr7C3會(huì)因?yàn)樯傻腡iC強(qiáng)化相粒徑變小而細(xì)化。這是因?yàn)?，?dāng)TiC析出時(shí)，形核數(shù)量增加，此時(shí)非均質(zhì)形核的阻力主要來自于形核基底與生成的強(qiáng)化相之間的界面能，而界面能主要由原子之間的鍵能和原子的點(diǎn)陣畸變能構(gòu)成，在本實(shí)驗(yàn)中，點(diǎn)陣畸變能是決定界面能的主要因素，而原子錯(cuò)配度是決定畸變能的主要因素[20]。由Bra-m-fitt[21]的實(shí)驗(yàn)結(jié)論可知，二維點(diǎn)陣錯(cuò)配度的定義公式為：

3 結(jié)語

1）采用激光熔覆復(fù)合溶膠凝膠技術(shù)，在3Cr13不銹鋼表面原位合成了TiC-Cr7C3增強(qiáng)涂層，涂層與基體結(jié)合良好。

2）改變TiO2與C的摩爾比，可以調(diào)節(jié)涂層中生成的組織形態(tài)。當(dāng)(TiO2)∶(C)=1∶8時(shí)，涂層中晶粒細(xì)化明顯，顯微硬度比基體大大提高，且硬度由表及里呈現(xiàn)遞減趨勢，最高可達(dá)到810HV0.2，耐磨性最好，為基體的4.5倍。涂層的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和粘著磨損。

3）激光熔覆時(shí)，TiC顆粒優(yōu)先生成，增大C源的配比，能夠促進(jìn)原位反應(yīng)的進(jìn)行，生成亞微米級(jí)的TiC，并在周圍形成一層富含C元素的區(qū)域，TiC可作為非均質(zhì)形核點(diǎn)，Cr元素與C元素結(jié)合，以TiC為非均質(zhì)核心長大生成Cr7C3，在涂層中均勻分布。

4）CNTs的加入可以加快原位反應(yīng)的進(jìn)行，使涂層中更加容易生成微米級(jí)和亞微米級(jí)的TiC強(qiáng)化相，還可以提高細(xì)晶強(qiáng)化的效果。

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Effect of Precursor on Preparation of Ceramic Coating by Laser Cladding Composite Sol-Gel

1,1,1,1,1a,2

(1.a.Institute of Laser Advanced Manufacturing, b.School of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China; 2.Laser Technology Research Institute, National Technical University of Ukraine “Kiev Polytechnic Institute”, Kiev 03056, Ukraine)

The work aims to study the properties of the ceramic coating of 3Cr13 stainless steel prepared by laser cladding composite sol gel under the different ratios of precursor, and analyze the strengthening mechanism. A homogeneous precursor of TiO2and C (micro-graphite and carbon nanotubes (CNTs)) was prepared by sol-gel method, and a high-performance coating was prepared on the surface of the 3Cr13 stainless steel substrate by laser cladding. The microstructure and phase composition of the coating were analyzed by optical microscopy (OM), X-ray diffractometry (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS). The hardness of the coating was tested by Vickers hardness tester and the wear resistance of substrate and cladding layer was tested by HT-600 high temperature friction machine. A homogeneous mixed powder of TiO2and C could be prepared by the sol-gel method. The TiC and Cr7C3strengthening phases were uniformly distributed in the cladding layer. If the precursor ratio was changed, when the moral ratio of C and TiO2increased, the coating structure was remarkably refined, there was no pore in the coating, and the microhardness was also greatly improved. When(TiO2)∶(C) was 1∶8, the microhardness of subsurface reached 810HV0.2and the coating tended to decrease and had the best wear resistance which was 4.5 times that of the substrate. When the mole ratio of C and TiO2is increased, the microhardness and wear resistance of cladding layer can be improved. The hard particles in the coating gradually decreases from top to bottom when the TiC density is lower in the molten pool. Correspondingly, the hardness of the coating has a tendency of decrease. At the same time, the addition of CNTs has a fine grain strengthening effect on the coating. The Ti element combines with CNTs and micron graphite to form micro-scale TiC, and then Cr7C3will use micro-scale TiC as a nucleus to grow and form a wrap-like Cr7C3strengthening phase.

laser cladding; 3Cr13 stainless steel; sol-gel; TiC; Cr7C3; CNTs

2018-10-23；

2018-12-25

ZHANG Qun-li (1979—), Female, Doctor, Assistant professor, Research focus: laser hybrid manufacturing technology.

Supported by the National Natural Science Foundation of China (51605441), and the Zhejiang Provincial Commonweal Technology Application Research Project (2017C31048)

YAO Jian-hua (1965—), Male, Doctor, Professor, Research focus: laser surface modification technology and application. E-mail: laser@zjut.edu.cn

姚建華（1965—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)榧す獗砻娓男约夹g(shù)及應(yīng)用。郵箱：laser@zjut.edu.cn

TG174.442

A

1001-3660(2019)02-0001-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.02.001

2018-10-23；

2018-12-25

國家自然科學(xué)基金（51605441）；浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目（2017C31048）

張群莉（1979—），女，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榧す鈴?fù)合制造工藝技術(shù)及應(yīng)用。