司武東，戴思超，疏 達，江本赤，趙 壘，李維漢

(安徽工程大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

20#碳鋼的含碳量僅為0.2 %，具有良好的韌性和塑性而被廣泛應(yīng)用，如在安全閥、碳鋼管道和支架等。然而，其硬度低、耐磨性差的特性使其在使用過程中的接觸部位容易產(chǎn)生快速磨損失效。此外，在服役過程中，20#碳鋼管內(nèi)壁長期在冷熱循環(huán)和金屬流動的工況下產(chǎn)生劇烈摩擦，大大降低了管道的使用壽命。因此，提高其表面摩擦性能變得尤為重要。

激光熔覆作為一種新型的表面改性技術(shù)，原理是通過高能量激光束同時熔化粉末與基體，快速冷卻凝固后形成性能優(yōu)越的涂層[1-3]，在小尺寸和形狀復(fù)雜部件的增材制造方面有著廣闊的應(yīng)用前景。Ni基自熔性粉末作為激光熔覆的主要材料，已經(jīng)被眾多學(xué)者研究，何斌峰等[4]在Ti6Al4V基體上制備Ni25涂層，發(fā)現(xiàn)Ni元素會與基體中的Ti元素形成NiTi，NiTi2等金屬氧化物，顯著提高表面硬度，由基體180 ～ 200 HV提高至表層430 ～ 530 HV。于坤等[5]在TA15表面激光熔覆Ni基和Co基涂層，發(fā)現(xiàn)Ni基涂層的顯微硬度(1209 HV0.2)高于基體(330 HV0.2)和Co基(1072 HV0.2)，耐磨效果也比Co基涂層更好。張敏等[6]在40Cr基材上激光熔覆Ni基涂層，發(fā)現(xiàn)硬度和耐磨性得到顯著提升，顯微硬度為340 HV，高于基體(240 HV)，相對耐磨性提高到基體的2倍。由此可知，激光熔覆Ni基涂層可以有效提高基體材料的摩擦磨損性能。基于此，本文通過激光熔覆技術(shù)在20#碳鋼表面制備了Ni625涂層，分析了熔覆層的物相組成和顯微組織，并研究了熔覆層顯微硬度和摩擦磨損性能，最后采用基于密度泛函理論的第一性原理計算了熔覆層物相的彈性性質(zhì)，旨在為延長20#碳鋼使用壽命和激光表面改性工藝提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 涂層制備

激光熔覆采用Ni625合金粉末，顆粒直徑為75～105 μm，其形貌見圖1，可以看出，粉末顆粒大多呈球形，因此，具有良好的流動性,有效地避免了粉末團聚的發(fā)生。實驗基底材料選用20#碳鋼,表面經(jīng)磨平、丙酮去油、無水酒精擦拭、暖風(fēng)機吹干后備用。將20#碳鋼放置工作臺，開啟激光紅點測離焦量和設(shè)置起始點，光斑為圓形光斑，離焦量為40 mm。將IPG(Ytterbium Laser System-8000)激光器固定在川崎R系列六軸機器人RS050N，以同軸(氬氣)送粉方式進行激光熔覆實驗，激光功率設(shè)定為1600 W,激光掃描速度為12 mm/s，送粉速率為2.0 r/min，光斑大小為4 mm,熔覆過程中通入氬氣防止氧化，送粉氣流量為10 L/min，搭接率為50%，熔覆樣塊尺寸為40 mm×40 mm×1.4 mm。熔覆結(jié)束后，去除表面氧化皮，測定熔覆層厚度和表面溫度。

圖1 Ni625粉末SEM形貌

1.2 微觀結(jié)構(gòu)及顯微硬度分析

采用DK7732型電火花線切割機切出10 mm×10 mm×12 mm的熔覆樣塊，表面經(jīng)磨平、拋光和4%的硝酸酒精腐蝕后，用帶有能譜儀(EDS)的EM30AXP掃描電鏡觀察熔覆層組織，然后采用X射線衍射儀(XRD)對熔覆層的物相進行表征，掃描范圍是20°～90°，掃描速度為10°/min。最后采用HV1000顯微硬度計測試熔覆層截面到基體的維氏硬度分布情況，每隔0.1 mm測試一次，加載載荷為500 g，保載時間為10 s。

1.3 摩擦磨損測試

涂層經(jīng)線切割后取25 mm×25 mm×12 mm熔覆樣塊，采用HT-600摩擦磨損試驗機測試熔覆層的摩擦磨損性能，摩擦實驗采用常溫下球-平面轉(zhuǎn)盤干摩擦方式，對偶試樣為直徑10 mm的立方氮化硅(Si3N4)硬質(zhì)合金球體，設(shè)定實驗的法向載荷為5 N，轉(zhuǎn)速為400 r/min，摩擦半徑為5 mm，測試時間設(shè)定為30 min。摩損試驗過程中，采用計算機實時監(jiān)測摩擦系數(shù)隨時間的變化。試驗結(jié)束后，將樣塊在乙醇中超聲清洗10 min，再用暖風(fēng)機吹干，采用奧林巴斯LEXT OLS4100激光共聚焦顯微鏡測量磨痕深度，計算體積損失和計算磨損率，并采用SEM對磨痕表面進行觀察。

1.4 DFT計算方法

(1)

E是總能量，E0是平衡體積能量，V是體積，V0是平衡體積，B是體積模量，B'是體積模量一階導(dǎo)數(shù)。首先將原來的體積縮放為：0.950，0.960，

0.970，0.980，0.990，1.000，1.010，1.020，1.030，1.040，1.050，分別進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并通過B-M方程擬合計算得出平衡體積和體模量，最后以平衡晶格為基礎(chǔ)，借助VASPKIT平臺[8]，基于能量-應(yīng)變關(guān)系，通過施加7個不同應(yīng)變(-0.015 -0.010 -0.005 0.000 0.005 0.010 0.015)，計算得到立方晶系和正交晶系的獨立彈性常數(shù)、楊氏模量、剪切模量和泊松比。

(a)：Ni-Cr-Co-Mo；(b)：Fe-Cr。

2 結(jié)果與分析

2.1 激光熔覆層組織特性

圖3 熔覆層宏觀形貌(a)與基材和熔覆層表面圖譜(b)

激光熔覆層的顯微組織及面掃結(jié)果如圖4所示。由圖4a可以看出，熔覆層組織呈典型的樹枝晶結(jié)構(gòu)，A點為樹枝晶處，B點為樹枝晶間處。分別對A和B做點掃發(fā)現(xiàn)，兩點處的原子百分?jǐn)?shù)見表1?？梢钥闯鲋嶢點處的Cr、Fe原子比接近1∶1，枝晶間B處的Ni，Cr，Co，Mo的原子比接近1∶1。結(jié)合XRD圖譜分析可知，枝晶A處主要物相為FeCr，枝晶間B處的物相為NiCrCoMo。圖4b～g為面掃后得出的元素分布，通過圖像明暗程度可以定性地看出整個局域部分，Ni元素含量最高，Co元素含量最低，氧元素含量高于Co,說明在熔覆過程中，可能是空氣進入熔池發(fā)生了氧化反應(yīng)。

(a):熔覆層顯微組織形貌;(b)～ (g):熔覆層面掃元素分布。

表1 枝晶A處和枝晶間B處的化學(xué)成分(at.%)

2.2 顯微硬度分析

圖5為激光熔覆層由表及里的顯微硬度分布曲線，可以看出，熔覆層處的硬度值高達215 HV，且波動較小，高于基材的硬度(90 HV)。圖5中的熱影響區(qū)(HAZ)是基材和熔覆層的中間區(qū)域，在熔覆過程中，熔池處溫度最高，使處于熔池部位的基材發(fā)生了短暫性的淬火作用，所以(HAZ)處的硬度有所提高。通過上述XRD，SEM檢測發(fā)現(xiàn)了熔覆層中存在著Ni-Cr-Co-Mo固溶相，發(fā)生了固溶強化，提高了基材的顯微硬度。

圖5 激光熔覆層沿深度方向的硬度分布曲線

2.3 摩擦磨損分析

圖6a為基體和熔覆層摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線?？梢钥闯?，基材和熔覆層的摩擦系數(shù)曲線均可分為初始磨合和穩(wěn)定磨損兩個階段。在初始磨合階段，摩擦副表面的微凸體與涂層表面接觸，實際接觸面積小，接觸應(yīng)力大，表面微凸體被劇烈磨損，摩擦系數(shù)急劇升高。經(jīng)過一段時間的磨合，表面的微凸體被逐漸磨平，摩擦副間的接觸狀態(tài)得以改善而進入穩(wěn)定磨損階段，5 min后各個摩擦系數(shù)曲線均進入了穩(wěn)定磨損階段。基材和熔覆層的平均摩擦系數(shù)分別為0.968和0.907，熔覆層的平均磨擦系數(shù)比基體降低6.3%，說明激光熔覆制備的涂層具有較好的減摩效果。從圖6b可以直觀地看出20#鋼的磨痕表面更為粗糙，深淺波動劇烈，而熔覆層表面兩邊處在摩擦過程中，發(fā)生塑性變形，從而使磨屑在兩側(cè)堆積，最后被壓平，因此在兩邊處無明顯波動。通過共聚焦顯微鏡測出基材和熔覆層截面的表面積s，分別對應(yīng)圖紫色箭頭和黑色箭頭處，將s代入公式2，得出體積v即為各自的體積損失。

圖6 基底與涂層摩擦系數(shù)(a)及磨痕曲線(b)

v=s×l

(2)

式中：l=10π。

計算得出基體的體積損失為0.084 mm3,磨損率為0.001 12%，熔覆層的體積損失為0.041 mm3,磨損率為0.000 55%，基底的磨損率大約是熔覆層的2倍?？梢?，20#碳鋼表面熔覆Ni625涂層后可使材料的耐磨性能得到大幅提升。

圖7為基材和熔覆層經(jīng)磨損后的表面形貌，可以看出，基材和熔覆層表面均出現(xiàn)了平行于磨削方向的犁溝(見圖7a、圖7c)，犁溝的形成是由于磨料與熔覆層接觸后，在往復(fù)轉(zhuǎn)動過程中，發(fā)生了剪切作用，最終在摩擦表面處形成,說明基材和熔覆層表面存在著磨粒磨損機制。與20#鋼相比，熔覆層的犁溝明顯較淺(見圖7c、圖7d)，而且犁溝附近較完整，說明耐磨性得到提升。由前文分析可知，主要是因為熔覆層的硬度明顯高于基材，對偶試樣在法向載荷的作用下，壓入熔覆層的深度較淺。由圖7a和圖7b可知，20#碳鋼基材磨損表面出現(xiàn)了明顯的剝落和黏著現(xiàn)象，同時，在邊緣處還出現(xiàn)擠壓堆積，說明基材存在疲勞剝落磨損機制和黏著磨損機制。經(jīng)分析得出，對偶試樣在摩擦過程中的接觸循環(huán)應(yīng)力導(dǎo)致磨損面微裂紋的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致材料因裂紋聚集而剝落。由圖7c和圖7d可知，與基材相比，熔覆層的磨損表面無明顯的剝落，熔覆層存在輕微的黏著磨損機制，說明熔覆層具有較好的抗塑性變形的能力。

(a)：基體磨損表面形貌;(b)：基體磨損表面局部放大圖;(c)：熔覆層磨損表面形貌;(d)：熔覆層磨損表面局部放大圖。

2.4 兩種物相的彈性性質(zhì)

(a):NiCrCoMo;(b):FeCr。

表2 彈性性質(zhì)計算結(jié)果 GPa

3 結(jié)論

通過激光熔覆技術(shù)在20#碳鋼表面激光熔覆Ni625涂層，熔覆層微觀組織為典型的樹枝晶組成，在枝晶間處產(chǎn)生了Ni-Cr-Co-Mo固溶相結(jié)構(gòu)，枝晶處產(chǎn)生了FeCr相。

對比基材和熔覆層的顯微硬度和耐磨性得出熔覆層的維氏顯微硬度提升至20#碳鋼基材的2.4倍，摩擦系數(shù)由基材的0.968降至基材的0.907，基材磨損率大約是熔覆層的2倍，耐磨性得到了改善。20#基底存在磨粒磨損、疲勞剝落磨損和黏著磨損機制,Ni625涂層的磨損機制為輕微的黏著磨損和磨粒磨損共存的復(fù)合磨損機制。

基于能量-應(yīng)變的彈性常數(shù)的第一性原理計算得出了Ni-Cr-Co-Mo相和Fe-Cr相具有力學(xué)穩(wěn)定性并且兩種相同時具有韌性，說明了Ni625涂層的引入使基材表面硬度和耐磨性提升的因素主要有微觀結(jié)構(gòu)的固溶強化和兩種相的本身屬性。