简介概要

激光表面重熔对热喷涂铝涂层微观结构及其阻氢性能的影响^①

来源期刊：中国有色金属学报2000年第2期

论文作者：宋仁国何望昭黄卫东潘清跃周尧和

文章页码：179 - 184

关键词：激光表面重熔;微观结构;阻氢性能

Key words：laser surface remelting; microstructure; hydrogen permeation resistance

摘要：采用X射线衍射仪、扫描电镜及热充氢等方法,研究了激光重熔对不锈钢表面热喷涂铝涂层的微观结构及其阻氢性能的影响。结果表明：激光重熔后涂层组织均匀、致密,主要由AlFe(Ni,Cr)固溶体、CrFeNi奥氏体等相组成,而且涂层与基体形成了良好的冶金结合。此外,激光表面重熔后涂层的阻氢性能亦得到改善。

Abstract: The effects of laser surface remelting on the microstructure and hydrogen permeation resistance of thermal spraying aluminum coatings on the surface of austenitic stainless steel was studied by using XRD, SEM and thermal hydrogen-charging. The results indicate that the microstructure of laser remelted coating is both homogeneous and dense, the main phases of laser remelted coating are AlFe(Ni, Cr), CrFeNi and so on. Also metallurgical bond between coating and base metal has been formed. Moreover, the hydrogen permeation resistance of aluminum coatings was improved to a certain extent after laser remelting.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2000.02.007

激光表面重熔对热喷涂铝涂层微观结构及其阻氢性能的影响

宋仁国何望昭黄卫东潘清跃周尧和

北京航空航天大学理学院材料物理与化学研究中心!北京100083

西北工业大学凝固技术国家重点实验室!西安710072

摘要：

采用X射线衍射仪、扫描电镜及热充氢等方法 , 研究了激光重熔对不锈钢表面热喷涂铝涂层的微观结构及其阻氢性能的影响。结果表明 :激光重熔后涂层组织均匀、致密 , 主要由AlFe (Ni, Cr) 固溶体、CrFeNi奥氏体等相组成 , 而且涂层与基体形成了良好的冶金结合。此外 , 激光表面重熔后涂层的阻氢性能亦得到改善

关键词：

激光表面重熔;微观结构;阻氢性能;

中图分类号： TG156.9

收稿日期：1998-01-19

基金：北京航空航天大学理学院科研基金资助项目;

Effects of laser surface remelting on microstructure and hydrogen permeation resistance of thermal spraying aluminum coatings

Abstract：

The effects of laser surface remelting on the microstructure and hydrogen permeation resistance of thermal spraying aluminum coatings on the surface of austenitic stainless steel was studied by using XRD, SEM and thermal hydrogen charging. The results indicate that the microstructure of laser remelted coating is both homogeneous and dense, the main phases of laser remelted coating are AlFe (Ni, Cr) , CrFeNi and so on. Also metallurgical bond between coating and base metal has been formed. Moreover, the hydrogen permeation resistance of aluminum coatings was improved to a certain extent after laser remelting.

Keyword：

laser surface remelting; microstructure; hydrogen permeation resistance;

Received： 1998-01-19

激光表面重熔 (LSM) 技术是近十几年来迅速发展起来并已成为材料表面工程领域的前沿课题 ^{[1,2,3,4,5,6,7,8]} , 其目的是提高材料表面耐磨、耐腐蚀和抗氧化等性能。与传统表面技术及其它新兴的表面技术相比具有许多独特的优点, 因而深受人们的普遍重视 ^[9,10,11,12] 。然而, 到目前为止对激光表面重熔后涂层的阻氢性能研究尚不深入。为此, 本文对奥氏体不锈钢表面热喷涂加激光重熔铝涂层的显微组织、相结构及其阻氢性能等进行了深入系统的研究, 以期为激光表面重熔技术的进一步发展奠定坚实的理论基础。

1 材料与试验过程

基体材料为Fe-31Ni-15Cr奥氏体不锈钢, 涂层材料选用工业纯铝丝, 其化学成分为 (质量分数, %) : Al≥99.7, Fe 0.13, Si 0.13, Cu 0.01, 其它杂质含量≤0.03。采用国产QX-Ⅰ火焰线材喷枪将纯铝预先喷涂在直径5 mm, 长50 mm的Fe-31Ni-15Cr不锈钢基材表面上, 喷涂层厚度0.2 mm。激光表面重熔采用RS850型5 kW CO₂激光器, 激光重熔工艺参数见表1。

对激光重熔前后涂层的组织形貌进行了详细的扫描电镜观察。观察是在美国产AMARY-1000B型扫描电镜上进行的。用日本产理学D/MAX-3C自动X射线衍射仪对基体、激光重熔前后涂层的物

表1 激光表面重熔工艺

Table 1 Technologies of laser surface remelting

Specimens	Laser power /W	Scanning velocity / (mm·s^-1)	Overlap between each pass/mm
Laser 1	520	15.7	0.10
Laser 2	540	15.7	0.10
Laser 3	560	15.7	0.25
Laser 4	630	15.7	0.10

相结构进行测定。试验条件为: Cu靶K_α线, 管电压40 kV, 管电流40 mA。

热充氢试验在自制的化学床和高压釜中进行, 条件为: 压力24 MPa, 温度200 ℃, 时间14 d。定氢分析在QCY-2型定氢分析仪上进行, 测试精度为±10^-7, 氢含量取三个数据的平均值。

2 结果与分析

2.1 X射线物相测试与分析

图1是基体的X射线衍射图谱 (0^#) 。由图1可见基体中只存在一种相结构, 即面心立方CrFeNi固溶体相 (奥氏体) 。

图2是Fe-31Ni-15Cr不锈钢经热喷涂工业纯铝后涂层表面的X射线衍射图谱 (1^#) 。可见涂层中也只存在一种相结构, 即属面心立方的纯Al相。

图3为Fe-31Ni-15Cr不锈钢热喷涂工业纯铝并经激光重熔处理后 (工艺为Laser 2, 以下同) 涂层

图1 基体 (Fe-31Ni-15Cr不锈钢) X射线衍射图样

Fig.1 X-ray diffraction pattern of Fe-31Ni-15Cr stainless steel⑥—CrFeNi

图2 热喷涂纯铝后涂层表面的X射线衍射图样

Fig.2 X-ray diffraction pattern of thermally sprayed Al coatings (0) —Al

表面的X射线衍射图谱 (2^#) 。由图3可知, 涂层中主要存在三种相结构, 即体心立方AlFe (Ni, Cr) 固溶体相、面心立方CrFeNi固溶体相及少量三方晶系α-Al₂O₃相。这表明在激光重熔过程中基体熔化较多, 有较多的Fe, Ni, Cr基体元素进入熔池中, 一部分与Al元素形成固溶体AlFe (Ni, Cr) 相;另一部分则仍保留为CrFeNi基体相。此外, 由于熔池温度较高, 因此在表面有少量Al元素发生氧化而形成α-Al₂O₃相。

图4为Fe-31Ni-15Cr不锈钢热喷涂工业纯铝并经激光重熔处理后, 涂层内部 (从涂层表面磨去大约0.05 mm) 的X射线衍射图谱 (3^#) 。由图4可见, 涂层内部中主要存在二种相, 即体心立方AlFe相和面心立方FeNi相。

图5是Fe-31Ni-15Cr不锈钢基体、热喷涂工业纯铝及热喷涂加激光表面重熔后涂层表面、内部的X射线衍射对比图样。由图5不难看出如下规律。

1) 激光表面重熔处理后, 在涂层表面由原来的单相Al变成AlFe (Ni, Cr) , CrFeNi及少量α-Al₂O₃三个相;而在涂层内部则变成AlFe和FeNi二个相。这充分说明Fe-31Ni-15Cr不锈钢表面热喷涂的工业纯铝涂层经激光重熔处理后发生了合金

图3 激光重熔后涂层表面X射线衍射图样

Fig.3 X-ray diffraction pattern of surface of laser remelted coatings①—AlFe (Ni, Cr) ; ②—CrFeNi; ③—α-Al₂O₃

图4 激光重熔后涂层内部X射线衍射图样

Fig.4 X-ray diffraction pattern of inner region of laser remelted coatings④—AlFe; ⑤—FeNi

化, 因此涂层与基体之间也由重熔前的机械结合变成重熔后的冶金结合。

2) 在涂层表面, 体心立方相含量较面心立方相 (奥氏体相) 含量大; 而在涂层内部, 面心立方相含量则较体心立方相大。这表明奥氏体相即基体相含量从涂层表面至基体逐渐增加, 直至基体中变为单相奥氏体为止。

2.2 显微组织观察与分析

图6为激光表面重熔前后涂层形貌的低倍扫描电镜照片。由图6可以看出, 激光重熔前涂层中存在着大量的气孔, 组织疏松; 而激光重熔后的涂层组织致密, 气孔极少。此外, 仔细观察还可发现, 激光重熔后的涂层厚度较激光重熔前涂层厚度减小, 这是由于重熔后涂层中气孔大量减少, 组织均匀、致密的缘故。

图7是图6 (a) 的进一步放大照片。从照片中可以清晰地看到, 热喷涂铝涂层是由无数变形粒子相互交错、堆叠在一起的层状结构。整个喷涂层由变形的粒子和气孔组成。

图8为激光重熔后涂层形貌 (图6 (b) ) 的高倍扫描电镜照片。由图可见, 激光重熔层明显存在二个区域, 即从左到右分别为熔化区和结合区。熔化

图5 X射线衍射对比图样

Fig.5 Comparison of X-ray diffraction pattern (0) —Al; ①—AlFe (Ni, Cr) ; ②—CrFeNi; ③—α-Al₂O₃; ④—AlFe; ⑤—FeNi; ⑥—CrFeNi

图6 激光表面重熔前后涂层形貌的扫描电镜照片

Fig.6 SEM micrographs of coatings (a) —Before laser remelting; (b) —After laser remelting

区彻底消除了激光重熔前的层状组织特征而表现为较致密和较均匀。结合区表现为一条白亮层, 位于熔化区和基体之间, 它是激光快速加热形成的熔池底部冷却后形成的组织。一般认为, 涂层熔化的同时, 基材也有一薄层熔化, 形成激光熔池。当激光束移去后, 熔池底部的液相合金迅速冷却发生凝固。在刚凝固时, 液-固界面液相一侧存在很大的正温度梯度, 因此液-固界面向前推进速度缓慢, 界面稳定因子G/R (G为温度梯度, R为晶体长大速度) 很大, 几乎不存在成分过冷, 故呈平界面方式凝固, 形成一定宽度的薄带, 即白亮层, 它的存在, 标志着涂覆层与基体达到了良好的冶金结合。

2.3激光表面重熔对热喷涂铝涂层阻氢性能的影响

定义阻氢效率为:

η= (c₀-c_H) /c₀×100% (1)

式中 c₀为无涂层试样热充氢后的氢含量, c_H为有涂层试样热充氢后的氢含量。

表2为不同激光表面重熔处理工艺参数下试样的阻氢性能。由表2可见, 激光表面重熔对热喷涂铝涂层试样的阻氢性能有明显的影响, 且各种激光表面重熔工艺处理试样的阻氢效率均有不同程度的提高。

2.4热喷涂铝涂层加激光重熔改善不锈钢阻氢性能的机理

上述结果表明, 热喷涂铝涂层加激光表面重熔处理的确能够改善Fe-31Ni-15Cr奥氏体不锈钢表面的阻氢性能。关于其机理, 作者认为: 首先, 氢

图7 热喷涂铝涂层形貌的高倍扫描电镜照片

Fig.7 SEM micrograph of thermally sprayed Al coatings

图8 激光重熔后涂层形貌的高倍扫描电镜照片

Fig.8 SEM micrograph of laser remelted coatings

表2 不同激光表面重熔处理工艺参数下试样的阻氢性能

Table 2 Hydrogen permeation resistance under different laser remelting conditions

Specimen	Hydrogen content /10^-6	Efficiency of hydrogen permeation resistance/%
Uncoated	39.5	-
Thermal spraying Al coating	37.7	4.6
Laser 1	35.4	10.4
Laser 2	34.5	12.6
Laser 3	37.2	5.8
Laser 4	36.7	7.1

在铝中的溶解度大大低于氢在铁中的溶解度, 因此不锈钢表面热喷涂铝涂层后其阻氢性能得到提高;其次, 激光表面重熔后消除了铝涂层中热喷涂时形成的大量气孔等缺陷而较为致密, 从而其阻氢性能进一步改善。然而, 不同的激光重熔工艺具有不同的阻氢效率, 这表明存在着最佳工艺的优化问题。有关这一点, 尚有待进一步的研究。