简介概要

等离子熔覆Mo/Ni基合金涂层的组织结构及耐磨性能

来源期刊:中国有色金属学报2006年第9期

论文作者:侯清宇 何宜柱 高甲生

文章页码:1595 - 1602

关键词:等离子熔覆; 镍基合金; 钼; 组织结构; 耐磨性

Key words:plasma cladding; nickel-based alloy; Mo; microstructure; wear resistance

摘    要:应用光学显微镜、 扫描电镜(SEM)、 X射线衍射(XRD)、 透射电镜(TEM)以及滑动磨损实验, 研究不同Mo加入量对等离子熔覆镍基合金涂层组织结构和性能的影响。 结果表明, 熔覆层主要是由面心立方结构的γ(Ni, Fe)固溶体、 六方结构的M7(C, B)3和四方结构的Cr2B等物相构成, 在镍基固溶体中存在明显的成分偏析。 Mo的加入没有改变熔覆层的相结构, 但硼碳化物的相对含量却有所提高, 成分偏析逐渐减弱, 直至消失, 并且促进了等轴晶的形成。 Mo的加入可以提高熔覆层的耐磨性能, 当其加入量在6%以内时, 随着Mo加入量的提高, 熔覆层的耐磨性逐渐提高。 但是, 当加入量达到8%时, 耐磨性能开始降低。

Abstract: The effect of different Mo additions on the microstructure and wear resistance of the nickel-based alloy coating produced by plasma cladding was investigated using optical microscope, scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscope (TEM), and sliding wear test. The results show that the γ(Ni, Fe) solid solution with a face-centered cubic crystal structure is presented accompanied by the M7(C, B)3 with a hexagonal crystal structure and Cr2B with a tetragonal crystal structure in the nickel-based alloy coating. The obvious component segregation exists in the nickel-based solid solution. The addition of Mo does not change the phase composition, though the relative content of boride and carbide increases. Meanwhile, the component segregation decreases gradually then disappears finally with the increasing Mo content. The equiaxed crystals come into being in the Mo-modified coating. The addition of Mo increases the wear resistance. The wear resistance increases with the increasing Mo content when its content is lower than or equals to 6%. On the contrary, the wear resistance decreases again when the Mo content equals to 8%. The addition of Mo can homogenize the component, promote the formation of equiaxed crystals, and increase the relative quantity of boride and carbide. All these results are beneficial to increasing the wear resistance of the cladding coating.



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文章编号: 1004-0609(2006)09-1595-08

等离子熔覆Mo/Ni基合金涂层的组织结构及耐磨性能

侯清宇, 何宜柱, 高甲生

(安徽工业大学 材料科学与工程学院, 马鞍山 243002)

摘 要: 应用光学显微镜、 扫描电镜(SEM)、 X射线衍射(XRD)、 透射电镜(TEM)以及滑动磨损实验, 研究不同Mo加入量对等离子熔覆镍基合金涂层组织结构和性能的影响。 结果表明, 熔覆层主要是由面心立方结构的γ(Ni, Fe)固溶体、 六方结构的M7(C, B)3和四方结构的Cr2B等物相构成, 在镍基固溶体中存在明显的成分偏析。 Mo的加入没有改变熔覆层的相结构, 但硼碳化物的相对含量却有所提高, 成分偏析逐渐减弱, 直至消失, 并且促进了等轴晶的形成。 Mo的加入可以提高熔覆层的耐磨性能, 当其加入量在6%以内时, 随着Mo加入量的提高, 熔覆层的耐磨性逐渐提高。 但是, 当加入量达到8%时, 耐磨性能开始降低。

关键词: 等离子熔覆; 镍基合金; 钼; 组织结构; 耐磨性 中图分类号: TG113.12; TG456.2

文献标识码: A

Microstructure and wear resistance of Mo/Ni-based alloy coating produced by plasma cladding

HOU Qing-yu, HE Yi-zhu, GAO Jia-sheng

(School of Materials Science and Engineering, Anhui University of Technology, Maanshan 243002, China)

Abstract: The effect of different Mo additions on the microstructure and wear resistance of the nickel-based alloy coating produced by plasma cladding was investigated using optical microscope, scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscope (TEM), and sliding wear test. The results show that the γ(Ni, Fe) solid solution with a face-centered cubic crystal structure is presented accompanied by the M7(C, B)3 with a hexagonal crystal structure and Cr2B with a tetragonal crystal structure in the nickel-based alloy coating. The obvious component segregation exists in the nickel-based solid solution. The addition of Mo does not change the phase composition, though the relative content of boride and carbide increases. Meanwhile, the component segregation decreases gradually then disappears finally with the increasing Mo content. The equiaxed crystals come into being in the Mo-modified coating. The addition of Mo increases the wear resistance. The wear resistance increases with the increasing Mo content when its content is lower than or equals to 6%. On the contrary, the wear resistance decreases again when the Mo content equals to 8%. The addition of Mo can homogenize the component, promote the formation of equiaxed crystals, and increase the relative quantity of boride and carbide. All these results are beneficial to increasing the wear resistance of the cladding coating.

Key words: plasma cladding; nickel-based alloy; Mo; microstructure; wear resistance

近年来, 随着对材料表面性能要求的提高, 人们采用诸如电弧和激光等表面改性技术来提高构件的表面耐磨、 耐蚀性能[1-5]。 在这些表面改性技术中, 等离子熔覆作为材料表面强化手段之一, 同传统的堆焊方法以及激光熔敷相比, 具有熔覆率高、 成型性好、 粉末适用范围广等突出优点。 而镍基合金熔覆层由于具有良好的中、 高温性能和耐磨、 耐蚀性能, 受到了人们的广泛关注[6-11]

众所周知, 材料的表面性能取决于表面的化学成分、 组织结构以及加工处理方式。 一般来说, 粗大的组织, 其耐磨性较低[6-9]。 最近, Shin等[12]在钴基斯太利合金中添加不同质量分数的Mo, 并采用等离子熔覆的方式获得复合结构涂层, 大大提高了熔覆构件的表面耐磨性能。 该研究发现, 添加Mo元素的钴基斯太利合金熔覆层中位于枝晶间的富Cr硼、 碳化物相的尺寸减小, 含量略有增加, 并且细化了富Co固溶体的枝晶组织, 所有这些改变都有利于熔覆层表面耐磨性能的提高。 但到目前为止, 还未见Mo元素在等离子熔覆镍基合金中应用的相关报道。 可以预见的是, 在镍基合金中添加Mo元素, 采用等离子熔覆的方式制备复合结构涂层, 将对涂层的组织结构及性能产生影响。 本文作者研究了不同Mo加入量对镍基合金等离子熔覆层的组织结构和耐磨性能的影响, 为Mo元素在等离子熔覆镍基合金中的应用提供了实验依据。

1 实验

将镍基自熔性合金粉末(Ni60, 粒度为75~180μm, 熔化温度约为1373K)与钼粉(纯度为99.5%, 粒度约为80μm)按一定的质量分数(4%~8%Mo)进行配置, 把配置好的粉末放入玛瑙研钵中, 充分搅拌, 待均匀后放入120℃的烘干箱中烘烤2h, 取出待用。 将烘干的合金粉末用等离子熔覆的方式熔覆在Q235A钢的表面(熔覆母材尺寸为200mm×35mm×20mm), 形成等离子熔覆层。 镍基合金粉末的化学成分如表1所列。

表1  镍基合金粉末的化学成分

Table 1  Composition of nickel-based alloy powder (mass fraction, %)

等离子熔覆实验是在L4-400PC型等离子熔覆机上进行的。 工艺参数为: 转移弧电流180~195A, 转移弧电压37~39V, 主气压力0.3MPa, 离子气流量0.5m3/h, 送粉气流量0.2m3/h, 送粉电压23~25V, 摆动电压18~22V, 行走电压18~20V, 冷却水压力3MPa, 喷距7mm, 焊枪摆幅20mm。

采用OLYMPUS-PME3型金相显微镜和PHILIPS扫描电镜对熔覆层显微组织进行观察分析, 利用Rigaku D/max-ⅢC型X射线衍射仪对熔覆层进行物相分析, 加速电压为45kV, 管流为150mA, 采用CuKα靶。 用H-800透射电镜对熔覆层的微结构进行观察分析。 磨损实验是在MM-200滑动磨损实验机上进行的, 载荷为49N, 转速为400r/min, 每1200s测量一次摩损失重。 采用失重法评定耐磨性的高低, 称量是在感量为0.1mg的FN2004电子天平上进行的, 每种材料取3块试样的磨损平均值作为该材料的磨损值。

2 结果与讨论

2.1 X射线衍射

图1所示为熔覆层的X射线衍射谱。 由图可知, 熔覆层主要是由面心立方的γ(Ni, Fe), 六方结构的M7(C, B)3和四方结构的Cr2B等物相构成(M=Ni, Cr, Fe, Si, Mo)。 由X射线衍射谱还可以看出, 固溶体所对应的衍射峰的相对强度较高, 而硼、 碳化物所对应的衍射峰的相对强度则较低。 根据文献[13]可知, 由于等离子熔覆是一个快速加热和快速凝固过程, 在熔覆层中很容易出现择优取向, 从而使得先析出相固溶体的衍射峰明显, 而后析出的硼、 碳化物所对应的衍射峰的相对强度就相应降低了。 比较图1(a)和图1(b)可以看出, Mo的加入并没有改变熔覆层的相组成, 只是M7(C, B)3型硼、 碳化物所对应的衍射峰的相对强度有所增强。 这说明由于Mo的加入, 熔覆层中硼、 碳化物的相对含量有所增加, 而固溶体相的相对含量则有所降低, 并且其择优取向性减弱[12]

图1  等离子熔覆镍基合金涂层的X射线衍射谱

Fig.1  XRD patterns of nickel-based alloy coatings produced by plasma cladding

根据文献[12]可知, Mo的加入可以增加硼、 碳化物的含量, 而且可以使枝晶变细, 从而使硼、 碳化物所对应的衍射峰强度升高, 组织的择优取向性减弱。 由于Mo是高熔点金属(2890K), 在熔覆层凝固结晶过程中, 部分Mo首先从熔池中析出, 作为非自发形核的核心, 因此可以细化组织, 使组织的取向性减弱, 所以衍射谱的择优取向减弱。

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