简介概要

等离子体表面熔覆Fe-Cr-Si-B涂层的显微组织与溶质分布

来源期刊：中国有色金属学报2001年第z1期

论文作者：吴玉萍刘桦王素玉

文章页码：183 - 186

关键词：等离子体；显微组织；溶质分布；共格强化

Key words：plasma； microstructure； solute distribution； coherence strengthening；

摘要：用常压弧光等离子体在 45^#钢表面熔覆Fe-Cr-Si-B粉末涂层 ,采用电子探针、透射电镜、X射线衍射仪及显微硬度计对熔覆层的成分、组织、结构及性能进行了分析。结果表明 :熔覆层由A(Me)+F(Me)+Me₂₃C₆等组成 ,且A与Me₂₃C₆保持共格关系 ,F与M₂₃C₆保持位向平行关系 ;熔覆层中B、C、Fe成分分布较均匀 ,Ce存在明显的波峰 ,表明有Ce存在 ;Cr存在界面“梯度扩散层” ;显微硬度在HV0.05700左右。A、F良好的强韧性 ,M₂₃C₆硬化及共格强化使得熔覆层性能优良。

Abstract: Fe-Cr-Si-B powder cladding is deposited, the composition, microstructure and microhardness of cladding were studied by means of electron probe, TEM, X-ray diffractometer and microhardness testers. The results shows that the cladding is mainly composed of A(Me), F(Me) and M₂₃C₆; A(Me) and M₂₃C₆retain coherence relation; F(Me) and M₂₃C₆keep phase parallel. Compositions of B, C and Fe distribute more evenly, Ce exists sharp spikes, indicating existence of Ce. The microhardness is about HV 0.05 700, The good properties of cladding are due to strengthening and toughening of A(Me) and F(Me) hardening of M₂₃C₆and coherence strengthening.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.s1.044

等离子体表面熔覆Fe-Cr-Si-B涂层的显微组织与溶质分布

吴玉萍刘桦王素玉

山东科技大学材料科学与工程系

山东科技大学材料科学与工程系泰安271019

摘要：

用常压弧光等离子体在 45 #钢表面熔覆Fe Cr Si B粉末涂层 , 采用电子探针、透射电镜、X射线衍射仪及显微硬度计对熔覆层的成分、组织、结构及性能进行了分析。结果表明 :熔覆层由A (Me) +F (Me) +Me2 3C6等组成 , 且A与Me2 3C6保持共格关系 , F与Me2 3C6保持位向平行关系 ;熔覆层中B、C、Fe成分分布较均匀 , Ce存在明显的波峰 , 表明有Ce存在 ;Cr存在界面“梯度扩散层” ;显微硬度在HV0 .0 570 0左右。A、F良好的强韧性 , M2 3C6硬化及共格强化使得熔覆层性能优良

关键词：

等离子体;显微组织;溶质分布;共格强化;

中图分类号： TG174.44

收稿日期：2000-11-22

Microstructure and solute distribution of Fe-Cr-Si-B Cladding by plasma

Abstract：

Fe Cr Si B powder cladding is deposited, the composition, microstructure and microhardness of cladding were studied by means of electron probe, TEM, X ray diffractometer and microhardness testers. The results shows that the cladding is mainly composed of A (Me) , F (Me) and Me 23 C 6; A (Me) and Me 23 C 6 retain coherence relation; F (Me) and Me 23 C 6 keep phase parallel. Compositions of B, C and Fe distribute more evenly, Ce exists sharp spikes, indicating existence of Ce. The microhardness is about HV 0.05 700, The good properties of cladding are due to strengthening and toughening of A (Me) and F (Me) hardening of Me 23 C 6 and coherence strengthening.

Keyword：

plasma; microstructure; solute distribution; coherence strengthening;

Received： 2000-11-22

许多重要零件的表面性能如耐磨性、耐蚀性、氧化性、耐热性等都取决于金属表面的物理化学性质。传统的金属表面改性技术, 如各种喷涂层、电镀 (化学镀) 层、渗层, 由于涂层与基体结合力差或受饱和溶解度的影响, 应用效果不很理想。近年来, 大功率激光器的出现, 为材料表面改性提供了一种新的有效手段 ^[1,2,3] , 但存在工艺复杂, 热量转化率低, 设备成本高等问题, 限制了它的应用范围。

等离子体束与激光束同为高密度束, 与激光束相比, 等离子体束在常压下发生, 不需真空系统, 用于金属表面处理 (表面淬火、表面合金化、表面熔覆) 不需任何前处理, 工艺过程简单, 设备成本低, 等离子体表面改性技术是一种很有前途的表面改性技术 ^{[4,5,6,7,8,9]} 。

等离子体弧是一种压缩电弧, 经机械压缩、电磁压缩和热压缩三级压缩成为能量密度极高的等离子体束, 其心部温度可达10⁴ K ^[10] , 如此高的温度足以使大多数材料熔化, 是实现材料表面熔覆的一种经济灵活的热源, 其特点是:能量密度高;加热时, 工件为氩气包围;等离子体束在常压环境下产生。

本文以压缩等离子体弧为热源, 在金属表面熔覆Fe-Cr-Si-B+CeO₂合金粉末, 得到亚稳态合金, 对此熔覆层进行成分、组织及性能分析。

1 实验

1.1 实验材料

基材为45^#钢, d48 mm, 涂料为Fe-Cr-Si-B+CeO₂, 用自制有机粘结剂将粉末调成糊状, 均匀涂敷于金属表面, 厚度1.5mm, 在200℃, 烘烤2h。

1.2 等离子体熔覆工艺

采用自行研制的等离子体熔覆处理设备进行熔覆处理。工件转速25转/min, 电流150A, 电压18V, 用Ar作为保护和电离气体, 保护气体流量0.6m³/h, 电离气体流量0.4m³/h, 等离子体矩纵向移动距离38mm/min, 喷嘴离工件的距离5mm, 试样作为阳极, 等离子体炬作为阴极, 在涂层表面进行多道连续扫描, 使整个表面均得到处理。

1.3 分析测试方法

沿等离子体扫描的垂直方向切取截面制做金相试样, 从等离子体熔覆区顶部线切割切取0.5 mm薄片, 机械减薄至0.1mm, 再由离子轰击减薄制成TEM试样, TEM观察在H-800透射电镜上进行。组织观察试样用硝酸、盐酸混合液腐蚀, 分别在金相显微镜及CXA733型电子探针上进行组织和观察成分分析, 显微硬度测试用M型显微硬度计, 载荷加载时间

2 实验结果与分析

2.1 等离子体熔覆层组织特征

等离子体熔覆涂层合金的结晶过程是非平衡快速凝固过程。高能等离子体束加热涂敷粉末时, 粉末因吸收大量热量而快速熔化, 并把部分热量传递给基体, 使基体表面一薄层加热至熔化。熔化的涂料粉末与基体形成共同的熔池, 熔池以“液珠”的形式存在, 熔池“液珠”在表面张力、气体动力和等离子体弧吹力的作用下, 在金属表面铺展开来, 有关气体上浮, 当等离子体炬移开后, 在基体和空气双重作用下, 快速凝固结晶。

等离子体熔覆层横截面的金相组织如图1所示, 从基体开始 (下边) , 熔覆层由胞状枝晶向等轴晶转化, 中部等轴晶组织较细小。熔覆层的组织形态取决于液相温度梯度G (℃/m) 与凝固速度R (m/s) 的比值G/R ^[11] 。整个熔覆层散热遵循一维散热方式, 表面一层向空气散热, 界面处向基体散热, 由于向基体散热速度快, G/R比值较大, 凝固组织为胞状枝晶, 当凝固进入到熔覆层中部时, G和冷却速度 (T=GR) 均减小, 晶体生长方向杂乱而出现等轴晶。由于液态成分起伏较大, 成分过冷加剧, 局部微区冷凝速度不同, 使层中的组织不均匀。

图1 等离子体熔覆层的显微组织

Fig.1 Microstructure of plasma cladding

2.2 熔覆层中溶质分布

如图2为熔覆层中溶质分布的电子探针分析, Cr元素分布存在着界面扩散, 界面处, 由基体到熔覆层Cr元素逐渐增加, 形成界面“梯度扩散层”, 在熔覆层内部, Cr元素有波动, 说明Cr元素分布不均匀;Fe元素在熔覆层亦有波动, 但波动相对较小, 说明Fe元素分布较均匀;B元素分布均匀, C元素有波动, 分布不均, Si元素在扫描范围内, 有一个大的波峰, 其中仍有小的波峰, 说明Si元素长程与近程分布都不均匀, 凝固时存在溶质长程传输过程。涂层中稀土CeO₂加入量约为8%, 熔覆层中电子探针分析表明有明显的稀土存在, (Ce) 扫描线上有两处明显的稀土Ce波峰, 经电子探针定量分析, 稀土最大含量约为1.1%。

图2 熔覆层电子探针成分分析

Fig.2 Element analyses by electron probe in plasma cladding

(a) —Distribution of B, Si, C; (b) —Distribution of Cr, Ce, Fe

2.3 透射电镜分析

典型TEM形貌如图3所示, 由胞状 (或球状) 组织组成 (图3 (a) ) , 进一步放大, 可清晰地得到两种形态的组织, 如图3 (b) 。白色园球状组织 (外形圆整) 为A (Me) , 黑色组织为Me₂₃C₆。经标定:

表明A (Me) 与 (Me) ₂₃C₆具有共格关系。

图3 熔覆层的TEM形貌

Fig.3 TEM morphologies of plasma cladding

(a) —TEM morphology; (b) —Morphology of A (Me) and Me₂₃C₆; (c) —Electron diffraction pattern

另一种组织具有方向性, 白色条带状组织 (如图4) 经标定为F (Me) +Me₂₃C₆, 且

图4 熔覆层中F+M23C6

Fig.4 Morphology (a) and electron diffraction pattern (b) of F (Me) and Me₂₃C₆

Me₂₃C₆具有复杂立方点阵, Me主要是Cr元素, 由于熔覆层中含有较多的Fe, 因而, 部分Cr被Fe取代, C原子在Cr、Fe排列的间隙处, 而C原子亦可被B原子取代, 形成 (Cr, Fe) ₂₃ (C, B) ₆, Me₂₃C₆熔点较低 (与铁的熔点相近) , 硬度约为HV1050, 主要为金属键结合。

另有Fe_4.9Si_2.0B_1.0物相和非晶相。图5为非晶相形貌及衍射花样, 表现为典型的非晶态。