粉末成分對等離子熔敷Fe-Cr-C-Ti涂層組 織 結 構 的 影 響

劉均波， 王立梅， 劉均海

(1.濰坊學院 a. 機電與車輛工程學院，b. 信息與控制工程學院，山東 濰坊 261061； 2. 山東科技大學 材料學院，山東 青島 266510； 3.威海職業學院 機電系，山東 威海 264210)

0 引 言

高能密度束(包括激光束、電子束以及等離子束等)因能量密度高、穿透性強，已被廣泛應用于金屬表面改性技術領域[1]。等離子表面改性技術是一種極其具有前途的表面改性技術[2-7]。當前，高能束熔敷技術主要包括等離子熔敷和激光熔敷。激光熔敷設備成本相對較高，且對工作環境有一定的特殊要求，此外，工件表面熔敷前還必須進行預處理，制備工藝相對比較繁雜。相比于激光熔敷，等離子熔敷工藝相對簡單，污染較少，且同等條件下對工件熔敷時間相對短，其設備成本只為激光熔敷設備的1/4～1/5。有研究表明，等離子熔敷的生產效率約是激光熔敷的6～10倍，其粉末利用率約是激光熔敷的2～4倍[8-10]，因此等離子熔敷技術在機械、電力、煤炭、冶金等很多領域有著廣闊的應用前景。

粉末成分對涂層的微觀組織和性能均有著較大的影響。本文在前期制備等離子熔敷Fe-Cr-C涂層基礎上[11-15]添加一定量的Ti，采用前驅體碳化復合技術制備了Fe-Cr-C-Ti等離子熔敷復合粉末，并用等離子熔敷技術在Q235鋼表面原位合成了Fe-Cr-C-Ti涂層。通過SEM對添加不同粉末成分(C、Ti、Cr)時制備出的涂層的顯微組織結構進行了分析，以便為制備更優質的涂層材料提供理論與研究基礎。

1 試驗設備、材料與方法

試驗設備采用山東科技大學金海納等離子科技有限公司研制的DRF-1型全自動等離子熔覆設備，該設備由等離子電源、等離子炬、送粉系統、運行機構、控制系統、冷卻系統等組成。以涂層與基材表面的結合性能及基材對涂層成分的稀釋率為指標，試驗確定了前驅體碳化復合粉末等離子熔覆的最佳工藝參數為：工作電流300 A，工作電壓30 V，送粉量30 g/min，掃描速度500 mm/min，工作氣(Ar)流量2.5 L/min，送粉氣(Ar)流量3 L/min。

涂層試樣經過電火花線切割、鑲樣(電木粉)、磨樣、拋光、腐蝕和噴碳等步驟制備成金相試樣。腐蝕劑成分為: HF∶濃HNO3∶H2O=4∶4∶92(體積百分比)，腐蝕時間5 min。在NephotⅡ型臥式光學金相顯微鏡上觀察分析等離子熔覆涂層低倍顯微組織；在日立S-3400型掃描電子顯微鏡上觀察分析等離子熔覆涂層的高倍顯微組織，并用該掃描電鏡觀察分析室溫干滑動磨損試樣、高溫滑動磨損試樣橫截面組織，用掃描電鏡自帶的OXFORD 7021能譜儀對等離子熔覆涂層、室溫干滑動磨損及高溫滑動磨損表面及磨屑進行成分分析；利用Rigaku D/max 2200 PC自動X射線衍射儀對等離子熔覆等離子熔覆涂層進行物相分析。

2 試驗結果與分析

2.1 Ti的添加方式與含量對涂層組織結構的影響

由于Ti的化學性質活潑，極易發生氧化形成鈦的氧化物，對涂層產生有害相。另外，在制備等離子熔覆涂層時，等離子弧所產生的高溫在形成熔池的同時，也熔化了合金粉，促使粉末中的Ti元素和C元素直接發生反應合成TiC相，致使熔池的熔點提高，不能有效地形成熔池，熔池的流動性也變差，從而使涂層的成形困難。另外，純鈦粉的工業成本較高，使Fe-Cr-Ti-C熔覆粉末末存在生產成本過高的缺點。以鈦鐵粉替代純鈦粉形成了Fe-Cr-Ti-C熔覆粉末。用鈦鐵粉末作為反應TiC增強相的原料，已有很多研究者做了研究。鈦鐵(FeTi)中含有Ti元素和Fe元素。由Fe-Ti二元合金相圖知，純Ti的熔點為1 670 ℃，純Fe熔點為1 538 ℃，而鈦鐵共晶的最低溫度為1 085 ℃，比兩者都低。因此，前驅體碳化等離子熔覆高鉻鐵基涂層合金粉中加入鈦鐵，既提供了合成TiC所需的Ti元素，又提供了形成基體的Fe元素，還能夠有效降低熔池的熔點，促進熔池流動性，提高涂層的性能。因此在以上試驗成分設計的基礎上，選用Cr粉(質量百分數)30%、Fe粉42%和純鈦粉或鈦鐵粉23%，以16.13%的蔗糖為前驅體制備Fe-Cr-Ti-C熔覆粉末，進行等離子熔覆制備Fe-Cr-Ti-C涂層，研究Ti的添加方式對Fe-Cr-Ti-C涂層組織結構的關系。

從圖1可明顯看出，涂層顯微組織結構為大量的灰黑色等軸狀和樹枝晶狀相。圖2是加入鈦鐵粉的Fe-Cr-Ti-C涂層的顯微組織結構照片，從圖2(b)可以看出，加入鈦鐵粉的 Fe-Cr-Ti-C涂層的顯微組織結構與加入純鈦粉的 Fe-Cr-Ti-C涂層類似，也是由奧氏體、共晶碳化物(Cr,Fe)7C3和反應合成的TiC相組成。由圖2中的(a)、(c)、(e)可以看出，涂層的熔合區的TiC顆粒含量較少，中部區域稍多，表面區域最多。對比圖2(a)和圖1可以看出，與加入純鈦粉Fe-Cr-Ti-C涂層類似，加入鈦鐵粉的 Fe-Cr-Ti-C涂層的表層組織更易形成樹枝狀TiC相。從圖2中(b)、(d)也可以看出，涂層的熔合區和中部區域TiC顆粒形狀大多呈等軸狀，涂層的表層區域大部分TiC顆粒形狀呈現樹枝狀。

Fe-Cr-Ti-C涂層中TiC含量對涂層的硬度和耐磨性有很大的影響，隨著TiC含量的增加，涂層的硬度和耐磨性都會增加，所以一般在不影響涂層形成的條件下，盡可能增加涂層中的TiC含量。在試驗中選用4種TiC含量作為研究試樣，試樣粉末組成如表1所示，理論計算的TiC含量分別為10.58%、13.52%、18.21%和21.15%。

圖1 加入純鈦鐵粉的Fe-Cr-Ti-C涂層的表層組織結構

(a)表層低倍組織

(b)表層高倍組織

(c)中部低倍組織

(d)中部高倍組織

(e)熔合區低倍組織

圖3是不同Ti含量對Fe-Cr-Ti-C涂層表層組織結構。與圖3(b)相比較，可以發現，圖3(a)試樣中TiC體積含量較低，大部分TiC相以等軸狀出現，部分TiC相為枝晶狀。共晶相(Cr,Fe)7C3含量非常多，奧氏體含量較少。圖3(c)試樣中TiC含量較高，TiC體積含量較高，等軸狀TiC相減少，枝晶狀TiC相增多。大部分TiC相團聚在一起，出現裂紋缺陷。共晶相(Cr,Fe)7C3明顯減少，大部分為奧氏體。由圖3可知，3個試樣中主要是鈦含量和鐵含量不一樣，其他成分一樣，主要考查了鈦含量對組織結構的影響。在3種試樣中鉻含量和碳含量主要是高鉻鐵提供的C和Cr含量，分別占5%和30%。因此，隨著碳化復合粉中Ti含量的增加，Fe-Cr-Ti-C系反應等離子熔覆涂層發生了4方面的變化：①TiC體積含量增加；②TiC相形態發生了變化，從等軸狀逐漸向樹枝狀或TiC顆粒聚集變化；③共晶(Cr,Fe)7C3體積含量逐漸減少；④奧氏體體積含量逐漸增多。

(a)18%

(b)23%

(c)31%

通過對所制備的碳化復合粉末進行等離子熔覆時發現，理論TiC含量為21.92%的試樣的合金粉末所制備的涂層表面有一些松散粉末的堆積，涂層成形不好，無法使用。產生這種情況主要原因是鈦鐵合金粉末中的Ti與C相互反應合成TiC含量較高，TiC為高熔點物質，它的形成會影響熔液的黏度。另外，基體中的碳含量較少。碳與鉻的共晶相減少，致使熔池的熔點升高，涂層的成形性能變差，不能形成有效的涂層。

2.2 C含量對涂層組織結構的影響

Fe-Cr-Ti-C熔覆粉末中的C含量對Fe-Cr-Ti-C涂層的性能有顯著影響。碳提供了反應合成TiC需要的C原子，使TiC獲得足夠的碳源，以獲得良好性能。多余碳與基體中鉻可生成鉻的碳化物。因此，在試驗中選用4種不同C含量的碳化復合粉作為研究對象，試樣粉末組成如表2所示，理論計算的C含量分別為4%、5%、6%和7%。

表2 等離子熔覆涂層碳化復合粉組分表 %

(a)4%

(b)5%

(c)6%

圖4是不同碳含量下的涂層表層組織結構的SEM照片。從圖4(a)中可以看出，試樣中TiC大部分以等軸狀出現，共晶相(Cr,Fe)7C3含量非常少，奧氏體含量較多。與(a)相比較，(b)中的試樣TiC相主要有兩種形態，大約有一半TiC相呈現等軸狀，另外一半TiC相呈現樹枝狀。試樣中的共晶相(Cr,Fe)7C3含量增多，奧氏體含量減少。與(a)和(b)相比較，(c)試樣中TiC相大部分為樹枝狀。共晶相(Cr,Fe)7C3明顯增多，奧氏體較少。

由表2可以知道，3個試樣中主要是碳含量和鐵含量不一樣，其他成分一樣，主要考查了碳含量對涂層組織結構的影響。鈦含量在5#、6#、7# 3種試樣中的含量10.81%，與之相應的C/Ti原子比分別為1.48、1.85和2.22。因此，隨著C含量的增加，等離子熔覆復合涂層發生了三方面的變化：①TiC相的形態發生了變，從大部分為等軸狀，逐漸變化為較多的樹枝狀或TiC顆粒團聚；②共晶碳化物(Cr,Fe)7C3體積含量逐漸增多；③奧氏體體積含量逐漸減少。

通過對所制備的碳化復合粉末進行等離子熔覆，發現理論C/Ti原子比為2.59的試樣的涂層表面有一些松散粉末的堆積，涂層成形不好，無法使用。產生這種情況主要原因之一是因為鈦鐵合金粉末中的Ti與C相互反應合成TiC含量較高，基體中的碳含量較少。碳與鉻的共晶相減少，致使熔池的熔點升高，涂層的成形性能變差，不能形成有效的涂層。原因之二是因為該試樣的碳含量較高，包覆在碳化復合粉粒外層碳厚度較厚，在向熔池送粉過程中，不易被熔池所捕獲。

2.3 Cr含量對涂層組織結構的影響

從上面分析可知，高鉻Fe-Cr-C合金里的鉻一方面和碳、鐵相互作用，形成碳化物；另一方面，部分鉻還溶解于基體中，鉻的增加將使碳化物和基體的含鉻量都增加，直接影響涂層的性能。表3是Cr含量不同時等離子熔覆涂層碳化復合粉組分表，主要研究Cr含量對涂層組織的影響。

圖5是Cr含量不同的Fe-Cr-Ti-C涂層表層組織結構。與圖5(b)組織結構相比較，可以發現，(a)中TiC相呈現大量等軸狀、棒狀和樹枝狀等形狀。共晶相(Cr,Fe)7C3明顯減少，大部分為奧氏體。圖5(c)中TiC相呈現大量等軸狀，有少量的TiC呈現聚集狀。共晶相(Cr,Fe)7C3含量非常多，奧氏體含量較少。因此，隨著鉻含量的增加，TiC相的形態也發生變化，從樹枝狀向等軸狀發展，共晶相(Cr,Fe)7C3逐漸增加，奧氏體逐漸減少。

表3 Cr含量不同的等離子熔覆涂層碳化復合粉組分表 %

(a) 25%

(b) 30%

(c) 35%

3 結 語

(1) 以鈦粉或鈦鐵粉、鉻粉、鐵粉和碳的前驅體(有機物)為原料，通過前驅體碳化復合技術制備Fe-Cr-C-Ti等離子熔覆復合粉末，通過反應等離子熔覆技術制備了等離子熔敷Fe-Cr-C-Ti涂層。

(2) 隨著C含量的增加，共晶(Cr,Fe)7C3相逐漸增加，奧氏體相減少，TiC顆粒形態從等軸狀向樹枝狀轉變。隨著Ti含量的增加，TiC顆粒的尺寸逐漸增加，形態從等軸狀向樹枝狀和團聚狀轉變，共晶(Cr,Fe)7C3逐漸減少，奧氏體相逐漸增加。隨著Cr含量的增加，共晶(Cr,Fe)7C3逐漸增加，奧氏體相逐漸減少，TiC顆粒形態從樹枝狀向等軸狀轉變。本研究試驗結果，當Fe-Cr-Ti-C熔覆粉末中含4%～6%C、25%～35% Cr、8%～13%Ti時，涂層組織性能最佳。

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