類激光熔覆Stellite合金沉積層的組織及磨損性能*

張春華， 丁燕燕， 關 錳， 譚俊哲， 張 松

(1. 沈陽工業大學 材料科學與工程學院， 沈陽 110870； 2. 沈陽鼓風機集團 核電泵業有限公司， 沈陽 110869)

材料科學與工程

類激光熔覆Stellite合金沉積層的組織及磨損性能*

張春華1， 丁燕燕1， 關 錳2， 譚俊哲2， 張 松1

(1. 沈陽工業大學 材料科學與工程學院， 沈陽 110870； 2. 沈陽鼓風機集團 核電泵業有限公司， 沈陽 110869)

為了進一步提高316不銹鋼的表面性能，采用類激光熔覆技術在316不銹鋼表面制備了Stellite合金沉積層.利用掃描電子顯微鏡、能譜儀、X射線衍射儀、顯微硬度計與銷盤磨損試驗機，研究了Stellite合金沉積層的微觀組織、化學成分、顯微硬度及摩擦磨損性能.結果表明，Stellite合金沉積層主要由γ-Co和M23C6相組成.沉積層組織依附于316不銹鋼基體的界面呈外延生長，由界面至表面依次呈平面晶、柱狀晶和胞狀樹枝晶形態，且越靠近表面組織越細小.Stellite合金沉積層的最高硬度可達650 HV.在摩擦磨損過程中摩擦系數隨著法向載荷的增大而減小，磨損機制主要為黏著磨損、磨粒磨損和氧化磨損.

316不銹鋼； 類激光熔覆； Stellite合金； 沉積層； 顯微組織； 外延生長； 顯微硬度； 摩擦磨損

類激光熔覆是一種新型金屬材料表面強化沉積層制備技術，其原理是將存儲在電容器中的電能以脈沖電弧的形式瞬間從鎢針上釋放出來，此時鎢針的瞬時溫度極高，足以將焊絲材料熔融并沉積到基材上.此外，每釋放一次電能只能產生極小面積的熔覆，且每一點受到的應力均各自獨立，集中程度很低，因而幾乎不會產生明顯變形，從而能有效保證工件的尺寸精度和完整性.同時，類激光熔覆還具有熱作用時間短、熱量輸入低、熱影響區小和焊后無需熱處理等特點，因而可在普通金屬表面制備高性能的沉積層[1-6].與激光熔覆相比，類激光熔覆又具有成本低的優勢[7]，因而為其在設計和制造過程中提供了更多的靈活性.因此，類激光熔覆技術目前已應用于發動機、機械設備中的軸類零件、核泵材料等部件的修復及再制造領域，該技術將逐漸成為材料表面強化及修復的重要技術手段[8-11].

Stellite合金屬于鈷基硬質合金，具有良好的高溫強度、抗熱疲勞、抗熱腐蝕、耐磨性和焊接性，被廣泛應用于航空噴氣發動機、艦船燃氣輪機、閥門密封面、蒸汽發電機葉片等領域[12].本文采用性價比極高的類激光熔覆技術在316不銹鋼表面制備了Stellite合金沉積層以提高316不銹鋼的表面性能.本文對所制備沉積層的微觀組織、化學成分、顯微硬度及摩擦磨損性能進行了系統研究，該研究可為類激光熔覆技術在表面工程和再制造領域的工業化應用奠定基礎.

1 材料及方法

1.1 試驗材料

基材選用尺寸為90 mm×50 mm×5 mm的316不銹鋼，其化學成分如表1所示.采用600#砂紙打磨基材表面，并通過酒精超聲波清洗去除表面雜質.選用直徑為1.5 mm的Stellite合金絲材作為電極材料，其成分如表2所示.

表1 316不銹鋼的化學成分(w)Tab.1 Chemical composition of 316 stainless steel (w) %

表2 Stellite合金的化學成分(w)Tab.2 Chemical composition of Stellite alloy (w) %

1.2 試驗方法

采用YJHB-2型高能精密類激光焊機在316不銹鋼基材表面制備Stellite合金沉積層.在沉積過程中工作電壓為20 V，工作頻率為50 Hz，瞬時輸出功率大于40 kW，保護氣體氬氣流量為5 L/min.將制備的沉積層試樣切割成尺寸為10 mm×10 mm×5 mm的試塊后進行截面鑲嵌.利用砂紙對試樣進行打磨并拋光，之后采用無水乙醇清洗試樣.待試樣干燥后，采用草酸溶液進行電解腐蝕，腐蝕電流為100 mA，腐蝕時間約為5 s.

1.3 檢測方法

2 結果及分析

2.1 顯微組織與XRD分析

圖1 Stellite合金沉積層的顯微組織形貌Fig.1 Microstructure morphologies of Stellite alloy deposited layer

圖2為Stellite合金沉積層的XRD圖譜.分析可知，沉積層主要由γ-Co和M23C6相組成.通常情況下純Co冷卻到417 ℃以下時，將由面心立方γ-Co相轉變為密排六方ε-Co相.然而，在Stellite合金中由于Cr、Ni、Mo等元素的作用與類激光熔覆的快速凝固過程抑制了γ-Co相向ε-Co相的轉變，因而富Co的Stellite合金固溶體急冷至室溫下依然保持著面心立方結構，最終得到亞穩面心立方γ-Co相.在熔池快速凝固過程中Stellite合金沉積層以亞共晶方式生長，首先形成初生γ-Co枝晶固溶體，然后在枝晶間形成共晶組織.由于Stellite合金中固溶有Cr、Mo、Ni等元素，同時Cr含量又較高，因此通常情況下共晶組織為由γ-Co和Cr23C6相構成的共晶體，不過M23C6相中的M也可能是Mo、Ni、Fe等元素，這些碳化物會對沉積層硬度的提高起到顯著作用.

2.2 硬度及摩擦磨損性能

圖3為Stellite合金沉積層的硬度曲線.由圖3可見，Stellite合金沉積層硬度最高可以達到650 HV，這主要取決于Stellite合金沉積層中細密枝晶組織的作用及M23C6等碳化物彌散分布于沉積層中所起到的第二相強化作用.與Stellite合金沉積層相比，界面處硬度約下降了150 HV，這是由于受基體元素稀釋的影響，界面處合金元素的濃度下降，晶格畸變能降低，固溶強化作用減弱，導致該區域的硬度值降低.

圖2 Stellite合金沉積層的XRD圖譜Fig.2 XRD spectrum of Stellite alloy deposited layer

圖3 Stellite合金沉積層的硬度曲線Fig.3 Hardness curve for Stellite alloy deposited layer

表3為Stellite合金沉積層在不同法向載荷條件下的磨損率和摩擦系數.由表3可見，隨著法向載荷的增大，Stellite合金沉積層的磨損率逐漸增加，摩擦系數逐漸減小但變化并不明顯.一方面，隨著法向載荷的增大，接觸面變形嚴重，界面勢能升高，分子熱運動變得劇烈起來，分子間距加大，分子間相互作用力減弱，導致摩擦系數降低[14].另一方面，在摩擦過程中必然會發生由點接觸向微小面接觸轉變的過程，隨著法向載荷的增大，微凸體的變形將逐漸由彈性變形向彈塑性變形并最終向完全塑性變形轉化.在高應力作用下面心立方γ-Co相轉化為密排六方ε-Co相.Stellite合金沉積層存在密排六方相是有益的，由于密排六方相可以擇優滑移，因此降低了Stellite合金沉積層的摩擦系數.在密排六方結構中Co具有理想的原子堆垛比，因而更容易產生滑動，使得摩擦系數較低.與此同時，載荷的增加使兩接觸表面的真實接觸面積增加，變形程度加劇，產生的磨損粒子增多且不易從接觸區排出，從而加劇了磨損.

表3 Stellite合金沉積層的磨損率和摩擦系數Tab.3 Wear rate and friction coefficient of Stellite alloy deposited layer

圖4為Stellite合金沉積層在不同載荷下的磨損形貌及EDS分析.

圖4 Stellite合金沉積層的磨損形貌與EDS分析Fig.4 Wear morphologies and EDS analysis for Stellite alloy deposited layer

由圖4a可知，當載荷為150 N時，沉積層表面磨痕犁溝較淺，只發生了輕微的黏著磨損和磨粒磨損，且磨損表面分布著深灰色組織.結合圖4b可知，深灰色組織主要為Stellite合金沉積層內生成的M23C6等硬質碳化物相，這些硬質相的存在可有效地抵制沉積層的進一步磨損，從而提高沉積層的耐磨性.由圖4c可見，當載荷為250 N時，沉積層表面磨痕犁溝較深，除了黏著和磨粒磨損以外，還存在大量的白色磨損氧化物，且可以觀察到磨削剝落現象.對比圖4b和4d可知，B點出現了O元素，而A區域并無O元素，這是因為隨著載荷的增加，磨損加劇，導致磨損面溫度升高，促使沉積層的局部區域出現了氧化磨損.

3 結 論

通過以上試驗分析可以得到以下結論：

1) Stellite合金沉積層組織從界面到表面依次是平面晶、柱狀晶和胞狀樹枝晶組織.Stellite合金沉積層與基體呈良好的冶金結合，沉積層主要由γ-Co和M23C6碳化物相組成.

2) Stellite合金沉積層的硬度明顯高于基體316不銹鋼，最高硬度為650 HV.隨著法向載荷的增大，接觸面局部應力加大，促進了面心立方γ-Co相向密排六方ε-Co相的轉變，使得Stellite合金沉積層的摩擦系數減小，磨損程度加劇，且磨損機制主要為黏著磨損、磨粒磨損和氧化磨損.

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(責任編輯：尹淑英 英文審校：尹淑英)

Microstructure and wear properties of Stellite alloy deposited layer prepared by like-laser cladding

ZHANG Chun-hua1, DING Yan-yan1, GUAN Meng2, TAN Jun-zhe2, ZHANG Song1

(1. School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. Nuclear Power Pump Industry Co.Ltd., Shenyang Blower Works Group Corporation, Shenyang 110869, China)

In order to further improve the surface properties of 316 stainless steel, the Stellite alloy deposited layer was fabricated on the surface of 316 stainless steel by like-laser cladding technology. The microstructure, chemical composition, microhardness as well as the friction and wear properties of the deposited layer were investigated with scanning electron microscope (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), X ray diffractometer (XRD), microhardness tester and pin-dish abrasion tester. The results show that the Stellite alloy deposited layer is mainly composed of γ-Co solid solution and M23C6phase. The microstructure of the deposited layer exhibits the epitaxial growth attached to the interface of 316 stainless steel substrate. From the interface to the surface, the morphology of microstructure transforms from the plane crystal, columnar crystal to cellular dendrite crystal, respectively. In addition, at the position closer to the surface, the microstructure is much finer. The highest hardness of the Stellite alloy deposited layer is 650 HV. During the process of friction and wear, the friction coefficient decreases with increasing the normal loads. Furthermore, the wear mechanism is mainly adhesive wear, abrasive wear and oxidation wear.

316 stainless steel; like-laser cladding; Stellite alloy; deposited layer; microstructure; epitaxial growth; microhardness; friction and wear

2016-05-05.

國家自然科學基金資助項目(51271126)； 國家科技專項基金資助項目(2013ZX06002-002)； 沈陽市科技局計劃項目(F16-032-0-00).

張春華(1963-)，男，吉林遼源人，教授，博士，主要從事材料表面工程等方面的研究.

17∶39在中國知網優先數字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20161222.1739.020.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.01.03

TG 156

A

1000-1646(2017)01-0012-05