750?℃環境溫度下制備鎳基合金激光熔覆層的力學性能研究

馮鑫++魏祥賽++肖安永++王廣蘭++丁悅婕++趙偉

摘 要：該文研究了在750 ℃環境溫度下制備Inconel 718鎳基合金激光熔覆層的力學性能。通過納米劃痕實驗，研究激光熔覆層的表面摩擦系數和耐磨性；通過納米壓痕實驗，研究激光熔覆層的納米硬度分布狀態。結果表明，750 ℃環境溫度對鎳基合金熔覆層耐磨性和硬度的提高有著明顯的促進作用。這可能是由于750 ℃環境溫度使鎳基合金熔覆層發生再結晶行為，合金組織由沉積態的初始柱狀晶轉化為等軸晶，Laves相完全固溶，針狀δ相以及γ"強化相分別在晶界處以及γ基體上大量彌散析出。

關鍵詞：激光熔覆 力學性能 納米壓痕

中圖分類號：TG174 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（b）-0074-02

隨著工業和科學技術的進一步發展，單一材料往往無法滿足某些應用領域的嚴苛要求。為了解決此局限性，高性能的功能梯度材料得到廣泛研究，以便滿足各種獨特的操作條件和要求[1]。例如：鈦合金材料由于其優越的比強度得到廣泛應用，然而，由于其較高的摩擦系數決定了鈦合金的耐磨性能較差。因此，應用激光熔覆技術對鈦合金材料表面進行改性處理，制備高性能耐磨鈦合金復合板就顯得尤其重要。激光熔覆技術[2]是以高能激光束為熱源，將預置或同步供給在基體表面的具有優異耐磨、耐蝕等性能的涂層材料熔化，并與基體形成良好冶金結合，從而獲得特殊要求的表面改性技術。此技術具有稀釋率低、熱影響小、熔覆件扭曲變形小、過程易于實現自動化等優點。在激光熔覆過程中，激光、粉末材料及基體間相互作用形成熔覆層是一個較復雜的熔化-凝固冶金過程，熔池的凝固在固液界面前沿存在柱狀晶和等軸晶的相互競爭生長與轉化，這便導致熔覆層組織結構的復雜性。不同的環境溫度會直接影響熔池的凝固過程，從而形成力學性能迥異的微觀組織結構。因此，分析不同的環境溫度下制備鎳基合金激光熔覆層的力學性能，探索制備具有最優力學性能鎳基合金熔覆層的最佳環境溫度是十分有意義的。該文研究了在750 ℃環境溫度下制備Inconel 718鎳基合金激光熔覆層的力學性能，并與室溫下制備鎳基合金熔覆層的力學性能進行了對比。

1 實驗材料與方法

一個4 mm厚的Ti-6Al-4V合金板被用做實驗基底材料，熔覆層材料為Inconel 718粉末，粉末顆粒尺寸介于50～100 μm。鎳基合金粉末通過有機粘結劑預置在基底材料表面，其厚度是1.0 mm。一束5kW CO2激光通過水冷銅鏡反射照射在樣品表面。選用的激光加工參數如下：功率P=4 kW，掃描速度V=10 mm/s，光束直徑d=5 mm，重疊系數為0.3，實驗分別在750 ℃環境溫度與室溫下進行。最后，納米壓痕儀被用來分析鎳基合金激光熔覆層的耐磨性與硬度。

2 結果與討論

通過納米劃痕試驗，分別研究在750 ℃環境溫度下與室溫下制備鎳基合金熔覆層的表面摩擦系數。摩擦系數是指納米劃痕實驗過程中切向力Pl和法向力Pn之間的比率。在劃痕試驗中，法向載荷在3 s內從0μN增加到3 000 μN，當達到最大載荷時壓頭以0.3 μm/s的速度在樣品上保持滑動40 s，最后法向載荷在3 s內減小到0 μN。750 ℃環境溫度下制備鎳基合金熔覆層的平均摩擦系數大約是0.168，而在室溫下制備的樣品平均摩擦系數卻為0.215，如圖1所示。較低的摩擦系數說明具有更強的耐磨性，這一發現表明750 ℃環境溫度有利于鎳基合金激光熔覆層耐磨性的提高。同時可以發現，750 ℃環境溫度下制備鎳基合金熔覆層的摩擦系數波動范圍較小，這說明了熔覆層組織結構的均勻性也得到了優化。

為了進一步研究熔覆層的表面力學性能，圖2分別出示了在750 ℃環境溫度下與室溫下制備鎳基合金熔覆層橫截面的納米硬度分布狀態。圖2（a）出示了室溫下制備樣品在0.45 mm×1 mm尺寸范圍內的納米硬度分布，壓痕在水平與垂直方向上的間隔都為0.05 mm，Y方向為熔覆層厚度方向，圖像最上端對應熔覆層表面；圖2（b）出示了750 ℃環境溫度下制備熔覆層樣品的納米硬度分布，方法參數與圖2（a）一致。從圖2中可以看出，750 ℃環境溫度下制備熔覆層的平均納米硬度約為7.4 GPa，較室溫下制備的樣品（6.7 GPa）高10.4 %，這進一步證明了750 ℃環境溫度對鎳基合金激光熔覆層的強化作用。其內在機理可能是由于750 ℃環境溫度使鎳基合金熔覆層發生再結晶行為，合金組織由沉積態的初始柱狀晶轉化為等軸晶，Laves相完全固溶，針狀δ相以及γ"強化相分別在晶界處以及γ基體上大量彌散析出。

3 結語

提高環境溫度對鎳基合金激光熔覆層的力學性能優化具有重要意義，750 ℃環境溫度能夠提升熔覆層的耐磨性和硬度。此強化機制可能主要依賴于鎳基合金熔覆層再結晶過程中析出的高強度第二相，即γ"相、δ相以及碳化物。

參考文獻

[1] J.T. Liu， M. Li， S. Sheu， et al. Macro- and micro-surface engineering to improve hot roll bonding of aluminum plate and sheet[J]. Mater. Sci. Eng， 2008（479）：45-57.

[2] S.S. Babu， S.A. David， R.P. Martukanitz， et al.Toward prediction of microstructural evolution during laser surface alloying[J]. Metall. Mater. Trans， 2002（33）：1189-1200.