激光熔覆含氮雙相不銹鋼涂層試驗研究*

計東生，彭如恕

(南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽 421001)

0 引 言

雙相不銹鋼(DSS)是一種含鐵素體(α)和奧氏體(γ)雙相組織的材料，因其具有優異的力學性能和耐腐蝕性能[1,2]，被廣泛應用于石化、天然氣、化工、造紙、化肥、核電、煙氣脫硫、環保、建筑、海洋工程、海水淡化、深海油氣開采、船舶裝備等腐蝕環境苛刻的領域[3]。雙相不銹鋼具有明顯高于奧氏體不銹鋼的強度和抗氯化物應力腐蝕能力，同時還有良好的塑性和韌性[1]。氮元素的加入可以降低鋼中鐵素體的含量，促進奧氏體形核，對兩相體積分數起到調控作用[4]。其中鐵素體影響其強度和耐腐蝕性能，而奧氏體影響延伸性和耐均勻腐蝕性能[5]。激光熔覆技術是在碳鋼、不銹鋼、有色金屬等金屬基體上制備復合涂層的一種有效方法，具有熱影響區小，熱變形小，涂層與基體結合好，涂層組織細化，工藝過程易于實現自動化等優點，引起了人們的廣泛關注[6]。

筆者針對316L不銹鋼表面硬度低和耐磨性能較差的不足，提出采用激光熔覆技術，在316L不銹鋼表面熔覆含氮雙相不銹鋼涂層，對比分析了涂層和基體的硬度和耐磨性能。有效提高了316L不銹鋼的表面硬度和耐磨性能。

1 實驗材料及方法

1.1 試樣制備

實驗粉末采用含氮雙相不銹鋼粉末，實驗基體采用316L不銹鋼，化學成分如表1所列。實驗之前，所有材料在50 ℃烘箱中12 h，以待使用。

表1 基體及激光熔覆粉末化學成分(%)

實驗采用側向同軸送粉和水冷系統的FL-1500 1.5 kW光纖激光器，在流量為9 L/min的高純度N2(99.999%)保護氣下進行激光熔覆處理，激光功率密度為480 W/mm2，掃描速度為480 mm/min，搭接率為50%，送粉率為4.5 g/min。

1.2 試驗方法

使用XD-3X射線衍射儀(XRD)分析涂層的相組成；采用光學顯微鏡觀察試樣的金相組織。使用HVS-1000AV顯微硬度計測得顯微硬度分布；通過球-盤式HT-1000摩擦磨損試驗機進行耐磨性能試驗，對磨球為5 mm直徑Si3N4陶瓷球，時間為30 min，載荷為5 N，摩擦半徑為3 mm，轉速為560 r/min，并用自帶的表面輪廓儀測量摩擦后的磨痕深度與磨損體積，并對其磨損量進行分析計算。

2 結果與討論

2.1 涂層物相分析

圖1為涂層XRD圖譜，由圖可見含氮雙相不銹鋼涂層未出現明顯的有害相衍射峰，且相組成為奧氏體(γ)和鐵素體(α)雙相組織。

圖1 涂層XRD圖譜

2.2 顯微組織與形貌

圖2為含氮含氮雙相不銹鋼涂層顯微金相圖。由圖2(a)可知，涂層與基體形成了良好的冶金結合，無裂紋出現；由圖2(b)可知，涂層組織分布均勻，相界分明。氮元素是一種強奧氏體元素，在雙相鋼中加入氮元素可以促進奧氏體的形成，圖中奧氏體形貌為大的塊狀或長條狀相連的狀態。

圖2 顯微金相圖

2.3 顯微硬度

圖3為試樣截面顯微硬度分布曲線。由圖3可知，涂層硬度(290 HV0.2)比基體硬度(175 HV0.2)高115 HV0.2。涂層中鐵素體的存在使得涂層硬度高于基體，同時氮元素以固溶強化的方式，進一步增強了不銹鋼的力學性能[4]。由于激光熔覆具有快熱快冷的特性，熔覆時熔池溫度高，在結合區的基體部分會形成熱影響區，使結合區基體的硬度發生變化，從而導致結合區基體硬度分布變化距離較長。

圖3 截面顯微硬度分布

2.4 耐磨性能

圖4為基體和涂層磨損表面輪廓圖。由圖4可測得涂層和基體的磨損量分別為0.0581 mm3和0.1294 mm3。通過公式(1)計算得涂層磨損率為3.67 × 10-5mm3/(N·m)，基體磨損率為8.18 × 10-5mm3/(N·m)，涂層的耐磨性是基體的2.23倍。材料的磨損率與材料的硬度成反比，涂層的磨損率低于基體可以歸因于涂層較高的顯微硬度。

(1)

式中：V為磨損量，mm3；F為載荷，N；S為磨損路徑，m。

圖4 磨損表面輪廓

圖5為磨損形貌SEM圖。由圖5(a)可知，涂層表面出現了塑性變形、犁溝和塊狀剝落。由于激光熔覆快冷快熱的特性，涂層內有很大的殘余應力，而在摩擦磨損過程中，涂層表面經受外法向正壓力的作用，內應力的集中在表層薄弱處引起微小裂紋，裂紋逐漸擴展并發生斷裂，產生較大的塊狀和部分粉末狀磨屑。主要磨損機理為粘著磨損和磨粒磨損[7]。

由圖5(b)可知，基體表面出現了塑性變形、犁溝和團聚的磨屑。由于對磨球的硬度遠大于基體，在摩擦過程中，對磨球表面的微凸體產生了顯微切削作用，涂層表面微凸體受到塑性變形或斷裂而產生粉末狀和塊狀磨屑，這些磨屑嵌入摩擦表面形成三體磨粒磨損加劇摩擦。主要磨損機理表現為嚴重的粘著磨損和磨粒磨損[8]。

圖5 磨損形貌SEM照片

3 結 論

采用激光熔覆技術，成功在316 L不銹鋼表面制備了含氮雙相不銹鋼涂層，結果表明涂層有效改善了基體表面性能。主要結論如下：

(1) 涂層與基體形成了良好的冶金結合，涂層為鐵素體和奧氏體雙相組織。

(2) 制備含氮雙相不銹鋼涂層的硬度為290 HV0.2，比基體高115HV0.2；涂層的耐磨性是基體的2.23倍，磨損機理都表現為粘著磨損和磨粒磨損，涂層的力學性能顯著提高。