石墨烯對司太立熔覆涂層組織及力學性能影響

王帆 刑永強 朱節節 管曉光 李航

（1、黑龍江科技大學材料科學與工程學院，黑龍 江哈爾濱 150022 2、中國核工業第五建設有限公司，上海 201512）

為提高材料的性能，出于經濟成本的考慮常采用價格相對低廉的材料對其表面進行改性技術提高表面的性能[1]。為此國內外學者進行大量實踐與探索，開發了諸如激光沖擊、球磨、熔覆技術、熱噴涂、化學熱處理等表面強化工藝。并從強化材料及工藝的角度開展相關的研究工作，取得許多卓有成效的成果[2-6]。司太立合金或粉末作為耐磨損、耐蝕及抗高溫氧化材料，多應用在噴涂或堆焊技術強化構件或其表面的性能。[7]而石墨烯作為21 世紀極具魔力的新型的二維納米材料，具有超輕薄、高強度、優良的強韌性等優勢日益成為國內外研究的熱點之一[8-9]，尤其是其細晶強化、位錯強化以及應力轉移提高力學性能的特性，使其成為亟待拓展的強化材料之一[10]。從已有研究來看，嘗試將司太立合金粉末和石墨烯相復合制備涂層的研究較少。因此，選用Q235 鋼板為基體，在其表面采用氬弧熔覆工藝制備司太立復合涂層，研究石墨烯添加量不同對司太立合金復合涂層組織和力學性能的影響，確定較佳的氬弧熔覆工藝。

1 試驗材料及過程

選用基體材料為Q235 鋼其化學成分見表1。試樣尺寸為100mm×30m×10mm，共15 塊。購置Stellite1 型合金粉末，其化學成分見表2，顆粒度為100-325 目。

表1 Q235 的化學成分（Wt.%）

表2 Stellite 1 的化學成分（Wt.%）

石墨烯在混合粉末中占設定5 組：0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%。為提高石墨烯的穩定性將石墨烯預處理石墨烯表面化學鍍鎳。用水玻璃作為粘著劑涂1.5mm厚不同石墨烯含量的石墨烯與司太立合金混合粉末。采用氬弧熔覆技術制備司太立復合熔覆涂層，氬弧熔覆工藝參數見表3。

表3 氬弧熔覆工藝參數

采用DX-2700B 型X 射線衍射儀對涂層進行物相分析；利用AxioLab 顯微鏡對熔覆涂層組織形貌進行觀察。用Camscan MX2600FE 掃描電子顯微鏡進行點成分分析。HVST-1000 型顯微維氏硬度計在加載力2.942N，10s 下測量顯微硬度，用MMS-2A 磨損試驗機加載力為200N，30min 作摩擦磨損試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 不同石墨烯含量下的X射線衍射分析試驗結果及分析。如圖1 所示為添加不同含量石墨烯熔覆層的XRD衍射圖譜，由圖1 可知在添加石墨烯后，隨著石墨烯含量的增加，衍射峰強度先增大后降低，分析可能原因是石墨烯導熱速度快，元素擴散速度變快，部分石墨烯碳化，促使C 與金屬原子擴散，形成促碳化物的形成，使碳化物含量增加。但石墨烯含量過多發生團聚導熱作用降低，衍射峰強度反而下降。

圖1 不同含量石墨烯的司太立合金XRD 圖譜

2.2 SEM形貌及掃描點成分分析。如圖2、圖3 所示為掃描電鏡微觀形貌和點掃描能譜圖，由圖2、圖3 可知，硬質顆粒均勻的分散在晶界附近，能譜圖顯示主要元素有C、Cr、Co、W。結合XRD衍射圖譜結果可判斷晶界部位顆粒為

圖2 0.4 %石墨烯SEM形貌

圖3 掃描點成分分析

Cr、Co的碳化物。

2.3 不同石墨烯含量下的力學性能試驗分析。如圖4所示是熔覆層至母材顯微硬度曲線。由圖4 可知，熔覆層硬度隨著石墨烯含量的升高，顯微硬度先升高再降低，在石墨烯含量到0.4%時顯微硬度最大達到770HV左右。一方面石墨烯具有良好的導熱性，當石墨烯添加到熔覆層中，提高了熔覆層的散熱性，加快了冷卻速度，使熔覆層晶粒長大時間減少，從而細化晶粒，提高熔覆層的顯微硬度等，另一方面Ni 包覆石墨烯不完全，部分石墨烯碳化，與粉末基體發生擴散形成碳化物。當熱傳導與散熱不完全一致，形成高熔點化合物趨勢增大，晶粒細化后粗化，脆硬相多，顯微硬度先增加后降低。當石墨烯含量過多，作為增強相存在，顯微硬度繼續提高。在石墨烯含量為0%時熔覆層表面至基體顯微硬度逐漸降低，熔覆層中部顯微硬度較高，達到350HV以上。這主要是由于熔覆層生成了合金固溶體和其他硬質相，固溶元素產生的晶格畸變及彌散分布的高硬度碳化物，使熔覆層的硬度顯著提高。在添加石墨烯后碳化物尺寸更加細小，分散更加均勻進一步提高顯微硬度。

圖4 熔覆層顯微硬度曲線

如圖5 所示為摩擦系數隨時間的變化曲線。圖6 為不同石墨烯含量試樣的磨損量對比。整體上可摩擦系數曲線均可分為兩個階段:初始磨合階段和穩定磨損階段。初始磨合階段，摩擦副表面微凸體之間接觸，實際接觸面積小，接觸應力大，表面微凸體被劇烈磨損，摩擦系數迅速升高。經過一段時間的磨合，表面微凸體被逐漸磨平，摩擦副間的接觸狀態得以改善而進入穩定磨損階段。由圖5 和圖6 可知，隨石墨烯含量的增加，摩擦系數和磨損失重呈現先減少后增大的趨勢。當石墨烯含量在0.4%時的摩擦系數最小。由圖6 還可以看出石墨烯含量為0.4%的磨損量最小，約0.02g，不含石墨烯涂層磨損量約0.04g，其耐磨性提高近2倍。分析可能原因是：石墨烯在提升石墨烯增強金熔覆層金屬材料力學性能的同時，還可以起到潤滑劑的作用。石墨烯作為碳基材料，能夠在摩擦表而形成自潤滑膜，有效地降低摩擦因數，提高材料的耐磨性能。由當石墨烯含量增大時摩擦系數逐漸增大，但石墨烯含量不是越多越好，大于0.4%反而變小，可能是石墨烯團聚失去原本的優良性能。

圖5 不同石墨烯含量下的摩擦系數

圖6 不同石墨烯含量的磨損失重柱狀圖

3 結論

在Q235 鋼表面氬弧熔覆制備不同石墨烯添加的司太立復合涂層，在本試驗條件下獲得主要結論如下：（1）氬弧熔覆涂層組織主由化合物和合金固溶體組成；（2）隨石墨烯含量的增加，氬弧熔覆涂層組織碳化物和合金固溶體先增多后減少的趨勢；（3）熔覆涂層的顯微硬度隨石墨烯含量的增多先增大后減少，在含碳量為0.4%時顯微硬度最大，達到了770HV以上，與基體相比提高了約3 倍；（4）耐磨性與顯微硬度相比提升不顯著，隨石墨烯含量的增加磨擦系數先降低后升高，磨損失重呈先降低后升高的趨勢，石墨烯含量為0.4%時耐磨性最好。

綜上，在石墨烯和司太立混合粉末中含量在0.4%，150A電流下司太立氬弧熔覆復合涂層耐磨性最佳。