離焦量對MoS2改性Fe-Cr-Mo-Si合金涂層組織與性能的影響

董 月， 舒林森,2

(1. 陜西理工大學 機械工程學院， 陜西 漢中 723001； 2. 陜西省工業自動化重點實驗室， 陜西 漢中 723001)

40Cr鋼因其具備良好的韌性、塑性、淬透性和加工性，被廣泛應用于軸類、齒輪、蝸桿、模具等機械零件當中，但在高溫高壓等惡劣工況下運行時，零件工作表面很容易被磨損、腐蝕甚至斷裂而失效[1-3]。激光熔覆技術不僅具備熔覆層變形小、基體熱影響區小、界面結合強度高等優勢，同時具有環保、綠色無污染等特點。因此，對零件進行激光熔覆再制造修復，符合我國建設資源節約型社會，實現可持續發展的重大戰略[4-5]。目前，關于碳鋼、不銹鋼、結構鋼、高溫合金鋼等材料的激光熔覆技術已有大量研究。熔覆材料除了鐵基[6]、鎳基[7]、鈷基[8]自熔性合金粉末外，在粉末中添加增強相逐步成為研究熱點。王東生等[9]采用激光熔覆技術制備了NiCrBSi/WC-Co復合涂層，該復合涂層硬度相比基材提高3倍。Yang等[10]在H13粉末中加入Y2O3粉末和WC粉末作為強化相，通過Y2O3加速了WC粒子分解，提高了復合涂層的均勻性。白楊等[11]采用激光熔覆技術在Q235鋼表面制備了316L不銹鋼耐蝕底層和316L+(ZrO2-8%Y2O3)防滑面層，復合涂層的耐蝕性和耐高溫性能較好。李眉葭等[12]在TC4鈦合金表面激光熔覆了Ni60+Ti3SiC2混合粉末，制備了Ni基自潤滑復合涂層，使摩擦因數降低約50%。Liu等[13]探究了掃描速度對熔覆層組織與性能的影響，發現在300 mm/s的掃描速度下，可制備出摩擦因數低、磨損率低的鎳基自潤滑涂層。激光熔覆是復雜的瞬態熱物理化學反應過程，工藝參數控制不當將直接影響熔覆層質量。其中，離焦量的大小直接決定著光斑直徑及其能量分布密度[14]，影響涂層質量穩定性。因此，研究離焦量對熔覆層組織與性能的影響至關重要[15-16]。

鑒于此，本文在40Cr鋼基體上熔覆制備了MoS2改性的Fe基復合涂層，研究了離焦量對涂層宏觀形貌、微觀組織、顯微硬度及摩擦磨損性能的影響，以期為40Cr鋼表面高性能合金涂層的應用提供參考。

1 試驗材料及方法

試驗基體材料為正火態40Cr鋼，顯微組織如圖1所示，可見組織由鐵素體和珠光體組成，基材尺寸為200 mm×100 mm×10 mm，使用前用砂紙打磨并做清潔處理。熔覆材料為MoS2+Fe-Cr-Mo-Si混合粉末，MoS2質量分數為3%，粉末形貌如圖2所示。其中，Fe-Cr-Mo-Si合金粉末和40Cr鋼基材的化學成分如表1 所示。熔覆試驗前，利用球磨機將MoS2粉末與Fe-Cr-Mo-Si合金粉末在300 r/min轉速下混合12 h，并在真空干燥箱中烘干備用。

圖1 正火態40Cr鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of the normalized 40Cr steel

圖2 激光熔覆粉末的微觀形貌Fig.2 Morphologies of the laser clad powder(a) Fe-Cr-Mo-Si; (b) MoS2

表1 Fe-Cr-Mo-Si合金粉末與40Cr鋼基材的化學成分(質量分數，%)

激光熔覆試驗采用了四路同步同軸送粉模式，使用的光纖激光熔覆設備由YLS-3000型半導體激光器、ABB機器人手臂、ZF-KDPZ熔覆頭、CWFL水冷裝置和RH-DFOM雙筒送粉器組成，載粉氣和保護氣均采用純度為99.99%的氬氣。試驗采用多次單因素及多因素正交試驗優化得到的較優的工藝參數：激光功率P=1500 W、掃描速度Vs=12 mm/s、送粉速率Vf=18 g/min、搭接率40%。選擇3種離焦量：h1=0 mm、h2=1 mm、h3=2 mm，以探究不同離焦量對復合激光熔覆涂層組織與摩擦磨損性能的影響。

在熔覆試驗完成后，采用線切割制備金相試樣及摩擦磨損樣塊。用體積分數為4%硝酸酒精溶液對磨拋后的金相試樣進行腐蝕，使用VHX-7000型超景深顯微鏡進行組織觀測；利用HV-1000型顯微硬度計對復合涂層試樣顯微硬度進行測定，載荷砝碼為0.5 kg，加載時間為10 s；通過MMW-2型摩擦磨損試驗機在室溫(25 ℃)下進行摩擦磨損試驗，摩擦磨損試樣的尺寸均為38 mm×38 mm×6 mm，表面粗糙度為1.7 μm，復合涂層及Fe基涂層(未添加MoS2)樣塊磨損試驗參數均設置為載荷50 N，轉速100 r/min，磨損時間20 min。試驗前后將樣塊用酒精清洗并在室溫下干燥，用電子天平(精度為0.001 g)進行磨損量測量，磨損試驗機的主機自動記錄摩擦因數曲線，利用超景深顯微鏡對磨損后試樣的表面形貌進行觀測。

2 試驗結果與討論

2.1 表面形貌

圖3為不同離焦量下復合涂層的截面形貌及其宏觀形貌。可以看出，3個試樣的涂層均無宏觀裂紋、氣孔等缺陷。其中，離焦量為0、1 mm時復合涂層表面附著部分未熔粉末顆粒，具有較高的粗糙度；離焦量h3=2 mm時復合涂層表面光滑平整，粗糙度最小，復合涂層與基材間冶金結合最優。分析發現，光束能量密度均勻性隨著離焦量增加而提高，適當提高離焦量有助于加強復合涂層與基材冶金結合，并促使表面附著粉末顆粒熔化，使復合涂層表面光潔度提升。

圖3 不同離焦量下MoS2+Fe-Cr-Mo-Si復合涂層的截面形貌Fig.3 Crass-sectional morphologies of the MoS2+Fe-Cr-Mo-Si composite coating under different defocusing amount(a) 0 mm; (b) 1 mm; (c) 2 mm

圖4為復合涂層截面幾何尺寸測量示意圖及幾何尺寸測量結果。復合涂層由上到下依次為熔覆層(CZ)、熔化區(MZ)、熱影響區(HAZ)及基材(Sub)。可見，隨著離焦量的增大，復合涂層深度和寬度減小，高度增大。當激光功率、掃描速度等其他熔覆工藝參數不變時，激光能量密度隨離焦量的增大而減小，到達基體且被基體和粉末吸收形成熔池的能量減小，進入熔池內粉末量減小，形成熔池區域面積變小，因而熔深在離焦量為0～2 mm間呈下降趨勢。

圖4 MoS2+Fe-Cr-Mo-Si復合涂層截面幾何尺寸測量示意圖(a)和測量結果(b)Fig.4 Schematic diagram(a) and measurement results(b) of geometric dimension measurement of cross section of the MoS2+Fe-Cr-Mo-Si composite coating

2.2 微觀組織

圖5為不同離焦量下復合涂層垂直截面的顯微組織。可見，受熔池凝固過程中凝固速度R和溫度梯度G的影響，復合涂層顯微組織從底部到頂部呈現出規律性變化，依次為復合涂層底部平面晶和柱狀晶區、復合涂層中部樹枝晶區、復合涂層頂部等軸晶區。在復合涂層底部區域，圖5(i)中可以清晰觀察到結合處有平面晶出現，圖5(c，f)則不明顯。主要原因是激光能量密度隨離焦量的增大而減小，導致溫度梯度降低，結晶參數G/R減小，平面晶生長受到抑制。在復合涂層中部區域，溫度梯度較大，樹枝晶具有較好的生長條件，且隨離焦量增大，樹枝晶組織越粗大。在復合涂層頂部區域，隨著離焦量的增大，溫度梯度減小，使得晶粒尺寸變小，從圖5(g)可見，當離焦量為2 mm時，等軸晶晶粒更加細小，組織也更加致密。在熔合線下方是熱影響區，該區域主要由馬氏體組織形成，白色部分為殘留奧氏體，其主要原因為在熔覆過程中，熔池內產生的熱量快速傳遞到40Cr鋼基體，基體吸收激光能量后發生相變，從而轉變為硬度較高的馬氏體組織。

圖5 MoS2+Fe-Cr-Mo-Si復合涂層垂直截面的顯微組織Fig.5 Microstructure of vertical section of the MoS2+Fe-Cr-Mo-Si composite coating

2.3 顯微硬度

圖6(a)為不同離焦量下復合涂層顯微硬度分布曲線。可見，3種離焦量下的顯微硬度均呈階梯狀下降趨勢，復合涂層硬度明顯高于基材硬度。其中，離焦量h3=2 mm時，復合涂層上部顯微硬度值最大，達696.1 HV0.5，其值約為40Cr鋼基材(Sub)平均硬度(230.6 HV0.5)的3倍。主要原因在于復合涂層組織晶粒大小影響復合涂層硬度，晶粒尺寸相對越小，復合涂層的顯微硬度越大，復合涂層截面組織晶粒大小特征如圖6(b)所示。當離焦量為h3=2 mm時硬度值分布曲線最為穩定，而離焦量為h1=0 mm和h2=1 mm時硬度值分布曲線波動較大。主要原因在于當離焦量相對較小時，激光能量密度較大且分布不均勻，使得光斑中心與邊緣的能量密度差較大，導致基材與復合涂層間的冶金結合強度不理想以及復合涂層各區域組織晶粒生長不均勻，因此硬度值分布曲線不穩定。由于基材元素對復合涂層產生的局部稀釋，導致復合涂層下部的熔化區(BZ)硬度值有所下降，而位于熔化區之下的熱影響區(HAZ)硬度明顯高于基材，其原因在于40Cr鋼基材部分組織向馬氏體組織轉變。

圖6 不同離焦量下MoS2+Fe-Cr-Mo-Si復合涂層熔覆試樣的顯微硬度分布曲線(a)和截面組織晶粒大小特征(b)Fig.6 Microhardness distribution curves(a) and grain size characteristics of section structure(b) of the MoS2+Fe-Cr-Mo-Si composite coating clad specimen with different defocusing amounts

2.4 摩擦磨損性能

圖7(a)為相同磨損條件下4組試樣的平均摩擦因數。可見，復合涂層平均摩擦因數分別為0.506、0.489、0.457，遠小于Fe基涂層的平均摩擦因數(0.618)，主要原因是MoS2潤滑相降低了涂層摩擦因數。熔覆高溫使MoS2受熱分解，與復合涂層中合金元素生成硫化物，且硫化物具有層片狀的易滑移結構特征，起到潤滑作用。當離焦量增加時，激光能量分布均勻性增大，使MoS2潤滑相充分分解，潤滑作用提升，所以摩擦因數隨著離焦量的增加呈下降趨勢。由圖7(b)可見，復合涂層磨損量隨著離焦量增大而減小，與復合涂層摩擦因數規律性保持一致。離焦量為2 mm的復合涂層試樣磨損量為0.010 g，僅為Fe基涂層磨損量的21.7%，表明MoS2改性Fe-Cr-Mo-Si合金涂層耐磨性能良好。

圖7 不同離焦量下MoS2+Fe-Cr-Mo-Si復合涂層及Fe基涂層的摩擦因數(a)與磨損量(b)Fig.7 Friction coefficient(a) and wear loss(b) of the MoS2+Fe-Cr-Mo-Si composite coating with different defocusing amounts and Fe-based coating

圖8為4種試樣的磨損表面形貌。復合涂層磨損表面出現較細淺且平行于滑動方向的犁溝，并出現大塊粘著物，主要磨損機制為磨粒磨損和粘著磨損。Fe基涂層磨損表面非常粗糙，出現較深的犁溝和小凹坑，主要由于脫落的磨屑在摩擦過程中充當硬質磨粒，導致表層材料出現斷裂剝落產生局部疲勞，從而形成凹坑，主要磨損機制為磨粒磨損及疲勞剝落磨損。從圖8可以看出，當離焦量為2 mm時，復合涂層表面磨損程度最小，耐磨性能更好，主要原因為復合涂層在激光高能密度作用下，其內部生成潤滑作用較好的硫化物潤滑膜，從而顯著提升復合涂層表面耐磨性能。

圖8 不同離焦量下MoS2+Fe-Cr-Mo-Si復合涂層(a～c)及Fe基涂層(d)的磨損表面形貌Fig.8 Worn surface morphologies of the MoS2+Fe-Cr-Mo-Si composite coating with different defocusing amounts(a-c) and Fe-based coating(d)(a) 0 mm; (b) 1 mm; (c) 2 mm

3 結論

1) 采用激光熔覆技術在40Cr鋼上制備MoS2改性的Fe-Cr-Mo-Si合金復合涂層。隨著離焦量的增大，復合涂層表面越光滑平整，復合涂層與基材間冶金結合越好，當離焦量為2 mm時，復合涂層表面粗糙度最小，結合面無氣孔、裂紋等缺陷。

2) 復合涂層上部形成了等軸晶組織，中部為粗大的樹枝晶，底部存在垂直熔合線生長的柱狀晶及沿著基體表面生長的平面晶。其中，離焦量為2 mm時，復合涂層上部顯微硬度值最高，達696.1 HV0.5，約為基材硬度(230.6 HV0.5)的3倍；離焦量為2 mm時硬度分布最為穩定，而離焦量為0 mm和1 mm時硬度值存在波動。

3) 在相同磨損工況下，復合涂層平均摩擦因數及磨損量遠小于Fe基涂層，但復合涂層平均摩擦因數及磨損量隨離焦量增大而減小；復合涂層主要磨損機制為磨粒磨損和粘著磨損，在離焦量達到2 mm時復合涂層耐磨性能最好，而Fe基涂層以磨粒磨損和疲勞剝落磨損機制為主。