石墨烯含量對激光熔覆鎳基熔覆層組織和性能的影響

單嘉祿，烏日開西·艾依提

石墨烯含量對激光熔覆鎳基熔覆層組織和性能的影響

單嘉祿，烏日開西·艾依提

（新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊 830017）

研究石墨烯（Gr）含量對鎳基熔覆層組織和性能的影響，通過分析Gr含量對復合熔覆層的影響規律來確定Gr的最佳添加含量，同時進行橫向、縱向等2個方向上的摩擦磨損測試，以分析掃描方向對摩擦磨損性能的影響。采用預置粉末法制備石墨烯/鎳基（Gr/Ni60）合金熔覆層，并針對Gr的質量分數分別為0%、0.3%、0.5%、0.8%、1%的復合涂層進行物相檢測、微觀組織、顯微硬度、摩擦性能等方面的分析。Gr的加入沒有引起鎳基熔覆層相組成的變化，主要組成相為γ?Ni、Cr7C3、Cr23C6。隨著Gr含量的增加，復合涂層晶粒尺寸逐漸減小，晶粒明顯細化，顯微硬度由623.12HV逐步提升到828.65HV，橫向磨損平均摩擦因數從0.65降至0.48，磨損率從7.5×10?5mm3/(N·m)降至3.6×10?5mm3/(N·m)。縱向磨損平均摩擦因數從0.70降至0.58，磨損率從5.7×10?5mm3/(N·m)降至4.5×10?5mm3/(N·m)。當Gr的質量分數為1%時復合涂層的晶粒尺寸與Gr的質量分數為0.8%時相比有所增加，且硬度和摩擦性能略有下降。當Gr的質量分數為0.8%時，復合涂層具有更好的晶粒結構、顯微硬度和耐磨性，且橫向摩擦性能優于縱向摩擦性能。在鎳基熔覆層中添加Gr可以起到明顯的強化作用，過量添加Gr會使熔覆層的顯微硬度和摩擦性能下降，在添加Gr之前熔覆層的磨損機制主要為磨粒磨損，加入Gr之后磨損機制轉變為黏著磨損和氧化磨損，并伴隨磨粒磨損。

激光熔覆；石墨烯；Ni60；微觀組織；顯微硬度；摩擦性能

激光熔覆技術是一種綜合了材料制備及表面改性的先進技術[1]，被廣泛應用于航空航天、汽車、生物醫療等領域中耐磨和高強度表面的制備。鎳基合金具有良好的理化性質，因而得到了廣泛的應用[2]。由于單純鎳基合金很難適用于嚴重磨損環境，所以人們加入一些微米級的硬質顆粒來制備顆粒增強復合材料。這會導致裂紋和氣孔的產生[3-4]，尤其是在大型的表面熔覆層，且優化工藝過程煩瑣、成本高。目前，可采用多種技術制備復合涂層，如物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）、等離子熔覆、激光熔覆、微弧氧化等[5-9]。其中，激光熔覆技術具有高效、可與基體冶金結合等獨特優勢，已發展成為摩擦學和激光應用等領域比較超前的研究方向[10]。

納米材料的發展為提高復合涂層的質量和性能提供了巨大的機遇。Gr中碳原子通過sp2雜化軌道鍵合，因而具備優異的電學性能、熱學和力學性能[11]。此外，Gr的高比表面積使其在與基體材料結合時能形成更大的接觸面積，從而提高了材料的結合強度[12-15]，且Gr的二維層狀結構使層間易在剪切力的作用下滑動，在磨損表面形成潤滑膜，有利于提高材料的耐磨性?；谝陨蟽烖c，Gr被認為是材料較為理想的增強體[16-20]。近年來，人們對Gr金屬基復合材料及其涂層進行了研究。Miao等[21]采用激光熔覆技術在Ti6Al4V合金表面制備了氧化石墨烯（GO）鈷基復合涂層，發現氧化石墨烯的質量分數為0.5%時涂層的性能相對最好，與純鈷基涂層相比硬度提高了32%，且涂層中發現了未溶解的GO薄膜，磨損率降低了66%。當GO的質量分數為1.4%時，由于過量GO的加入會降低涂層對激光的吸收率，從而影響涂層的微觀組織，并且會使碳化物積累，導致涂層硬化，產生大的裂紋，耐磨性降低。 Zhao等[22]采用原位合成的方式制備了石墨/Ti6Al4V復合涂層，發現石墨的加入會增加磨損表面機械混合層（MML）的致密度，且原位生成的TiC抑制了MML中裂紋的擴展，提高了復合涂層的耐磨性。Zhang等[23]采用超聲和濕法球磨相結合，在Ni60粉末表面原位合成了多層Gr，并制備了Gr/Ni60復合涂層，發現Gr在復合涂層中部分轉變為類富勒烯結構，對復合涂層中第二相（碳化鉻）有分散強化作用，使Gr/Ni60復合涂層表現出優異的摩擦學性能。Deng等[24]采用激光熔覆技術制備了鎳包石墨烯納米片（NiGNPs）增強IN625復合涂層，發現復合涂層具有更高的硬度，并且添加NiGNPs提高了涂層的導熱系數，熱影響區更小，此外摩擦因數和磨損率均降低，磨損性能得到大大改善。

以上研究表明，通過激光熔覆技術，Gr可以很好地與金屬材料形成基體結合良好的復合涂層，且由于熔池中流體流動驅動力引起的對流攪拌效應會使石墨烯在熔池內溶解后均勻擴散，從而提高石墨烯/鎳基復合涂層的表面質量[25]，且硬度和耐磨性均得到提升。關于Gr含量對采用激光熔覆技術制備Gr/Ni60復合涂層的影響的研究鮮有報道，此外因激光熔覆過程具有方向性，因此針對表面不同磨損方向上的摩擦磨損性能也鮮有研究。為了探究Gr含量對Ni60涂層性能的影響，以及不同磨損方向上復合涂層的摩擦磨損性能，文中擬采用預置粉激光法制備Gr增強Ni60涂層，分析Gr/Ni60復合涂層的顯微組織，測試復合材料的顯微硬度，系統研究高能激光作用下Gr含量對復合涂層不同方向上耐磨性的影響。

1 實驗

1.1 材料

實驗所選Ni60粉末的粒徑為127～210 μm，成分（均用質量分數表示）：C 0.6%～1.0%，Cr 14%～17%，B 2.5%～4.5%，Si 3.0%～4.5%，Fe≤15%，余量為Ni。實驗所選Gr粉末的粒徑為5～8 μm，Gr粉末為比較典型的片層狀形態。Ni60粉末和Gr粉末的微觀形貌如圖1所示。實驗所用基體為Q235鋼，尺寸為600 mm× 400 mm，成分（均用質量分數表示）：C 0.12%～0.2%，Mn 0.3%～0.7%，Si ≤0.3%，S ≤0.04%，P ≤0.04%，余量為Fe。實驗前分別用200目、400目砂紙打磨基體，以清除鐵銹和油污，打磨后使用無水乙醇擦拭基體表面。

1.2 方法

預置層試樣編號和成分配比如表1所示。每組混合粉末的質量為100 g，將用超聲分散儀分散8 h后的Gr粉末和Ni60粉末分別進行電熱恒溫干燥處理，干燥完成后使用KQM–Z/B型行星式球磨機混勻，球磨機的轉速為360 r/min，球磨時間為2 h。使用羧甲基纖維素鈉（CMC）作為黏結劑，制備混合預置粉末涂層，預置層的厚度為0.8 mm。將預置層烘干后在Q235基體（600 mm×400 mm）上構建Gr/Ni60復合層。通過工藝實驗優化，得到了最佳工藝參數：激光功率為1 400 W，掃描速度為6 mm/s，搭接率為30%。實驗中激光熔覆系統采用IPG公司的YLS–2000W光纖激光器。圖2為試樣示意圖，熔覆高度為2 mm，長度為50 mm。此實驗中，在激光熔覆時激光頭從點出發沿箭頭方向掃描完第1道回到點，再按照搭接率為30%移動至點，依次搭接形成涂層，且具有方向性。為了模擬工程中復雜的磨損環境，測試了2個摩擦磨損方向上的性能，縱向磨損方向定義為平行于激光掃描方向，橫向磨損方向定義為垂直于激光掃描方向，分析在這種掃描策略下不同方向上的摩擦磨損性能是否具有差異性。

從涂層橫截面上切取試樣。利用X射線衍射儀（XRD）進行相鑒定，掃描角度為20°～80°。利用SUPRA–55VP掃描電鏡（SEM）觀察了涂層的橫截面及磨損表面的微觀結構。采用HXS–1000A硬度計，在載荷1.96 N、時間15 s下，檢測熔覆層表面至基體的顯微硬度分布，相鄰點間距為0.1 mm。在RtecMF– 500摩擦磨損試驗機上，將直徑為4.75 mm的GCr15軸承鋼球作為摩擦副，上樣品（摩擦副GCr15）向下移動，接觸到下樣品后，壓力傳感器通過上樣品施加恒定載荷（N），下樣品以一定的頻率（Hz）左右移動，沖程為（mm），經過一定的時間（min），上樣品向上移動，離開下樣品，測試完成。測試參數：法向載荷為5 N，磨損往復距離為3 mm，速度為2 mm/s，時長為30 min。摩擦因數采用常規法測量，二維力值傳感器將實時記錄載荷和上下樣品之間發生相對運動而產生的摩擦力x，摩擦因數按式（1）計算。

=x/(1)

在室溫干滑動磨損條件下對熔覆層進行了耐磨性試驗，并測試了其磨損率和磨損體積，磨損率按式（2）計算。

圖1 粉末顆粒的SEM形貌

表1 實驗材料編號及成分配比

Tab.1 Experimental material number and composition ratio

圖2 試樣示意圖

=Δ/(×) (2)

式中：為磨損率，mm3/(N·m)；Δ為磨損體積，mm3；為磨損過程中所加的載荷，N；為磨痕的長度，m。

在摩擦磨損試驗后，用掃描電子顯微鏡觀察了試樣的磨損表面，通過分析表面的磨損形貌以揭示其磨損機理。

2 結果與分析

2.1 物相分析

不同Gr含量復合涂層的XRD衍射圖譜見圖3，可以看出添加Gr未改變熔覆層的相組成。通過對比標準PDF卡片，各涂層中的主要相組成仍為γ–Ni、Cr23C6、Cr7C3、C。其中，γ–Ni（111）峰強最高，表明這是晶界生長的擇優取向。純Ni60涂層碳化物的特征峰在45°、76°位置比較明顯，添加Gr后，未檢測到C的特征峰，在37°、44°、51°、76°均檢測到碳化物的衍射峰。當Gr的質量分數為0.8%時，在76°左右的Cr7C3峰的強度最高。由于Gr具有較高的活性，極易發生溶解，從而與合金粉末中的鐵、鉻等元素構成碳化物相，并以碳化物的形式存在于熔覆層中，從而提高了涂層的性能。由于Cr7C3的硬度和韌性高于Cr23C6的[26]，所以當Gr的質量分數為0.8%時，其硬度要比其他Gr含量的涂層高，也表現出更好的耐磨性。此外，從圖3可以看出，隨著Gr含量的增加，衍射峰的寬度有變大的趨勢，γ–Ni（111）晶面比較明顯。通過謝樂公式=/(cos)可知，峰半高寬值越大，則晶粒在垂直于晶面方向的平均厚度就越小，且晶粒尺度越小，可見Gr具有降低熔覆層中γ–Ni晶體晶粒尺寸的效果。

圖3 Gr/Ni60復合涂層的X射線衍射圖譜

2.2 顯微組織分析

不同Gr含量的復合涂層中部SEM截面形貌見圖4。從圖4可以看出，隨著Gr含量的增大，晶粒尺寸呈現先減小后升高的趨勢，在添加Gr之后平均晶粒尺寸分別為2.78、2.11、1.05、1.33 μm。這主要因為隨著Gr含量的升高，會導致合金液相成分中碳元素的增加，在一定程度上影響了合金凝固的過程。在凝固過程中，會伴隨著液相中溶質再分配的過程，碳元素的溶質分配系數小于1，在凝固過程中富集在固液界面液相的一側。由于溶質富集區的存在，使液相的理論凝固溫度發生變化，從而產生了成分過冷區。根據成分過冷理論[27]，成分過冷區的存在，使得凝固過程中平行推進的固液界面失穩，從而產生了枝晶。隨著Gr含量的增加，會使更多有活力的碳原子富集在固液界面處，從而改變液相的成分，導致理論凝固溫度發生變化，擴大了成分過冷區。成分過冷區的擴大會使晶粒的形核率及長大速度一同升高，但形核率的提升速率要遠高于其長大速率，致使單位體積中晶核數目變多。由于長大空間較小，因而長成的晶粒就變得越細小。當Gr的質量分數為0.8%時，晶粒尺寸達到最小值。如果Gr的含量過高，則會進一步影響合金溶液的凝固過程，使相同溫度梯度條件下熔池中的熱量增多，激光束離開后，熔池的凝固冷卻速度就越慢，形成的枝晶尺寸也越大。

圖4 Gr/Ni60復合涂層中部SEM顯微形貌

2.3 顯微硬度分析

從涂層表面到底部，隨著距離的增加涂層顯微硬度的變化情況見圖5。硬度分布區域可分為熔覆區（CL）、界面結合區（BZ）和熱影響區（HAZ），這3個區域中熔覆層區的硬度值最高，且其最高硬度位于距表面0.5～0.8 mm的位置。界面結合區受到基體稀釋率和平面晶的影響，硬度略有降低。在熱影響區，基體溫度較高。在這種高溫環境下，由于表面不直接接觸空氣，溫度梯度不高，在溫度降低時，等同于一次淬火處理，材料得到淬火強化，所以在熱影響區內顯微硬度有輕微上升的趨勢。不同Gr含量復合涂層的平均顯微硬度分別為623.12HV、647.47HV、681.33HV、828.65HV、764.4HV，當Gr的質量分數為0.8%時，熔覆層區平均硬度為828.65HV，而純Ni60涂層的平均硬度僅為623.12HV，相比之下硬度提升了約33%。這主要是因為Gr在熔覆層中引起晶體的晶格畸變，導致材料內能增高，微觀應力增大，阻礙了位錯滑移運動的變形，使材料強度、硬度顯著提高。Gr添加量的增加會使熔池中游離態的C原子增加，并且這些C原子更傾向于與強碳化物Cr結合反應，生成Cr23C6和Cr7C3。此外，當加入Gr的質量分數為0.8%時，晶粒尺寸最小，硬質碳化物含量較多且分布均勻。根據上述XRD分析可知，當Gr的質量分數為0.8%時，在76°左右的Cr7C3峰的強度相對最高。由此可見，Gr的質量分數為0.8%時，熔覆層的平均硬度相對最高。

圖5 Gr/Ni60復合涂層的顯微硬度

2.4 摩擦性能測試分析

不同Gr含量的復合涂層橫向、縱向的摩擦因數見圖6—7，可以看出整個磨損過程分為3個階段：第1階段為跑合磨損階段，在初期磨損時表面與摩擦副剛接觸時，光滑表面遭到破壞且變得粗糙，摩擦因數上升較快，所以在初期摩擦因數不穩定且大幅波動，發生在摩擦剛開始的200 s內，表面發生了較大的磨損；第2階段為過渡磨損階段，摩擦因數在經過初期磨損后逐步趨于穩定，被控制在一個范圍波動，發生時間為200～700 s；第3階段為穩定摩擦階段，此時摩擦副之間通過磨合，表面不像開始那樣光滑，故磨損過程變得比較穩定，摩擦因數波動相對減小。由此，采用穩定磨損階段的數值作為摩擦因數的數值，但在磨損后期橫向摩擦因數有小范圍的波動，主要原因是磨損類型的改變。此測試中將1 000～1 800 s所測得的瞬時摩擦因數的平均值作為該熔覆層的平均摩擦因數。從圖7可以看出，縱向磨損時純Ni60涂層穩定磨損階段摩擦因數的波動范圍高于其他涂層。添加Gr之后涂層的摩擦因數波動范圍明顯下降。通過計算，各個涂層穩定磨損階段的平均摩擦因數分別為0.7、0.68、0.63、0.58、0.61，且摩擦因數的波動程度明顯降低。由此可以看出，Gr的添加能夠有效降低涂層的摩擦因數。反觀橫向摩擦因數（圖6），平均摩擦因數分別為0.65、0.62、0.52、0.48、0.65。由于磨損方向垂直于熔覆方向，因此搭接界面處會對磨損產生一定的阻礙作用。橫向摩擦因數的波動幅度明顯高于縱向磨損方向的，但平均摩擦因數均低于縱向磨損時的平均摩擦因數。此時，純Ni60涂層的波動幅度最大，隨著Gr添加量的增加曲線波動幅度進一步減小。當Gr的質量分數為0.8%時，橫向平均摩擦因數為0.48?？梢缘贸?，橫向磨損比縱向磨損具有更低的平均摩擦因數。

圖6 Gr/Ni60復合涂層橫向摩擦因數

圖7 Gr/Ni60復合涂層縱向摩擦因數

不同Gr含量的復合涂層磨損率及磨損體積見圖8。從圖8可以看出，無論是橫向還是縱向，磨損率總是隨著Gr含量的增加而下降，但橫向磨損時磨損率的下降程度高于縱向磨損時的磨損率，當Gr的質量分數為1%時磨損率有一定的上升。純Ni60涂層的橫向磨損率為7.5×10–5mm3/(N·m)，當Gr的質量分數為0.8%時，橫向磨損率達到最低值3.6×10–5mm3/(N·m)，橫向磨損率降低了52%。純Ni60涂層的縱向磨損率為5.7×10–5mm3/(N·m)，當Gr的質量分數為0.8%時，縱向磨損率為 4.5×10–5mm3/(N·m)，僅降低了約21%，當Gr的質量分數為0.8%時，縱向磨損率為最低值。2個摩擦方向的磨損體積具有同樣的趨勢，當Gr的質量分數為0.8%時橫向磨損體積達到最小值(6.5×10–4mm3)，相較于橫向磨損時Ni60涂層的磨損體積（13.5×10–4mm3）下降了約52%。當Gr的質量分數為0.8%時，縱向磨損體積僅降低了19%。由此可見，橫向摩擦磨損性能的變化隨著Gr含量的變化較為明顯，且橫向磨損時具有最低的磨損率和磨損體積，可見橫向耐磨性優于縱向耐磨性。由圖5可知，Gr的添加使熔覆層硬度升高，硬度的升高有利于熔覆層減磨耐磨性能的提高。進一步增加Gr的添加量會導致碳化物分布不均勻，從而導致其耐磨性降低。

縱向磨損表面SEM形貌見圖9，縱向磨損表面白光干涉形貌見圖10。從圖9a、圖10a中看出，當存在一個垂直于磨損表面的壓力時，GCr15鋼球在與涂層的相對運動過程中發生了犁削行為。當加入Gr后，磨損變得均勻，犁溝也不再明顯，并開始出現層狀物質。隨著Gr添加量的增加，層狀物的出現變得均勻，層狀物質的元素映射圖見圖11，可以清晰地看出這種層狀物質中氧元素聚集明顯，同時含有少量的鉻元素，并且鐵、碳元素在該區域中分布均勻。結合XRD分析可知，這種層狀物質中含有鐵和鉻的氧化物，且含有少量碳化鉻。由此得出，這種層狀物質為氧化與硬化的混合保護層。產生這種現象的原因：在熔覆過程中Gr的熔點較低，且碳原子活性高、擴散速度快。在高能激光照射下，Gr特殊的褶皺會加速碳原子的擴散和溶解，使涂層組織更加均勻化，提高了復合涂層的強度，且韌性也有一定程度的提升。純Ni60涂層在進行摩擦磨損時，磨屑為小顆粒狀，所以在磨損過程中形成了明顯的犁溝，表明此時磨損類型為磨粒磨損。黏著現象是在一定壓力和溫度下發生的，加入Gr的復合涂層的導熱率會升高，隨著磨損的持續進行，摩擦副與表面持續摩擦會導致表面溫度升高，磨屑轉變為片狀或小塊狀，磨損過程中產生的片狀磨屑粘在磨損表面上，并被不斷地氧化堆積并壓平，導致黏著現象的發生?？膳袛啻藭r磨損類型為黏著磨損，所以在熔覆層的磨損表面形成了這種混合保護層。在這種磨損情況下犁削狀的溝槽仍然存在，并被層狀物質切斷，從而在宏觀形態上形成間歇性犁削狀溝槽與層狀結構同時出現的形貌。在摩擦過程中，這種混合層有效地減小了摩擦副與涂層之間的表面接觸，降低了復合涂層的磨損率，所以磨損機制隨著Gr含量發生了變化，逐漸由磨粒磨損轉變為黏著磨損，并伴隨氧化磨損。這種混合保護層在摩擦過程中承擔了很大的切應力，從而提升了復合涂層的摩擦磨損性能。

圖8 Gr/Ni60復合涂層磨損率及磨損體積

圖9 Gr/Ni60復合涂層縱向摩擦磨損表面SEM形貌

圖10 Gr/Ni60復合涂層縱向摩擦磨損表面白光干涉形貌

圖11 圖9c中白色長方形區域元素映射圖

橫向磨損表面SEM形貌見圖12，橫向磨損表面白光干涉圖見圖13。隨著Gr添加量的升高，犁溝變得不再明顯，且當Gr的質量分數為0.8%時，表面磨損均勻，彌散在熔覆層內的碳化物形成了耐磨骨架，可以有效抵抗摩擦過程中的剪切力，沒有出現明顯的犁溝。Ni60+Gr（0.8%）復合涂層磨損表面下部形貌見圖14。由圖14a可知，在下部也出現這種保護層。當Gr的質量分數為1%時，磨損表面出現了剝落坑。這主要是由于周期性摩擦磨損過程中發生了塑性變形，且與保護層相間出現，表明此時磨損機制是由磨粒磨損逐漸轉變為黏著磨損和疲勞磨損的混合磨損機制。此外，從圖13a中可以看出，當Gr的含量為0時，磨損程度高于其他試樣，并且磨痕表面窄而深；當Gr的質量分數超過0.5%時，磨痕表面雖然變寬，但是深度變淺，作為硬面涂層來說，窄而深的磨痕更容易引起工件出現因應力集中產生的缺陷，同時對于涂層較薄的基體，這種窄而深的磨痕會損害基體，從而導致基體被磨損，影響工件使用壽命。對比2個方向上Gr的質量分數為0.8%時的磨損表面形貌圖發現，橫向磨損的表面劃痕窄而淺，而縱向磨損表面間歇性的犁削狀溝槽要多些，結合2個方向上的磨損率和磨損體積來看，在橫向磨損時涂層表現出較好的耐磨性和減磨性。

圖12 Gr/Ni60復合涂層橫向摩擦磨損表面SEM形貌

圖13 Gr/Ni60復合涂層橫向摩擦磨損表面白光干涉形貌

圖14 Ni60+Gr(0.8%)涂層橫向摩擦磨損表面下部SEM形貌

3 結論

研究了石墨烯（Gr）含量對鎳基熔覆層物相組成、微觀組織、顯微硬度、摩擦磨損性能的影響，具體結論如下。

1）隨著Gr添加量的增加，溶質發生富集，產生了成分過冷區，增大了形核率，從而使凝固組織細化。尤其是當Gr的質量分數為0.8%時，得到了分布均勻且細小的微觀組織。

2）Gr的加入提高了復合涂層的顯微硬度，尤其是Gr的質量分數為0.8%時的復合涂層硬度最高。當Gr的質量分數為1%時，復合涂層晶粒尺寸比質量分數為0.8%時有所增加，且硬度和耐磨性略有下降。

3）在該實驗條件下，Gr的加入對復合涂層摩擦因數有明顯的影響，Gr的加入能有效降低熔覆層的平均摩擦因數。當Gr的質量分數為0.8%時，橫向平均摩擦因數低于縱向摩擦因數，且橫向、縱向磨損率磨損體積均達到最小值，但橫向磨損率與磨損體積均低于縱向磨損率和磨損體積。結合SEM磨損表面形貌圖分析發現，0.8%是Gr的最優含量，橫向耐磨性比縱向耐磨性更好。

[1] 郝文俊, 孫榮祿, 牛偉, 等. 激光熔覆CoCrFeNiSi高熵合金涂層的組織及性能[J]. 表面技術, 2021, 50(5): 87-94.

HAO Wen-jun, SUN Rong-lu, NIU Wei, et al. Micro-structure and Properties of Laser Cladding CoCrFeNiSiHigh-Entropy Alloy Coating[J]. Surface Technology, 2021, 50(5): 87-94.

[2] QIN Ren-yao, ZHANG Xue-jun, GUO Shao-qing, et al. Laser Cladding of High Co-Ni Secondary Hardening Steel on 18Cr2Ni4WA Steel[J]. Surface and Coatings Technology, 2016, 285: 242-248.

[3] ZHANG Hui, ZOU Yong, ZOU Zeng-da, et al. Micro-structure and Properties of Fe-Based Composite Coating by Laser Cladding Fe-Ti-V-Cr-C-CeO2Powder[J]. Optics & Laser Technology, 2015, 65: 119-125.

[4] SHI Bo-wen, LI Tao, WANG Dong, et al. Investigation on Crack Behavior of Ni60A Alloy Coating Produced by Coaxial Laser Cladding[J]. Journal of Materials Science, 2021, 56(23): 13323-13336.

[5] SONG Chen, LIU Min, DENG Zi-qian, et al. A Novel Method for In-Situ Synthesized TiN Coatings by Plasma Spray-Physical Vapor Deposition[J]. Materials Letters, 2018, 217: 127-130.

[6] WAN B Q, SUN X Y, MA H T, et al. Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition of Diamond Coatings on Cu-W and Cu-WC Composites[J]. Surface and Coatings Technology, 2015, 284: 133-138.

[7] DAS A K, SHARIFF S M, CHOUDHURY A R. Effect of Rare Earth Oxide (Y2O3) Addition on Alloyed Layer Synthesized on Ti-6Al-4V Substrate with Ti+SiC+h-BN Mixed Precursor by Laser Surface Engineering[J]. Tribo-logy International, 2016, 95: 35-43.

[8] JIN Guo, LI Yang, CUI Xiu-fang, et al. Characterization of High-Temperature Mechanical Properties of Plasma- Cladded Coatings with Thermo-Mechanical Coupling[J]. Materials Characterization, 2018, 145: 196-204.

[9] BAI Li-jing, KOU Gang, ZHAO Kai, et al. Effect of In-Situ Micro-Arc Oxidation Coating on the Galvanic Corrosion of AZ31Mg Coupled to Aluminum Alloys[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 775: 1077-1085.

[10] PARTES K, SEPOLD G. Modulation of Power Density Distribution in Time and Space for High Speed Laser Cladding[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2008, 195(1/2/3): 27-33.

[11] XIAO Guo-dong, ZHAO Biao, DING Wen-feng. Mecha-nical and Tribological Properties of Porous Metallic CBN Composites Reinforced by Graphene Nanoparticles[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2021, 114(1): 397-405.

[12] ZHAO Z Y, ZHAO W J, BAI P K, et al. The Interfacial Structure of Al/Al4C3in Graphene/Al Composites Prepared by Selective Laser Melting: First-Principles and Experi-mental[J]. Materials Letters, 2019, 255: 126559.

[13] WANG Pei, ZHANG Bai-cheng, TAN C C, et al. Micro-structural Characteristics and Mechanical Properties of Carbon Nanotube Reinforced Inconel 625 Parts Fabri-cated by Selective Laser Melting[J]. Materials & Design, 2016, 112: 290-299.

[14] WU Li-yun, ZHAO Zhan-yong, BAI Pei-kang, et al. Wear Resistance of Graphene Nano-Platelets (GNPS) Reinforced AlSi10Mg Matrix Composite Prepared by SLM[J]. App-lied Surface Science, 2020, 503: 144156.

[15] HU Zeng-rong, TONG Guo-quan, LIN Dong, et al. Laser Sintered Graphene Nickel Nanocomposites[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2016, 231: 143-150.

[16] GUO Shu-qiang, LIANG Si-yuan, REN Li, et al. Opti-mized Design and Electromagnetic Analysis of a Hybrid Type DC SFCL in MMC System[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2022, 134: 107079.

[17] DOMITNER J, AIGNER M, STERN T, et al. Thermo-mechanical Wear Testing of Metal Matrix Composite Cladding for Potential Application in Hot Rolling Mills [J]. Steel Research International, 2020, 91(5): 2070051.

[18] QI Chao-qi, ZHAN Xiao-hong, GAO Qi-yu, et al. The Influence of the Pre-Placed Powder Layers on the Mor-phology, Microscopic Characteristics and Microhardness of Ti-6Al-4V/WC MMC Coatings during Laser Cladding [J]. Optics & Laser Technology, 2019, 119: 105572.

[19] SALUR E, ASLAN A, KUNTOGLU M, et al. Experi-mental Study and Analysis of Machinability Characteri-stics of Metal Matrix Composites during Drilling[J]. Composites Part B: Engineering, 2019, 166: 401-413.

[20] BARTKOWSKI D, M?YNARCZAK A, PIASECKI A, et al. Microstructure, Microhardness and Corrosion Resist-ance of Stellite-6 Coatings Reinforced with WC Particles Using Laser Cladding[J]. Optics & Laser Technology, 2015, 68: 191-201.

[21] MIAO Xiao-jin, WU Mei-ping, CUI Chen, et al. Effect of Graphene Oxide on the Performance of Co-Based Coa-tings on Ti6Al4V Alloys by Laser Cladding[J]. Coatings, 2020, 10(11): 1048.

[22] ZHAO Zhan-yong, ZHANG Li-zheng, BAI Pei-kang, et al. Tribological Behavior of in Situ TiC/Graphene/ Graphite/Ti6Al4V Matrix Composite through Laser Cla-dding[J]. Acta Metallurgica Sinica (English Letters), 2021, 34(10): 1317-1330.

[23] ZHANG Dan, CUI Xiu-fang, JIN Guo, et al. Effect of In-Situ Synthesis of Multilayer Graphene on the Micro-structure and Tribological Performance of Laser Cladded Ni-Based Coatings[J]. Applied Surface Science, 2019, 495: 143581.

[24] DENG Ping-shun, YAO Cheng-wu, FENG Kai, et al. Enhanced Wear Resistance of Laser Cladded Graphene Nanoplatelets Reinforced Inconel 625 Superalloy Com-posite Coating[J]. Surface and Coatings Technology, 2018, 335: 334-344.

[25] SONG Xin-ling, LEI Jian-bo, XIE Ji-chang, et al. Micro-structure and Electrochemical Corrosion Properties of Nickel-Plated Carbon Nanotubes Composite Inconel 718 Alloy Coatings by Laser Melting Deposition[J]. Optics & Laser Technology, 2019, 119: 105593.

[26] GANGULY A, MURTHY V, KANNOORPATTI K. Structural and Electronic Properties of Chromium Carbides and Fe-Substituted Chromium Carbides[J]. Materials Research Express, 2020, 7(5): 056508.

[27] WANG Ling-shui, SHEN Jun, XIONG Yi-long, et al. Phase and Microstructure Selection during Directional Solidification of Peritectic Alloy under Convection Con-dition[J]. Acta Metallurgica Sinica (English Letters), 2014, 27(4): 585-592.

Effect of Graphene Content on Microstructure and Properties of Ni Based Laser Cladding

,

(College of Mechanical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830017, China)

The work aims to study the effect of graphene (Gr) content on the microstructure and properties of Ni based laser cladding, and therefore determine the optimal Gr content. Besides, the work analyzes the influence of the scanning direction on the friction and wear properties by conducting friction and wear tests in transverse and longitudinal directions. Graphene Ni-based composite (Gr/Ni60) coatings were prepared by preset powder method with such GrGr mass fractions as 0%, 0.3%, 0.5%, 0.8% and 1%, and therefore such aspects as phase detection, microstructure, microhardness, and friction properties were analyzed. The results showed that the addition of graphene did not transform the phase components of the Ni-based cladding, which mainly include γ-Ni, Cr7C3,and Cr23C6. With the raise of Gr content, the grain size of the composite coating decreased, that is, the grain is obviously refined, the microhardness increased gradually from 623.12HV to 828.65HV, the average friction coefficient of transverse wear decreased from 0.65 to 0.48, and the transverse wear rate decreased from 7.5×10?5mm3/(N·m) to 3.6×10?5mm3/(N·m). Meanwhile, the average friction coefficient of longitudinal wear decreased from 0.70 to 0.58 and the longitudinal wear rate decreased from 5.7×10?5mm3/N·m to 4.5×10?5mm3/(N·m). When the Gr content was 1wt.%, the grain size of the composite coating was larger than that of 0.8wt.%, and the microhardness and tribology properties decreased slightly. When the Gr content was 0.8wt.%, the composite coating had more excellent grain structure, microhardness and tribology properties. At the same time, the transverse tribology properties were better than longitudinal tribology properties. The addition of graphene in the Ni based cladding plays a very good strengthening role, but excessive addition of graphene will reduce the micro-hardness and tribology properties of the cladding. Besides, the wear mechanism of the cladding before adding graphene is mainly abrasive wear. After adding graphene, it changes to adhesive wear and oxidative wear simultaneously accompanied by abrasive wear.

laser cladding; graphene; Ni60; microstructure; microhardness; tribology properties

TG174.4

A

1001-3660(2022)07-0420-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.07.042

2021?08?03；

2021?12?23

2021-08-03；

2021-12-23

新疆維吾爾自治區天山青年計劃（2017Q015）

Tianshan Youth Program in Xinjiang Uygur Autonomous Region (2017Q015)

單嘉祿（1997—），男，碩士，主要研究方向為激光熔覆技術。

SHAN Jia-lu (1997-), Male, Master, Research focus: laser cladding.

烏日開西·艾依提（1972—），男，博士，教授，主要研究方向為增材制造技術。

AIYITI Wurikaixi (1972-), Male, Doctor, Professor, Research focus: additive manufacturing technology.

單嘉祿, 烏日開西·艾依提. 石墨烯含量對激光熔覆鎳基熔覆層組織和性能的影響[J]. 表面技術, 2022, 51(7): 420-429.

SHAN Jia-lu, AIYITI Wurikaixi. Effect of Graphene Content on Microstructure and Properties of Ni Based Laser Cladding[J]. Surface Technology, 2022, 51(7): 420-429.

責任編輯：彭颋