鎳基合金表面激光熔覆鈷基合金涂層的性能研究

林坤 張愛琴 張建廣 史秀寶

摘 要： 為提高Inconel600鎳基合金硬度和耐磨性，利用鈷基合金硬度高、耐磨性好、抗高溫的性能，結(jié)合激光熔覆技術(shù)的熔覆層組織致密、熔覆性能優(yōu)良、稀釋率小、與基體結(jié)合好和變形小的優(yōu)勢，在鎳基合金基材表面采用同步送粉的方式熔覆鈷基合金粉末耐磨涂層，研究對涂層性能影響。通過改變激光功率和搭接率對試件進(jìn)行熔覆，經(jīng)對熔覆層表面和截面的顯微硬度的檢測，與基材原本截面顯微硬度的比較。結(jié)果表明：搭接率的變化直接影響熔覆層的厚度及平整度，在Inconel600鎳基合金表面熔覆耐磨鈷基材料后大幅提升其硬度性能，熔覆層硬度是基體硬度的2.8倍，顯著提高了熔覆層的硬度和耐磨性能，達(dá)到表面改性的目的。

關(guān)鍵詞： 鎳基合金；鈷基合金涂層；激光熔覆；熔覆層厚度；顯微硬度

中圖分類號： TG174.4；TQ153

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號： 1001-5922（2023）08-0119-03

Study on properties of laser cladding co-based alloy coating on ni-based alloy surface

LIN Kun，ZHANG Aiqin，ZHANG Jianguang，SHI Xiubao

（School of Aviation Manufacturing Engineering，Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute，Xi’an 710089，China）

Abstract： In order to improve the hardness and wear resistance of Inconel600 nickel-based alloy，the wear-resistant coating of cobalt-based alloy powder was coated by synchronous powder feeding on the surface of nickel-based alloy substrate by taking advantage of the high hardness，good wear resistance and high temperature resistance of cobalt-based alloy and the advantages of laser cladding，such as compact microstructure，excellent cladding performance，small dilution rate，good bonding with matrix and small deformation to study the factors affecting the coating performance.By changing the laser power and lapping rate，the specimens were cladding，and the microhardness of the surface and section of the cladding layer was detected and compared with that of the original section of the substrate.The results show that the thickness and flatness of the cladding layer are directly affected by the change of lap rate.The hardness of the cladding layer is 2.8 times that of the substrate after the surface of Inconel600 nickel-based alloy is coated with wear-resistant cobalt-based material，which significantly improves the hardness and wear resistance of the cladding layer and achieves the purpose of surface modification.

Key words： ?ni-base alloy;co-based alloy coating;laser cladding;thickness of cladding layer;micro hardness of hardness

激光熔覆以高能激光束作為熱源，在基材表面熔覆各類高性能合金，形成熔覆層，使二者熔凝在一起，實現(xiàn)涂層與基材的冶金結(jié)合，從而強(qiáng)化現(xiàn)有金屬表面，改善基體性能[1]。經(jīng)過熔覆處理后，零部件表面的耐磨、耐腐蝕、抗高溫、抗氧化等性能會有大幅度提升，既滿足材料表面特定性能的要求，又降低生產(chǎn)成本，提高效益，同時減少能源消耗[2]。

Inconel600合金是鎳基固溶強(qiáng)化合金，具有良好的耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、優(yōu)良的冷熱加工性能及高低溫機(jī)械性能，在700 ℃以下具有滿意的熱強(qiáng)性和高的塑性，應(yīng)用在復(fù)雜惡劣環(huán)境下。Inconel600鎳基合金管件通常用于石油化工管道，由于油品中夾雜著液滴或巖屑顆粒，管道在輸送油品時造成管壁的沖蝕破壞，尤其是流體在彎頭轉(zhuǎn)向時，會對彎頭造成嚴(yán)重的沖刷腐蝕，甚至出現(xiàn)設(shè)備失效等情況[3]。整個管道中直管段的磨損較輕，但彎管外側(cè)極易磨損，造成泄漏，不僅影響設(shè)備的工作效率，還會污染環(huán)境[4]。因此，有必要對Inconel600鎳基合金表面進(jìn)行改性處理，提高其硬度和耐磨性。

目前激光熔覆的材料主要有鐵基、鎳基和鈷基系列合金粉末。鐵基合金價格便宜、抗磨性好，但耐

熱、耐蝕性及韌性不如鎳基和鈷基合金，涂層容易有裂紋；鎳基合金抗磨性、抗腐蝕性好和抗高溫氧化性好，但抗高溫性差；鈷基合金硬度高，在常溫和高溫 ?下都具有良好的耐磨和耐腐蝕性能[5-6]。通過設(shè)計正交試驗，驗證了熔覆功率、掃描速度、送粉速度[7]。得出了鈷基合金熔覆涂層由3個區(qū)組成，分別為界面熔合區(qū)、柱狀枝晶區(qū)及熔覆金屬中心胞狀區(qū)，鈷基合金熔覆在鎳基合金基材上的硬化層可廣泛應(yīng)用在工程中[8]。試驗結(jié)果表明，鎳基合金基體材料的磨損高于鈷基合金熔覆層的平均磨損，說明鈷基合金熔覆層具有良好的耐磨性[9]。本次試驗采用Stellite12鈷基合金熔覆Inconel600鎳基合金表面，探究工藝參數(shù)與熔覆質(zhì)量之間的關(guān)系。

1 試驗材料及方法

1.1 ??Inconel600基體材料

激光熔覆試驗選用Inconel600鎳基高溫合金作為基體材料，將基材切割成100 mm×100 mm×10 mm規(guī)格尺寸的試件，用金相砂紙磨平拋光，用丙酮和無水乙醇清洗，去凈油污風(fēng)干后待用。Inconel600基體材料成分見表1。

1.2 ??Stellite12涂層材料

激光熔覆試驗選用Stellite12鈷基合金粉末，其是一種抗磨損、耐腐蝕、抗氧化性能非常好的材料，屬于一種不含B元素的非自熔性合金材料，可在高溫條件下使用，粉末目數(shù)為100/325。Stellite12涂層材料具體成分見表2。試驗采用同步送粉的方式進(jìn)行熔覆，粉末在氬氣的壓力作用下經(jīng)過輸氣管噴出熔覆噴頭，在熔覆過程中使用氬氣作為保護(hù)氣體，可以有效避免熔覆層表面發(fā)生氧化。

1.3 測量方法

利用線切割設(shè)備對試件取樣，尺寸10 mm×10 mm×10 mm，測量熔覆層顯微硬度和熔覆層厚度。 測量顯微硬度時，為減小測量誤差，從熔覆層表面開始，每隔400 μm取同一平面的2個隨機(jī)點進(jìn)行測量。對試樣的截面進(jìn)行觀察測量，求取每組試樣最高點與最低點的平均值作為熔覆層平均厚度值。

1.4 試驗設(shè)計

根據(jù)正交性選出不重疊點，按照搭接率、激光功率2個參數(shù)，進(jìn)行正交試驗。具體試驗數(shù)據(jù)為搭接率：25%、50%、75%；激光功率：1 000、1 200、1 400 W；掃描速度：1000 mm/min。具體試驗設(shè)計如表3所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 熔覆層截面

試驗得到的熔覆層截面圖如圖1所示。選擇其中一個熔覆質(zhì)量最優(yōu)的試件進(jìn)行測量。

2.2 熔覆層成分

熔覆層成分截面能譜結(jié)果如表4所示。

2.3 熔覆層硬度

對試件的顯微硬度值進(jìn)行測量，Inconel600基材的顯微硬度值在160～179 HV，鈷基合金熔覆層的顯微硬度值在442～468 HV，熔覆層的顯微硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Inconel600基材的顯微硬度值。熔覆層硬度檢測結(jié)果如表5所示。

2.4 耐磨性

40 min的耐磨性試驗，Inconel600鎳基合金基材磨損量為2.56 mg，Stellite12鈷基合金熔覆涂層磨損量為0.44 mg，經(jīng)比較熔覆涂層的耐磨性能提高了5.8倍，相當(dāng)于基材磨損量的17.2%，激光熔覆后涂層的耐磨性能比基體材料有了顯著提高。Inconel600鎳基合金材料與Stellite12鈷基合金熔覆涂層的磨損量變化曲線如圖2所示。

3 結(jié)語

（1） 通過對鎳基合金基材上熔覆鈷基合金材料，顆粒得到細(xì)化后的熔覆層顯微硬度在442～468 HV， Inconel600基材顯微硬度在160～179 HV，基材表面經(jīng)過激光熔覆后整體硬度提升明顯；

（2）搭接率是影響熔覆層厚度的最主要因素；搭接率相同情況下，激光功率是影響熔覆層厚度的主要因素；

（3）搭接率偏小時，相鄰熔覆道之間會出現(xiàn)明顯的凹陷區(qū)，但2個熔覆道高度一致；搭接率適中時，有較好的熔覆效果，表面粗糙度也好，搭接率應(yīng)控制在50%左右為宜；搭接率偏大時，會出現(xiàn)搭接區(qū)的凸出，且2熔道高度不同；

（4）Inconel600鎳基高溫合金表面熔覆Stellite12鈷基合金涂層，經(jīng)顆粒強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化作用后，熔覆層硬度是基體硬度的2.8倍，提高了耐磨性能。

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