CeO2 添加量對激光熔覆TiB2-TiC/Ni復合涂層組織和性能的影響

田鹿巖,李新梅,劉偉斌

(新疆大學機械工程學院,烏魯木齊 830017)

0 引言

鈦合金具有高硬度、低密度、優良的耐腐蝕性能和生物相容性等優點,廣泛應用在海洋、石油、航空航天、醫療等領域。但是鈦合金的耐磨性能較差,大大限制了實際應用范圍[1-2]。因此,如何改善鈦合金的耐磨性是學者研究的重點。目前,常用的表面改性技術有化學氣相沉積[3]、離子注入[4]、激光熔覆[5]、噴丸[6]等。其中,激光熔覆因具有低能耗、基體與涂層的結合強度高、熱變形程度小、界面組織細密均勻、稀釋率小等特點而廣泛應用于鈦合金表面改性[7-8]。

研究[9]表明,添加稀土氧化物能夠減少涂層中的缺陷,改善涂層組織,而被廣泛用于激光熔覆表面改性。侯曉云等[10]研究發現,在Ti811鈦合金表面制備TC4+Ni45+CeO2復合涂層的過程中,當添加CeO2的質量分數為1%時,TiB/TiC復合涂層的平均顯微硬度最高。馬永等[11]研究發現,在熔覆粉末中添加質量分數4%的Y2O3后,TiB/TiC復合涂層組織細化明顯,硬度是基體的3.7 倍,磨損量比基體降低了66.7%。張天剛等[12]研究發現,在TiC-TiB2鈦基復合涂層中添加質量分數3%的Y2O3后,復合涂層的耐磨性最優,磨損機理為磨粒磨損。王成磊等[13]研究發現,添加質量分數2% CeO2的Ni60合金涂層中的缺陷比未添加CeO2的涂層少,且晶粒更加細小,表面硬度更高,磨損量更低。

TiB2-TiC/Ni復合涂層因具有優良的耐磨性、高的硬度而具有廣闊的應用前景。侯南等[14]采用激光熔覆技術在Q235D 鋼表面制備了TiB2-TiC/Ni復合涂層,發現隨著掃描速度的增加,陶瓷相顆粒逐漸細化,在380 mm·min-1掃描速度下涂層的顯微硬度達到1 216 HV。孫榮祿等[15]利用激光熔覆技術在TC4合金表面制備出以原位合成的TiC和TiB2顆粒為增強相的鎳基金屬陶瓷涂層,發現涂層的硬度為900～1 100 HV,摩擦因數為0.2～0.3,磨損率比TC4合金降低約1個數量級。然而,目前關于稀土氧化物對激光熔覆TiB2-TiC/Ni復合涂層組織和性能影響的研究報道較少。為此,作者采用激光熔覆技術在TC4鈦合金表面制備了添加質量分數分別為1.0%,1.5%,2.0% CeO2的TiB2-TiC/Ni復合涂層,研究了CeO2含量對復合涂層物相組成、顯微組織和顯微硬度的影響,并研究了搭接率對最佳CeO2含量條件下復合涂層摩擦磨損性能的影響。

1 試樣制備與試驗方法

基體材料為TC4鈦合金,試樣尺寸為150 mm×60 mm×8 mm,化學成分如表1所示。熔覆材料為Ni60合金粉末、TiC粉末、TiB2粉末和CeO2粉末,其中自熔性Ni60合金粉末由中國冶金研究總院提供,粒徑為45～106μm,TiC粉末、TiB2粉末和CeO2粉末均由清河縣創盈金屬材料有限公司提供,粒徑均為53～106μm。熔覆材料的化學成分如表2 所示,CeO2的純度為99.9%。按照TiC 和TiB2的質量分數分別為8%和4%,CeO2質量分數為1.0%,1.5%,2.0%,其余為Ni60合金粉末的配比進行配料。利用KQM 型行星式球磨機將原料粉末球磨混合2 h,球料質量比為1∶4,然后放入干燥箱中于120℃干燥2 h。用砂紙將基體表面的污垢去除,再用無水乙醇清洗后,放入溫度為100℃的干燥箱中干燥1 h,取出。采用YSL-2000型光纖激光器在基體表面熔覆單道單層復合涂層,激光功率為1 000 W,掃描速度為7 mm·s-1,光斑直徑為2 mm,送粉率為1.8 r·min-1,氬氣作為送粉氣體和保護氣體,氣體流量為9 L·min-1。

表1 TC4鈦合金的化學成分Table 1 Chemical composition of TC4 titanium alloy

表2 熔覆材料的化學成分Table 2 Chemical composition of cladding materials

利用電火花線切割出尺寸為8 mm×8 mm×8 mm 的金相試樣,將試樣浸入王水中腐蝕15 s后,采用S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯微組織。采用D8 Advance型X射線衍射儀(XRD)對復合涂層的物相組成進行分析,采用銅靶,Kα射線,工作電壓為40 k V,工作電流為30 m A,掃描范圍為20°～80°,掃描速率為0.5(°)·min-1。利用HXD-1000TB型顯微維氏硬度計對復合涂層的截面硬度進行測試,載荷為2 N,保載時間為15 s,同一截面測3次取平均值。通過分析復合涂層的組織和硬度得到最佳的CeO2添加量,在該條件下采用相同的激光熔覆工藝在基體上制備尺寸為30 mm×8 mm×7 mm的試樣,搭接率分別為30%,40%,50%。利用M-2000型環塊式摩擦磨損試驗機對試樣進行干摩擦磨損試驗,對磨副為直徑40 mm 的GCr15鋼球,硬度為60～63 HRC,試驗載荷為100 N,轉速為180 r·min-1,磨損時間為60 min,采用精度為0.1 mg的電子天平稱取磨損前后試樣的質量,計算磨損質量損失。

2 試驗結果與討論

2.1 不同CeO2 含量下的宏觀形貌和物相組成

由圖1可以看出,添加不同含量CeO2的復合涂層的成形質量均良好,表面均勻連續。

圖1 添加不同質量分數CeO2 復合涂層的宏觀形貌Fig.1 Macromorphology of composite coatings added with different mass fractions of CeO2

由圖2可以看出,不同復合涂層的物相組成基本一致,均主要由TiB2、TiB、α-Ti、TiC、Ni3Ti、Cr23C6、Ti2Ni、Cr3C2、γ-Ni等相組成。在激光熔覆過程中,部分TiC粉末分解出碳原子和鈦原子,碳與Ni60自熔性合金中的鉻發生化學反應,生成Cr23C6和Cr3C2,而鈦與鎳發生化學反應生成Ti2Ni和Ni3Ti,與TiB2發生化學反應生成TiB。由于在熔覆粉末中加入的CeO2含量比較少,因此在XRD譜中未發現相對應的衍射峰。

圖2 添加不同質量分數CeO2 復合涂層的XRD譜Fig.2 XRD spectra of composite coatings added with different mass fractions of CeO2

2.2 不同CeO2 含量下的顯微組織

由圖3可以看出,不同復合涂層中都存在大量長條狀組織和不規則塊狀組織。隨著CeO2質量分數由1.0%增加到1.5%,復合涂層的組織細化,分布更加致密均勻,這是因為較多的CeO2減小了液態金屬的表面張力和臨界形核阻力,促進了形核,阻礙了晶粒長大,同時較多的CeO2能使粉末吸收更多的能量,使得熔池的流動更加充分[16],因此組織更加致密均勻。添加質量分數2.0% CeO2的復合涂層組織分布均勻,但是具有彌散強化作用的不規則塊狀組織較少,其原因是熔覆粉末中添加的CeO2含量過高,導致熔覆過程中熔池對激光的吸收率變大,熔覆層的稀釋率過大[17]。

圖3 添加不同質量分數CeO2 復合涂層的SEM 形貌Fig.3 SEM morphology of composite coatings added with different mass fractions of CeO2

2.3 不同CeO2 含量下的顯微硬度

由圖4可以看出,不同復合涂層的截面硬度分布曲線的變化規律是相同的,都是隨距表面距離的增加呈降低趨勢。添加質量分數1.0%,1.5%,2.0% CeO2復合涂層的平均顯微硬度分別為957,1 015,881 HV。添加質量分數1.5% CeO2的復合涂層的顯微硬度最大,約為基體硬度(330 HV)的3倍。這是因為適量的CeO2加入可使熔池內的形核率增加,促進晶粒細化,同時還會增強熔池的流動性,改善組織分布均勻性,在細晶和彌散強化作用下涂層硬度得到顯著提高。當CeO2質量分數大于1.5%時,復合涂層的平均顯微硬度降低的原因是CeO2的添加量過多,導致在激光熔覆過程中熔池吸收的能量過大,熔池的流動性過大,塊狀組織減少,減弱了彌散強化效果[18]。綜上,復合涂層中CeO2的最佳添加質量分數為1.5%。

圖4 添加不同質量分數CeO2 復合涂層的截面顯微硬度分布曲線Fig.4 Section microhardness distribution curves of composite coatings added with different mass fractions of CeO2

2.4 不同搭接率下的宏觀形貌和摩擦磨損性能

在質量分數1.5%的最佳CeO2添加量下制備塊狀復合涂層試樣,研究不同搭接率下復合涂層的摩擦磨損性能。由圖5可以看出,30%和40%搭接率下試樣的外觀良好,無明顯缺陷,但是50%搭接率下表面存在較為明顯的裂紋,主要是因為隨著搭接率的增加,激光熔覆過程中的溫度升高,導致試樣中產生較大的殘余應力,從而增加了表面產生裂紋的傾向[19]。

圖5 不同搭接率下添加質量分數1.5% CeO2 復合涂層試樣的宏觀形貌Fig.5 Macromorphology of composite coating samples added with 1.5wt% CeO2 under different lapping rates

在30%,40%,50%搭接率下,復合涂層試樣的磨損質量損失分別為0.9,0.7,1.9 mg。當搭接率由30%增大到40%時,在激光熔覆過程中重疊部分的加熱溫度升高,組織細化,硬度提高,因此磨損質量損失減小[20]。但是隨著搭接率的繼續增加,熔池的冷卻速率降低,重疊部分受到的激光加熱時間變長,涂層中產生較大的殘余應力,促使表面產生缺陷,導致硬度降低[21],因此磨損質量損失增加。

由圖6可以看出:30%搭接率下復合涂層試樣磨損表面出現片狀分層、剝落和較淺的犁溝,磨損機制為磨粒磨損和輕微黏著磨損;40%搭接率下磨損表面較為平整,片狀分層減少,磨損機制為磨粒磨損;50%搭接率下磨損表面出現大量的片狀分層和剝落現象,磨損機制主要為黏著磨損。

圖6 不同搭接率下添加質量分數1.5% CeO2 復合涂層試樣的磨損形貌Fig.6 Wear morphology of composite coating sample added with 1.5wt% CeO2 under different lapping rates

3 結論

(1)添加質量分數1.0%,1.5%,2.0% CeO2復合涂層的成形質量均良好,均由TiB2、TiB、α-Ti、TiC、Ni3Ti、Cr23C6、Ti2Ni、Cr3C2、γ-Ni等相組成;隨著CeO2質量分數由1.0%增加到1.5%,復合涂層的組織細化,分布更加致密均勻,但是當CeO2質量分數為2.0%時,塊狀組織減少。添加質量分數1.5% CeO2復合涂層的組織最為均勻致密。

(2)添加質量分數1.0%,1.5%,2.0% CeO2復合涂層的平均顯微硬度分別為957,1 015,881 HV,添加質量分數1.5% CeO2復合涂層的硬度最高,約為基體的3倍。復合涂層中CeO2的最佳添加質量分數為1.5%。

(3)30%和40%搭接率下添加質量分數1.5% CeO2復合涂層試樣的外觀良好,無明顯缺陷,50%搭接率下表面存在明顯的裂紋;30%,40%,50%搭接率下的磨損質量損失分別為0.9,0.7,1.9 mg。當搭接率為40%時,復合涂層試樣的磨損質量損失最小,其磨損機制主要為磨粒磨損。