激光熔覆FeCrB/NiCrB合金涂層的摩擦磨損與抗沖擊性能

譚小波 ,周嘉利 ,李 云 ,章龍管 ,李開富 ,黃 斌 ,謝樹昌,程延海

(1.中鐵工程服務有限公司,成都 100142;2.中國礦業大學機電工程學院,徐州 221116)

0 引言

盾構機是一種用于地下隧道建設的專用工程機械,已廣泛應用于城市地鐵、海底隧道、煤炭資源開采等領域[1-3];其關鍵部件刀圈在進行硬巖層施工時難免磨損嚴重,一旦出現故障,維修困難,因此刀圈的結構、硬度以及整體剛度是影響施工掘進速度和成本的重要因素。利用激光熔覆表面改性技術對受損盾構機部件進行修復再制造,不僅能夠快速滿足市場需求,還能有效減少資源和能源浪費,具有重要的應用意義[4-5]。

FeCrB合金因組織中的硼化物和碳化物產生了硬質相強化效果而具有優異的耐磨性能,已廣泛應用于大型耐磨零部件的表面改性[6]。然而高硬度涂層脆性較大,對于殘余應力的承受能力較低,具有較高的開裂敏感性,并且多層熔覆工藝的熱積累會持續增大涂層內應力,促使裂紋萌生和擴展[7-10]。目前,研究人員通過激光熔覆多層復合涂層等工藝來緩解內應力,以提高耐磨性能。方志民等[6]研發了激光多層堆焊制備硬質厚涂層的缺陷調控技術,通過在涂層和基體間制備一層黏結層顯著降低了涂層和基體間的界面應力,降低了涂層的開裂敏感性。趙慶宇等[7]采用激光熔覆技術沉積Ti-BN 增強鈷基復合涂層,硬質相強化和晶粒細化的協同效應有效提高了涂層的硬度和耐磨能力。XU 等[8]采用激光熔覆技術制備了硬度梯度多層WC增強鈷基復合涂層,發現該涂層的開裂敏感性遠低于恒定硬度多層復合涂層,并且可通過合理設計多層熔覆層的硬度來改善其成形質量。ZHOU 等[10]采用增設NiCoCrAlY合金黏結層的方法制備了無裂紋且硬度高達1 100 HV 的陶瓷金屬復合涂層。綜上所述,在高硬度耐磨涂層與基體之間設置高韌性黏結層能夠提高結合強度,減少界面應力,阻止裂紋萌生和擴展,使涂層具有外硬里韌的優點。

NiCrB合金具有優異的延展性以及適當的強度和韌性,與FeCrB合金和H13鋼的熱膨脹系數匹配均較好,具備良好的化學相容性,作為黏結層材料可以實現FeCrB合金涂層與H13鋼基體之間良好的結合,提高涂層的耐久性和抗沖擊性能[11]。

目前,FeCrB合金硬質涂層尚未應用于盾構機滾刀,主要原因是該類涂層極易開裂。為此,作者用激光熔覆的方法在FeCrB合金硬質涂層和H13鋼基體之間增設了NiCrB合金黏結層,研究了涂層的顯微組織、硬度、摩擦磨損和抗沖擊性能,以期為盾構機滾刀的性能提高和使用壽命延長提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

基體材料選用H13鋼,激光熔覆涂層所用原料包括耐磨層FeCrB合金粉末和黏結層NiCrB合金粉末,2種粉末的粒徑均為50～150 μm,純度大于99.98%。H13鋼、FeCrB 合金粉末和NiCrB 合金粉末的化學成分如表1所示。

表1 試驗材料的化學成分Table 1 Chemical composition of test materials

激光熔覆前,用砂紙打磨基體表面并用無水乙醇沖洗,使表面粗糙度Ra為0.43 μm。使用YLS-4000型光纖激光器制備FeCrB合金涂層(直接沉積,無黏結層)和FeCrB/NiCrB合金涂層(先熔覆NiCrB合金黏結層再熔覆FeCrB合金涂層)試樣。采用同步送粉法進行激光熔覆,氮氣作為保護氣體,工藝參數通過預試驗以成形質量較優且對基體熱影響較小為依據確定,具體如下:激光功率1.4 kW,掃描速度14 mm·s-1,送粉速率17.15 g·min-1,離焦量13 mm,光斑直徑3 mm,搭接率50%。NiCrB合金黏結層為單層熔覆,FeCrB合金涂層為7層熔覆,熔覆面積為100 mm×45 mm,熔覆層總厚度約為3.6 mm。

1.2 試驗方法

在激光熔覆層表面依次噴涂清洗劑、著色劑和顯影劑,對涂層表面進行著色探傷,觀察裂紋等缺陷。用砂紙打磨涂層截面,再用植絨拋光布和粒徑為0.5 μm 金剛石拋光劑進行拋光處理,然后置于質量分數10%的硝酸乙酸溶液中腐蝕15 s,隨后在王水中腐蝕3 s,最后用無水乙醇沖洗并吹干。

采用RX-50M 型光學顯微鏡觀察涂層截面顯微組織。采用MAIA3型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察涂層的微觀形貌。采用D8 ADVANCE 型X 射線衍射儀(XRD)分析涂層的物相組成,掃描范圍為20°～100°,掃描速率為10 (°)·min-1,步距為0.02°。采用HVS-1000型顯微硬度計測試涂層截面的硬度分布,載荷為0.98 N,保載時間為15 s,從表面向內部每間隔0.2 mm 取點測試,同一深度測3個點取平均值。采用MLGS-225C型干濕橡膠輪磨粒磨損試驗機進行摩擦磨損試驗,載荷為300,600,900 N,橡膠輪轉速為360 r·min-1,磨損時間為2 h,磨料為顆粒尺寸0.6～1.2 mm 的石英砂,用量為150 g·min-1。使用精度為0.01 mg的電子天平稱取試樣質量,計算涂層的磨損量(磨損前后的質量差),并通過SEM 觀察磨損形貌。采用KRJB-300B型夏比沖擊試驗機測試涂層和基體的抗沖擊性能,試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm,分別在涂層和基體試樣上開標準V型缺口,缺口深度為2 mm,試驗溫度為室溫,并通過SEM 觀察沖擊斷口形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 宏觀與微觀形貌

由圖1可見:直接熔覆于基體上的FeCrB合金涂層表面出現明顯的貫穿性裂紋,部分區域甚至已經剝離翹起,但FeCrB/NiCrB合金涂層成形質量較好,表面無明顯裂紋缺陷。在H13鋼上直接熔覆FeCrB合金涂層時,由于FeCrB合金和H13鋼基體的熱膨脹系數差異較大,在激光熔覆過程中較大的溫度梯度下,熔覆層和基體之間的體積變化差異較大,導致界面處產生較大殘余應力,當積累的應力大于材料的屈服強度時,就會產生裂紋[12]。NiCrB合金的熱膨脹系數介于FeCrB合金涂層和H13鋼基體之間,并且具有良好的延展性,可以有效減少內應力,阻止裂紋的萌生和擴展[10,13],因此FeCrB/NiCrB合金涂層表面未出現裂紋。

圖1 表面著色探傷后不同涂層試樣表面的宏觀形貌Fig.1 Surface macromorphology of different coating specimens after surface tint inspection：（a）FeCrB alloy coating and（b）FeCrB/NiCrB alloy coating

直接熔覆于基體上的FeCrB合金涂層中的裂紋于熔合線處的柱狀晶之間萌生,向涂層內部擴展變寬,延伸至等軸晶處終止。這是因為柱狀晶較為粗大,沒有枝晶臂,結合力較弱,而等軸晶晶粒較細且排列緊密,結構穩定[14]。由圖2可見:NiCrB合金黏結層主要由等軸晶和樹枝晶構成,這歸因于NiCrB合金良好的組織特性以及激光熔覆的高冷卻速率。細密的等軸晶填補了樹枝晶之間的空隙,使涂層更加致密,也減少了粗大樹枝晶之間相互耦合產生的應力集中。因此,NiCrB合金黏結層具有優異的韌性,能夠承受較大的殘余應力,阻止裂紋的萌生與擴展。

圖2 NiCrB合金黏結層的顯微組織Fig.2 Microstructure of NiCrB alloy bonding layer

由圖3可見:直接熔覆于基體上的FeCrB合金涂層各熔覆層間界面處晶粒尺寸較大,而在FeCrB/NiCrB合金涂層中FeCrB合金涂層和NiCrB合金黏結層界面處晶粒較細小且結合緊密。由于FeCrB合金和NiCrB合金成分不同,熔覆過程中元素相互擴散,在二者界面處容易形成異質晶核,有利于晶粒形核,形成細小緊密的晶粒結構;而在同成分的情況下,均相成核困難,成核點較少,會形成尺寸粗大的晶粒結構。此外,FeCrB/NiCrB合金涂層中FeCrB合金涂層的晶粒形貌比NiCrB合金黏結層清晰,這是因為鎳基合金的耐腐蝕性優于鐵基合金,在金相腐蝕過程中,鐵基合金涂層的晶間組織會受到更嚴重的腐蝕,導致晶界更容易暴露出來,晶粒形貌更為清晰。

圖3 涂層截面層間界面處的顯微組織Fig.3 Microstructure of interlayer interface in coating cross section：（a）FeCrB alloy coating and（b）FeCrB/NiCrB alloy coating

由圖4可見,在熔覆制備FeCrB/NiCrB合金涂層時,結合區域被激光束重新加熱,產生更多細小的樹枝晶。樹枝晶具有各向異性,有助于阻礙晶界滑移,從而提高涂層的硬度[15]。涂層頂部受到強烈的激冷作用,產生大量晶核,形成各方向尺寸相差較小的細小等軸晶組織。晶粒細化可以增加晶界面積,阻礙位錯滑移,從而提高涂層的強度。

2.2 顯微硬度

由圖5可見,FeCrB/NiCrB合金涂層中FeCrB合金涂層、NiCrB合金黏結層和基體的平均硬度分別為840,403,285 HV。7層FeCrB合金涂層的厚度約為3 mm,每層約為0.43 mm,NiCrB合金黏結層的厚度約為0.6 mm。由XRD測得,FeCrB合金涂層的物相組成為α-Fe、Fe2B 和Cr2C3。其中,Fe2B和Cr2C3硬度較高,不但能起到硬質相強化作用,還對位錯滑移有釘扎作用,因此FeCrB合金涂層的硬度很高。

圖5 FeCrB/NiCrB合金涂層截面的顯微硬度分布Fig.5 Microhardness distribution on FeCrB/NiCrB coating cross section

2.3 摩擦磨損性能

在300,600,900 N 載荷下,FeCrB/NiCrB合金涂層的摩擦因數分別為0.35,0.44,0.42,對應的磨損量分別為5.29,248,300 mg。涂層的摩擦因數和磨損量均隨著載荷的增加而增大。這是因為載荷增大,形成的摩擦熱增加,使涂層出現了嚴重的軟化現象[16-17]。此外石英砂的主要成分是SiO2,其硬度遠高于涂層,而由于橡膠輪具有一定彈性[18-19],在300 N 載荷下,石英砂只作用在涂層表面;在600,900 N載荷下,部分石英砂嵌入涂層,在橡膠輪的推動下剪切涂層,造成極大的質量損失,同時氧化磨損加劇,進一步增大了磨損量[20-22]。

由圖6可見:當載荷為300 N時,FeCrB/NiCrB合金涂層磨痕表面較為粗糙,能觀察到硬質相凸起和平行犁溝,其主要磨損機理為磨粒磨損,此外涂層表面還發生了氧化磨損,形成由Fe2O3、Fe3O4構成的白色團狀顆粒[17];當載荷為600 N 時,涂層表面出現了明顯的材料轉移現象,可觀察到大塊犁皺和氧化物,表明發生了嚴重的黏著磨損和氧化磨損[23-24];當載荷為900 N 時,出現了大塊的氧化物,表明氧化磨損加劇[25]。

2.4 抗沖擊性能

FeCrB/NiCrB合金涂層試樣的平均沖擊吸收功為12 J,高于基體(3 J),這表明涂層具有優異的抗沖擊性能。由圖7可以看出,FeCrB/NiCrB合金涂層的沖擊斷口存在著大量的撕裂棱和韌窩,斷面呈現晶粒形貌。由于涂層中樹枝晶和等軸晶的晶?；ハ嗲逗?阻礙了晶界滑移,增大了涂層受沖擊撕裂的阻力[26],使得晶內強度大于晶界強度,因此涂層沿著晶界處最薄弱的部分開裂,表現為韌性斷裂。

圖7 FeCrB/NiCrB合金涂層沖擊斷口的微觀形貌Fig.7 Micromorphology of impact fracture of FeCrB/NiCrB alloy coating

3 結論

(1) 采用激光熔覆技術在H13鋼表面直接制備的FeCrB 合金涂層表面存在貫穿性裂紋,在FeCrB合金涂層與基體之間熔覆一層NiCrB合金黏結層后得到的FeCrB/NiCrB合金涂層中無明顯裂紋缺陷,成形質量較好。

(2) 在FeCrB/NiCrB合金涂層中,NiCrB合金黏結層主要由等軸晶和樹枝晶組成,其與FeCrB合金涂層界面處的晶粒較細小且結合緊密。FeCrB合金涂層、NiCrB合金黏結層和基體的平均硬度分別為840,403,285 HV。

(3) 在300,600,900 N 載荷下,FeCrB/NiCrB合金涂層的摩擦因數分別為0.35,0.44,0.42,對應的磨損量分別為5.29,248,300 mg。FeCrB/NiCrB合金涂層的平均沖擊吸收功為12 J,高于基體(3 J),斷裂機理為韌性斷裂。