激光合金化強化2Cr13葉片表面組織及性能研究

收稿日期：2023-05-03責任編輯：溫茂森

基金項目：河北省自然科學基金資助項目（E2021203218）

作者簡介：劉占琪（1996-），男，內蒙古赤峰人，碩士研究生，主要研究方向為激光熔覆新材料制備等；通信作者：付宇明（1971-），男，內蒙古通遼人，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為激光熔覆及高熵合金材料制備等，Email：mec9@ysu.edu.cn。

摘要：2Cr13不銹鋼常被用作汽輪機葉片、風機葉片、透平機葉片等部件的原材料，由于其服役在惡劣的工作環境中，常常受到沙粒、爐塵顆粒等硬質相顆粒的沖蝕，表面易出現疲勞失效。針對此問題，采用Fe-Cr-Ni鐵基粉末，依托激光合金化技術在2Cr13不銹鋼表面制備鐵基涂層，并嘗試在Fe-Cr-Ni粉末中添加WC陶瓷硬質相，以期進一步提高試樣的抗沖蝕性能。利用XRD物相檢測、EDS元素分析、顯微硬度對比、摩擦磨損、抗沖蝕等實驗手段對合金化試樣展開了微觀組織和表面性能分析。研究結果表明：Fe-Cr-Ni涂層中主要物相由Fe-Ni固溶體、Fe-Cr固溶體、Ni-Cr-Fe元合金組成，Fe-Cr-Ni涂層顯微硬度最大值可達530HV0.5，摩擦系數約為0.15，相對耐磨性為0.44；添加WC硬質相后涂層中晶體明顯細化，涂層中新生成了碳化物Cr23C6，并檢測有WC硬質相的存在，硬度值最大值提高到590HV0.5，摩擦系數降低到0.13，相對耐磨性提高到0.62；Fe-Cr-Ni試樣抗沖蝕能力較基材有所增強，添加WC硬質相后試樣的抗沖蝕能力進一步提高，失重量呈近似直線的趨勢。

關鍵詞：2Cr13不銹鋼；激光合金化；鐵基涂層；WC陶瓷硬質相

中圖分類號： TG176文獻標識碼： ADOI：10.3969/j.issn.1007-791X.2024.06.002

0引言

2Cr13不銹鋼具有良好的硬度和耐磨性，因此常被用作汽輪機葉片、風機葉片和透平機葉片等零件的原材料[1-3]，長期服役在含有沙粒、爐塵顆粒等極其惡劣的工作環境中，工作周期長，且正常工作時具有極高的轉速，透平機葉片在高速旋轉狀態下與爐塵顆粒撞擊，進而導致表面出現沖蝕失效。

近些年來一些學者采用噴丸強化[4]、熱噴涂[5]、等離子噴涂[6]等工藝方式對葉片進行強化，在一定程度上提高了葉片硬度值、耐腐蝕性、耐磨性等表面性能，但經過長期的服役后依然存在表層脫落的現象，且未考慮到葉片服役過程中存在著顆粒沖蝕的問題。因此迫切需要一種強化方式進一步提高2Cr13葉片表面性能。

激光合金化作為新型強化工藝[7]的代表，具有成型速度高[8-9]、無污染[10]、材料消耗低[11-12]等優點，已經成為改善零部件表面耐磨性和耐腐蝕性等性能的重要技術之一。江樺銳[13]采用激光合金化技術來提高00Cr13Ni4Mo不銹鋼水輪機葉片的耐磨損和耐腐蝕性能，在水輪機葉片表面制備了Ni60添加氮化物（TiN、CrN）和碳化物（WC）涂層，研究了涂層的物相、組織、顯微硬度、耐磨性和耐蝕性，分析了不同陶瓷相含量對激光表面改性涂層的組織和性能的影響。賴海鳴等[14]為提高調質態2Cr13低碳馬氏體不銹鋼汽輪機葉片的抗氣蝕性能，采用連續CO2橫流激光器對其表面進行激光合金化處理并考察其顯微組織、顯微硬度和抗氣蝕性能。結果表明，激光合金化處理后，抗氣蝕性能比合金化前提高一倍以上。YAO J H等[15]采用高功率CO2激光器對17-4PH葉片表面進行合金化處理，并對17-4PH硬化后的顯微組織和顯微硬度進行了測試。結果表明：激光合金化后，表層更加致密，晶粒細化，表面顯微硬度（平均610HV0.2）約為基體材料（330HV0.2）的1.8倍，17-4PH激光合金層的摩擦系數遠低于基體的摩擦系數。

目前對于激光合金化工藝方式強化2Cr13葉片的研究鮮少，且大多以提高葉片表面硬度、耐磨性[16]以及耐腐蝕性為指標，未考慮提高葉片表面抗沖蝕性能，因此有一定的局限性。本文依托激光合金化技術，采用鐵基粉末結合陶瓷硬質相作為合金化試驗的原材料來強化2Cr13葉片，在提高硬度和耐磨性的同時，改善試樣的抗沖蝕[17-18]性能，進而延長2Cr13葉片的使用壽命。

1實驗材料及實驗方法

基材選用尺寸為50 mm×50 mm×10 mm的2Cr13不銹鋼，其微觀組織如圖1所示，實驗前使用砂紙打磨掉基材表面氧化物，基材元素質量分數成分如表1所示。

合金化粉末的選用直接關系著試樣表面性能的好壞，由于鐵基粉末具有價格便宜、耐磨性好等優點可大規模使用，故本實驗采用Fe-Cr-Ni鐵基粉末作為激光合金化的原材料，其成分（質量分數）如表2所示。考慮到Fe-Cr-Ni粉末制備的涂層硬度較低，故嘗試在Fe-Cr-Ni粉末中添加WC陶瓷硬質相，以期更進一步提高涂層表面性能，根據前期大量的試驗結果，將其質量分數定為15%。圖2（a）、2（b）為Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Ni+WC粉末的SEM圖，兩種粉末均為球型狀顆粒粉末，通過圖2（b）可清晰看出添加在Fe-Cr-Ni粉末中的WC顆粒。將配制好的粉末使用行星式球磨機充分混合，時間為3 h，實驗過程中通入氬氣保護。

激光合金化實驗采用的設備是半導體直輸式激光器，采用的送粉方式為預置粉末法，預置厚度大約為1 mm。結合課題組之前的研究，實驗采用優化的工藝參數：激光功率為4 kW，光斑大小為2 mm×8 mm，搭接率為50%，掃描速度為5 mm/s。采用X射線掃描儀（XRD）分析涂層物相組成；采用Hitachi-3400N型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其微觀形貌；并根據MMU-5G型端面摩擦磨損試驗機樣件尺寸要求制備摩擦磨損試驗樣件，上對磨件材質為Cr12MoV，對比分析其表面耐磨性能，實驗加載載荷50 N，轉速200 r/min，持續磨損時間為500 s；實驗前后采用感量為萬分之一的FA2204B電子天平測量對磨件、合金化試樣的重量，為提高實驗的精確性，每個試樣測量3次，取平均值作為最后取值；采用噴砂實驗機對合金化試樣展開抗沖蝕性實驗，實驗前測量并記錄試樣的初始重量，每隔5 min停止噴射，測量試樣的重量并計算差值，噴射次數為3次，噴射時間為15 min。實驗結束后觀察試樣的表面微觀形貌。

2結果分析

2.1合金化涂層宏觀形貌

圖3為合金化試樣的宏觀形貌圖，經過腐蝕液腐蝕后可以清晰地看出涂層與基材分界明顯，初步判斷涂層均與基材形成了良好的冶金結合，下文將通過更為精準的微觀組織展開分析。

2.2XRD物相分析

圖4為兩種試樣的XRD衍射圖譜，可以看出Fe-Cr-Ni涂層中主要相成分由α-Fe相、Fe-Ni固溶體、Fe-Cr固溶體以及Ni-Cr-Fe合金相組成。從圖4還可以看出，添加WC硬質相后涂層中物相發生了變化，在37.502°、41.329°、44.286°檢測到了Cr23C6的存在，在50.644°出現一處新的強峰，對其進行檢索發現其物相成分是Fe-Ni固溶體，在48.191°檢測到WC，為粉末中添加的陶瓷硬質相。此外，推測是由于XRD設備檢測精度的原因，故未檢測到Si、Nb、Mo等相關成分的化合物，后續將通過更為精準的EDS元素檢測進行輔助分析。

2.3合金化涂層微觀組織及EDS元素分析

圖5為兩種合金化試樣的金相組織圖，從圖5（a）、5（c）中可以看出基材與涂層之間均出現了一條白亮帶，表明形成了良好的冶金結合，Fe-Cr-Ni試樣涂層底部組織由粗大的柱狀晶和胞狀晶組成，涂層中部組織由胞狀晶組成，如圖5（b）所示。Fe-Cr-Ni+WC試樣涂層中的晶體形態未發生較大變化，底部晶體形態依然為柱狀晶和胞狀晶組成，中部由大量的胞狀晶組成，但是圖中清晰可見晶粒尺寸發生了明顯的細化，如圖5（d）所示。

為進一步探索涂層的組織成分，在Fe-Cr-Ni涂層中選取3個區域進行元素分析，取點位置為枝晶內和枝晶上，如圖6（a）所示，表3為各點元素含量（質量分數）。結合XRD物相分析，判斷枝晶上主要由Fe-Cr固溶體、Ni-Cr-Fe三元合金組成，而Nb、Mo可能作為單質存在于枝晶上。

枝晶內未檢測到Nb元素和Mo元素，推測是由于Nb元素和Mo元素富集在枝晶上。結合XRD物相分析，判斷枝晶內基體相為α-Fe，固溶了一定的Ni元素，生成Fe-Ni固溶體。

同樣在Fe-Cr-Ni+WC涂層中選取3個區域進行元素分析，取點位置為枝晶內和枝晶上，如圖6（b）所示，表4為各點元素含量（質量分數）。結合XRD物相分析，判斷枝晶上含有Ni-Cr-Fe三元合金，同時α-Fe固溶了Ni元素、Cr元素，生成了Fe-Cr固溶體、Fe-Ni固溶體。

枝晶內Fe元素含量增加到80.92%，Cr元素減少到12.73%，未發現有Mo、Nb元素存在，這再次表明Mo、Nb富集在枝晶上。而在枝晶內出現了C元素表明此處有強化相Cr23C6的存在。此處W元素含量為0.62%，表明存在著WC硬質相。結合XRD物相分析，判斷枝晶內由α-Fe相、WC硬質相、碳化物Cr23C6組成。在Fe-Cr-Ni+WC涂層中檢測到有Si元素的存在，而在Fe-Cr-Ni涂層并未檢測到，這里推測是由于在合金化過程中Si元素與空氣中O元素在涂層外部生成SiO2氧化膜，在制備試樣時已經磨掉大部分，故影響到了元素的檢測精度。

2.4合金化涂層性能分析

2.4.1顯微硬度對比分析

圖7為合金化試樣的顯微硬度值，基材的硬度值在180HV0.5左右，Fe-Cr-Ni涂層最大硬度達530HV0.5，硬度較基材提高了近2倍。Fe-Cr-Ni+WC最大硬度值達到590HV0.5，是基材硬度值的約3.3倍。添加WC硬質相后的涂層硬度值有一定程度提高，這是由于實驗過程中較大過冷度和較快的冷卻速率，導致不均勻形核的增加，使其發生晶粒細化。同時達到熔點的WC硬質相顆粒分解成游離的C元素和W元素，粉末中添加的Cr元素易形成碳化物，一部分C元素與Cr元素生成Cr23C6碳化物第二相強化，對合金化涂層中的晶體起到細晶強化的作用，進而提高了涂層的硬度。

2.4.2摩擦磨損性能對比分析

1） 摩擦系數對比分析

圖8為Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Ni+WC試樣摩擦系數曲線圖，Fe-Cr-Ni試樣初始摩擦系數為0.15，之后在0.14～0.16之間上下波動，隨著實驗時間的增長，摩擦系數一直很穩定，整個實驗過程摩擦系數一直在0.14～0.16上下波動。添加WC陶瓷硬質相后試樣的摩擦系數一直在0.13上下波動，在實驗快結束時曲線值降低到0.12，相較而言，Fe-Cr-Ni+WC試樣摩擦系數低于Fe-Cr-Ni試樣。

2） 磨損量對比分析

磨損量是評定涂層耐磨性的又一重要指標，在實驗條件相同的情況下磨損量越少耐磨性越好。本次實驗以相對耐磨性來評價試件的耐磨性，計算公式為

ε=m1/m2，（1）

其中：ε為相對耐磨性；m1為上試樣磨損量，單位為g；m2為下試樣磨損量，單位為g。實驗結果如表5所示。

將基材以及合金化試樣的磨損量通過式（1）計算得出，基材相對耐磨性為0.06，Fe-Cr-Ni試樣為0.44，Fe-Cr-Ni+WC試樣為0.62，相同的實驗條件下，基材的相對耐磨性最差，失重量最大。Fe-Cr-Ni試樣較基材有所改善，添加WC硬質相后試樣失重量最少，體現了良好的耐磨性。

3） 涂層磨損機理分析

由圖9（a）可以看出，基材表面存在較多犁溝，有著較為嚴重的粘著現象。由于基材硬度值較低，對磨過程中上對磨件會逐漸嵌入基材，由此形成了犁溝?；谋砻婵捎^察到凹坑的存在，且凹坑面積比較大，凹坑會使上試樣在對磨過程中出現不平穩的旋轉，進而導致摩擦系數出現較大幅度的波動。分析認為基材的磨損機制為粘著磨損。

由圖9（b）可以看出，Fe-Cr-Ni涂層出現的磨痕較基材有了明顯的改善，未發現較深犁溝和凹坑存在，磨痕較為光滑，幾乎無粘著磨損。分析認為Fe-Cr-Ni涂層主要磨損機制為犁溝效應。

由圖9（c）可以看出，Fe-Cr-Ni+WC試樣的磨痕更為淺顯且較為稀疏。為確定磨痕內的組織成分，采用EDS元素分析與背散射BSE相結合的方式輔助分析，圖10為EDS元素選區，圖11為各元素衍射峰，表6為磨痕內各元素比例（質量分數），通過表中數據可以看出，在磨痕內存在著少量的W元素和C元素。圖12為試樣背散射實驗的選區，圖13為背散射實驗結果，通過實驗也可以看出在磨痕內分布著少量的W元素和C元素，因此可以推斷磨痕軌道內存在WC硬質相，這是Fe-Cr-Ni+WC試樣耐磨性提高的重要原因。上文分析得出Cr23C6作為第二相強化相，提高了涂層的硬度值，而硬度值直接與耐磨性成正相關，因此提高了涂層的耐磨性。

將基材和合金化試樣進行磨損量以及磨損形貌對比后發現，在粉末中添加WC硬質相后涂層的顯微硬度及耐磨性能均有所提高，可有效抵御上試樣的切削作用。

2.4.3抗沖蝕性能分析

1） 沖蝕前后質量對比

圖14為沖蝕實驗過程中基材與合金化試樣失重量對比的折線圖，圖中可以看出Fe-Cr-Ni試樣失重量呈緩慢增長的趨勢，最大失重量未超過1.5g；Fe-Cr-Ni+WC失重量呈近似直線的趨勢，這體現了良好的耐沖蝕性能。

2） 沖蝕形貌分析

圖15（a）、15（b）為Fe-Cr-Ni沖蝕形貌圖，從圖中可以看出Fe-Cr-Ni涂層表面存在很多細小的凹坑和犁溝，凹坑和犁溝周圍組織剝落的面積不是很大。推測是由于涂層中Ni-Cr-Fe三元合金的生成，具有較強晶間結合力，因此表層組織受到外力后不會輕易脫落。

圖15（c）、15（d）為Fe-Cr-Ni+WC試樣沖蝕形貌圖，從圖中可以看出試樣表面同樣存在著凹坑和犁溝，但是犁溝深度和數量明顯減少。在沖蝕過程中表層的軟質相會首先發生塑性變形而后脫落，硬質相會逐漸顯露出來，抵御石英砂的沖蝕。此外，在上文分析得出涂層中有碳化物Cr23C6生成，碳化物Cr23C6、WC硬質相均會起到細化晶粒的作用，進而降低涂層組織的位錯運動，這在一定程度上也改善了涂層的抗沖蝕性能。

3結論

1） 本文依托激光合金化技術，在2Cr13不銹鋼表面成功制備了Fe-Cr-Ni和Fe-Cr-Ni+WC合金化涂層。通過XRD物相檢測結合EDS元素分析判斷Fe-Cr-Ni涂層中化合物由α-Fe、Fe-Cr固溶體、Fe-Ni-Cr三元合金組成；加入WC陶瓷硬質相后，涂層中晶體生長得更加緊密，涂層新生成了碳化物Cr23C6。WC硬質相以及新生成的碳化物Cr23C6共同作用，細化了涂層中的晶粒尺寸，阻礙了晶體的長大。

2） Fe-Cr-Ni試樣硬度最大值在530HV0.5，是基材硬度值的近3倍；加入WC陶瓷硬質相后涂層最大硬度值達到590HV0.5，較Fe-Cr-Ni試樣硬度值有所提高，是基材硬度值的約3.3倍。涂層中生成的碳化物Cr23C6以及WC硬質相的存在，有效抵御了上試件的切削作用，失重量較Fe-Cr-Ni有所減少，在電鏡顯示下，未發現較深磨痕，犁溝較淺，耐磨性有了很大的提高。

3） Fe-Cr-Ni試樣抗沖蝕能力較基材有所提高，失重量呈緩慢增長趨勢；Fe-Cr-Ni+WC試樣抗沖蝕能力最好，失重量很穩定，呈近似直線的趨勢，在一定程度上提高了葉片材質的抗沖蝕性能，后續有望應用到實際工程中去。

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Microstructure and properties of 2Cr13 blade surface

enhanced by laser alloying

LIU Zhanqi， FU Yuming， XIE Yinkai， ZHENG Lijuan

（School of Mechanical Engineering， Yanshan University， Qinhuangdao， Hebei 066004， China）

Abstract： 2Cr13 stainless steel is often used as the raw material of turbine blade， fan blade， turbine blade and other components. Because it is used in the harsh working environment， it is often eroded by hard phase particles such as sand and furnace dust particles， and the surface is prone to fatigue failure. To address this problem， Fe-Cr-Ni iron-based powder was used to prepare an iron-based coating on the surface of 2Cr13 stainless steel by laser alloying technology， and WC ceramic hard phase was added to the Fe-Cr-Ni powder for improving the erosion resistance of the specimens.The microstructure and surface properties of the alloyed specimens are analyzed by XRD phase detection， EDS analysis， microhardness contrast， friction and wear， and erosion resistance. The results show that the main phase of Fe-Cr-Ni coating is composed of Fe-Ni solid solution， Fe-Cr solid solution and Ni-Cr-Fe element alloy. The maximum microhardness of Fe-Cr-Ni coating can reach 530HV0.5， the friction coefficient is about 0.15， and the relative wear resistance is 0.44. After the addition of WC hard phase， the crystal in the coating is obviously refined， a new carbide Cr23C6 is formed in the coating， and the presence of WC hard phase is detected. The maximum hardness value increases to 590HV0.5， the friction coefficient decreases to 0.13， and the relative wear resistance increases to 0.62. The erosion resistance of Fe-Cr-Ni sample is enhanced compared with that of the substrate， and the erosion resistance of the sample is further improved after the addition of WC hard phase， and the weight loss shows an approximate linear trend.

Keywords： 2Cr13 stainless steel; laser alloying; iron base coating; WC ceramics hard phase