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摘 要：研究了送粉激光熔覆添加Ce的可能性和對組織、性能的影響。結果表明，Ce可以細化組織，提高熔覆層的顯微硬度和耐磨性。
關鍵詞：稀土元素；顯微組織；顯微硬度；耐磨性
1 前言
激光熔覆技術作為新興的表面技術，具有熱變形小、稀釋率可控、組織極細、孔隙率小、界面為冶金結合和過程易實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點，近年來得到迅速的發(fā)展[1～3]。利用這一高新技術，可在低成本基材上得到優(yōu)異的耐磨、耐蝕、高溫以及光、電、磁等性能；也可以對零部件表面進行局部修復，具有廣闊的發(fā)展前景，越來越引起人們的關注。
稀土元素在金屬材料中的研究和應用已有80多年的歷史。稀土在金屬材料中具有凈化、變質和合金化的作用，可以不同程度改善金屬材料的一系列性能，如冶金、鑄造、熱加工性能，力學性能(韌性、低溫脆性)，表面性能，耐磨、耐蝕、抗氧化性能，焊接和高溫性能等，被譽為“鋼中的青霉素”。近20多年來，美、日、西歐等國把稀土研究開發(fā)重點轉向高新技術應用的新材料。現(xiàn)在國際上把稀土譽為新技術革命中的戰(zhàn)略元素，高技術的生長點，新材料的寶庫[4]。稀土Ce在鋼中和化學熱處理、火焰噴涂、擴散熱處理、電鍍等領域獲得了廣泛的應用，但在激光表面改性技術領域應用得較少，雖有過報道[5]，但都停留在激光預置熔覆法和采用柱狀光源的階段，而且稀土元素的加入方式，主要以氧化物的形式，在寬帶送粉激光熔覆方面尤其稀土以單質的形式加入，還未見報道。本文研究稀土送粉激光熔覆對組織和性能的影響。
2 試驗材料和方法
2.1 試驗材料
基底材料、熔覆材料分別為球墨鑄鐵(QT-50)和鐵基305粉(Fe5Cr4B4Si30Ni＋25%WC)成分見表1。稀土Ce采用分析純粉末，添加量8%，基體材料為鑄態(tài)組織，表面經(jīng)過銑床加工。
表1 基體和熔覆材料的化學成分(質量分數(shù))w(%)
C Mn Cr Ni B Si P S Fe
305 5 30 4 4 余量
QT-50 3．6 0．62 2．83 ＜0．1 ＜0．1 余量
2.2 試驗方法
激光熔覆采用中科院上海激光所研制的5kW CO2激光器和JKF-6型寬帶涂覆送粉器。熔覆工藝：激光實際輸出功率P＝3.5kW，光斑尺寸為25mm×2mm，光束相對基體的掃描速度V＝1.65mm/s，送粉速率F＝450mg/s，噴嘴尺寸20mm×2mm，噴嘴距離試樣表面40mm，采用側送粉的方式。
采用JXA-840型(配有OxFord ISS300能譜系統(tǒng))的掃描電鏡和德國MM6型金相顯微鏡，X射線衍射儀對熔覆層橫斷面的成分、組織和相結構進行分析，掃描電鏡和金相試樣沿熔覆層橫向截取，經(jīng)研磨拋光后用腐蝕液腐蝕；用LETTZ顯微硬度計對熔覆層橫斷面進行硬度測量；磨損試驗在SKODA快速磨損機上進行，載荷砝碼15kg，轉速675r/min，總轉數(shù)3000r。
3 試驗結果和分析
3.1 顯微組織和相結構
圖1給出兩種材料的激光熔覆層沿橫截面的顯微組織變化結果。Fe5Cr4B4Si30Ni＋25%WC的熔化區(qū)由粗大的樹枝晶和分布在枝晶間的共晶體、分布于界面附近的塊狀WC硬質相組成(圖1a)，并且枝晶的方向性并不明顯；而添加8%稀土Fe5Cr4B4Si30Ni＋25%WC粉末的熔覆層組織得到了明顯的細化(圖1b)，失去晶體生長的方向性，枝晶間共晶組織數(shù)量明顯增多，未熔碳化物的數(shù)量減少且偏聚于界面附近。上述兩種組織具有的共同特征是層狀結構明顯，未熔碳化物分布于界面附近，添加稀土元素的組織得到明顯的細化。形成上述組織特征的原因可歸納為：①激光照射形成的熔池，在由溫度梯度引起的表面張力作用下，形成強烈的對流；熔覆材料尤其未熔碳化物的沖擊作用加劇了對流攪拌作用，改變了熔池的熱量分布，從而改變了枝晶的生長方向沿垂直于結合界面與散熱方向大致平行的相反方向生長，具有定向凝固特征的生長方式；②稀土Ce是表面活性物質，可以降低表面張力，降低臨界晶核的形成功，提高了形核率，減少了二次枝晶間距；同時微量稀土元素吸附在晶核表面又阻礙晶粒長大，有效地細化激光熔覆層組織，表現(xiàn)出較強的細晶強化效果；另外稀土Ce與C可形成亞穩(wěn)定的高熔點REC2型化合物、與Fe、Cr等元素形成高熔點的金屬化合物[6]，作為結晶核心，提高了形核率，細化了組織。
圖1 激光熔覆層的顯微組織 ×100
Fig．1 Microstructure of the cladding layers
(a)Fe5Cr4B4Si30Ni＋25%WC
(b)Fe5Cr4B4Si30Ni＋25%WC＋8%Ce
XRD相結構測定結果表明：Fe5Cr4B4Si30Ni＋25%WC＋8%Ce復合合金激光熔覆層的相結構主要由γ-FeNi基固溶體和固溶大量Cr、Si的WC型碳化物組成；經(jīng)EDX檢測出了稀土元素Ce的存在，其平均含量為0.10%，主要存在于枝晶間偏聚處或高熔點化合物中[7]；表2列出激光熔覆層橫斷面面掃描EDX成分檢測結果。本試驗中沒有檢測出合金元素B的存在，這可能是由于燒損的緣故和作為自熔合金形成熔渣被排除熔池。圖2是面掃描的分析結果：熔覆合金層表面附近合金元素含量較高，而靠近基材的結合區(qū)附近，由于熔化基材的稀釋作用使Ni、Cr和W等元素含量降低。同時，這說明：一方面，由于激光熔覆的快速加熱和快速凝固，使得液相停留的時間很短，合金元素不能達到均勻擴散；另一方面，由于熔池中表面張力引起的對流不均勻攪拌作用和熱量分布的不均勻性，將使合金元素產(chǎn)生區(qū)域偏析。
圖2 激光熔覆層橫斷面面掃描元素分布
Fig．2 Elements distribution mapping of the laser cladding coating
表2 EDX成分測試結果(質量分數(shù)) w(%)
Material Si—K Cr—K Ni—K Fe—K Ce—L
Fe5Cr4B4Si30Ni＋8%Ce 2．60 4．01 18．10 47．06 0．10
3.2 激光熔覆層的顯微硬度分布
圖3示出了兩種激光熔覆層的顯微硬度分布，曲線中3個明顯的臺階分別對應于合金熔覆層、熱影響區(qū)和基體。添加稀土元素的合金熔覆層顯微硬度略高于Fe5Cr4B4Si30Ni＋25%WC合金層。這說明在激光的快速加熱和快速凝固過程中，稀土元素起到了細化晶粒的作用，枝晶組織的細化和共晶組織數(shù)量的增多，碳化物微粒的彌散強化作用有助于顯微硬度的提高。
圖3 熔覆層顯微硬度分布
Fig．3 Microhardness distridution of the clad coating
3.3 磨損性能
圖4是不同合金熔覆層快速磨損試驗結果的直方圖，添加稀土元素的合金熔覆層的耐磨性明顯高于未添加稀土元素，增幅大約在50%。由于稀土元素可以細化組織，組織的細化可以提高熔覆層的強度和硬度；另外，稀土元素的凈化作用，可以降低熔覆層中夾雜物、微觀裂紋的數(shù)量，這些都有利于降低合金熔覆層的摩擦系數(shù)，降低磨損量。
圖4 激光熔覆層的磨損性能
Fig．4 Wear volume of the clad coating
4 結論
(1) 通過送粉激光熔覆，可以成功地在熔覆層中添加稀土元素，其平均含量為0.10%。
(2) 稀土元素可以細化晶粒，凈化熔覆層組織，提高合金熔覆層的顯微硬度和耐磨性。
基金項目：吉林省工業(yè)發(fā)展基金資助(19980101-08)
作者簡介：張慶茂(1966—)，男，講師，博士研究生。
作者單位：張慶茂(中國人民解放軍軍需大學農(nóng)副業(yè)生產(chǎn)系，吉林長春130062)
劉喜明(吉林工學院材料工程系，長春 130012)
黃鳳曉(吉林工學院材料工程系，長春 130012)
關振中(中科院長春光學精密機械研究所，長春 130012)
