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作者；張毅

    激光熔覆技術(shù)是金屬材料表面處理的一個(gè)研究方向，它是利用高能激光束在金屬表面輻照，通過材料的迅速熔化、擴(kuò)展和凝固，在基材表面生成一層具有晶粒細(xì)小，組織致密的復(fù)合涂層。45號鋼激光表面改性一般采用熱噴涂粉末，在很大程度上滿足了各類工程需要，提高了鋼材的使用性能，并且拓寬了45號鋼的應(yīng)用領(lǐng)域。但是，激光表面處理過程中受到了強(qiáng)烈的熱效應(yīng)影響，會對基體材料產(chǎn)生激光淬火處理，繼而引起45號鋼基體產(chǎn)生馬氏體相變，而馬氏體的相變過程是體積膨脹過程，容易在熔覆層與基體材料之間造成開裂。基于45號鋼使用過程存在的工程問題，設(shè)計(jì)了含有耐蝕元素Mo、Ni的激光熔覆粉末，采用激光熔覆技術(shù)對45號鋼進(jìn)行處理，并分析了其組織與性能，為工程應(yīng)用提供參考。

1  熔覆粉末

  熔覆粉末包括B、C、Cr、Ni、Mo、Y2 03等單質(zhì)和化合物。首先保證熔覆層為單相的體心立方結(jié)構(gòu)，組織中不存在不同相之間的電位差，熔覆層才能具有良好的耐腐蝕性能。Cr作為主要的合金元素，能夠促進(jìn)體心立方結(jié)構(gòu)的形成，在大氣中形成Cr203鈍化膜，阻止基體材料發(fā)生腐蝕。Ni可以提高熔覆粉末的潤濕性，使基體與熔覆層結(jié)合良好。Mo的原子半徑大于Fe的原子半徑，溶入Fe基體后，可以產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效應(yīng)。此外，在高C1-環(huán)境中Mo可以強(qiáng)化元素Cr的鈍化膜。C可以提高熔覆層的硬度，B可以提高熔覆層的造渣能力。Y2O3能夠強(qiáng)烈的細(xì)化晶粒，繼而提高熔覆層的力學(xué)性能。

  2  試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

  2.1試驗(yàn)材料

  試驗(yàn)基體材料為45號鋼，用線切割制成100 mm×30 mm×20 mm的試片，用400號金相砂紙打磨，用丙酮清洗后備用。合金粉末配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：o．5%的B、0.2%的C、24%的Cr、5%的Ni、5%的Mo、0.1%的Y2 03，余量為Fe。

  2.2試驗(yàn)方法

  激光熔覆采用TJ-HL-T5000型C02激光器，焦距為300 mm，功率為3.5 kW，光斑直徑為3 mm，掃描速度為3 mm／s，預(yù)置粉末厚度為1.5 mm，熔覆層厚度約為0.6 mm。

  用GX51型金相顯微鏡觀察顯微組織。用D2 X射線衍射儀進(jìn)行物相分析。采用TECNAI G20-STWIN透射電鏡確定相成分，試樣用體積分?jǐn)?shù)為85%的無水乙醇和15%的高氯酸混合溶液在-40℃的溫度下用標(biāo)準(zhǔn)雙噴減薄儀進(jìn)行減薄。在不同溫度下模擬海水（3.5%的N a C l溶液），用三電極電化學(xué)工作站進(jìn)行試樣的耐腐蝕性能測試，飽和甘汞電極作為參比電極，Pt

電極作為輔助電極。中性鹽霧試驗(yàn)采用5%的NaCl溶液，pH值為6.5～7.2，溫度為35±2℃，連續(xù)噴霧，每周定期觀察試板表面狀況。中性鹽霧試驗(yàn)共進(jìn)行20天，最終檢查試驗(yàn)板表面狀態(tài)以及點(diǎn)蝕孔數(shù)量分布情況。點(diǎn)蝕密度、平均蝕點(diǎn)直徑與平均蝕點(diǎn)深度參考ASTMG46進(jìn)行測試。點(diǎn)蝕密度與平均蝕點(diǎn)直徑取面積為1 cm2區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，磨樣機(jī)打磨橫截面測量蝕點(diǎn)深度，取最大值。

3  結(jié)果與分析

3.1  熔覆層組織

  熔覆層宏觀形貌和金相組織見圖1，由圖1可以看出，熔覆層比較光滑，表面沒有裂紋與孔洞產(chǎn)生，從圖1b可以看出，結(jié)合區(qū)是白亮組織，晶界不甚明顯，表明熔覆層與基體材料為冶金結(jié)合；在靠近結(jié)合區(qū)的熔覆層底部為薄的過渡區(qū)域，熔覆層大部分區(qū)域?yàn)闃渲�晶。熔覆層�?nèi)部沒有發(fā)現(xiàn)裂紋與空洞，從基材到熔覆層組織過渡良好，這種組織狀況可以防止材料內(nèi)部產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中。

3.2 XRD物相鑒定

  熔覆層物相X射線衍射分析結(jié)果見圖2，衍射面的晶面指數(shù)已經(jīng)標(biāo)定出來，依次為(110)、(200)、(211)與(220)，晶面指數(shù)滿足同奇同偶的原則，符合體心立方結(jié)構(gòu)的衍射特點(diǎn)，確定涂層內(nèi)基體相為a-Fe（體心立方結(jié)構(gòu)），同時(shí)看出，衍射峰的峰型是比較凌銳對稱的，且沒有第二相的衍射峰出現(xiàn)。峰型狀況反映了在熔覆層內(nèi)部物相晶粒結(jié)晶度比較高，合金化元素Cr、Mo、Ni與B均較好地溶入了體心立方鐵合金的基體之中。與純Fe的衍射峰型比較，可以看出熔覆層的衍射面與純Fe比較均向小角度偏移，由此可以證明，熔覆層雖然保持著單相結(jié)構(gòu)，但是晶格間距被拉伸變大，這主要是固溶的合金元素所致。

3.3 TEM衍射分析

  試樣在200 kV高壓下采用TECNAI G20-STWIN的透射電鏡進(jìn)行透射分析見圖3。從圖3中看出，晶界是比較光滑的，晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度較低，并沒有第二相析出。結(jié)果與XRD試驗(yàn)結(jié)果一致，在熔覆層內(nèi)部材料的基體相是單一的體心立方結(jié)構(gòu)，合金元素幾乎全部溶人到Fe基體中。對材料進(jìn)行選區(qū)衍射分析，選擇區(qū)域呈現(xiàn)出來了各種位錯(cuò)，沒有發(fā)現(xiàn)明顯多余的物相，其衍射斑點(diǎn)為一組體心立方斑點(diǎn)，不存在第二相斑點(diǎn)。選區(qū)衍射結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證涂層保持了單一的體心立方結(jié)構(gòu)。從腐蝕學(xué)的理論分析，單一物相，不存在不同物相間腐蝕電位的差別，就不會產(chǎn)生原電池反應(yīng)，有助于提高材料的耐腐蝕性能，再考慮抗腐蝕元素Ni、Cr、Mo等的添加也會提高涂層的耐腐蝕性能。

3.4耐蝕試驗(yàn)

3. 4.1  電化學(xué)測試

3.4.2  中性鹽霧試驗(yàn)

  熔覆層與OCr17Ni12Mo2不銹鋼同時(shí)在5.0%的NaCl溶液中通過科迪可程式鹽霧試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了鹽霧腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度約為35℃，對出現(xiàn)點(diǎn)蝕的時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見表1�？梢钥闯�，0Cr17Ni12Mo2在17天出現(xiàn)了點(diǎn)蝕現(xiàn)象，而熔覆層試樣在試驗(yàn)20天結(jié)束時(shí)始終沒有出現(xiàn)點(diǎn)蝕。腐蝕形貌見圖5，試驗(yàn)中參考ASTMG46測試了點(diǎn)蝕密度、平均蝕點(diǎn)直徑與平均蝕點(diǎn)深度。單位面積上蝕點(diǎn)情況見表2。所配置合金材料采用激光熔覆生成的涂層，耐腐程度與oCr17Ni12Mo2不銹鋼比較接近。OCr17Ni12Mo2不銹鋼試樣每cm2上的點(diǎn)蝕孔有200個(gè)，平均直徑為150μm ，蝕點(diǎn)平均深度為100μm。熔覆層點(diǎn)蝕孔有150個(gè)/cm2，平均直徑為105 μm，平均深度為69μm。熔覆層耐腐蝕性能略優(yōu)于OCr17Ni12Mo2不銹鋼。

4  結(jié)  論

配制了鐵基激光熔覆粉末，對45號鋼進(jìn)行了表面改性，采用TJ-HL-T 5000型5 kW的CO2激光器，焦距300 mm，功率為3.5 kW，光斑直徑為3 mm，掃描速度為3 mm／s，所得涂層與基體結(jié)合良好，熔覆層為單一的BCC(a-Fe)結(jié)構(gòu)。熔覆層具有良好的耐腐蝕性能，室溫時(shí)模擬海水在3.5%的NaCl溶液中進(jìn)行電化學(xué)測試，自腐蝕電位Ecorr為- 0.109 V，點(diǎn)腐蝕電位E b為1. 000 V，熔覆層耐腐蝕性能與OCr17Ni12Mo2不銹鋼的耐腐蝕性能相當(dāng)。 

5 摘要通過配制鐵基金屬粉末，利用激光熔覆技術(shù)，對45號鋼進(jìn)行表面改性。利用XRD.TEM、電化學(xué)工作站與鹽霧試驗(yàn)研究了熔覆層的組織和耐蝕性能。研究表明，獲得的鐵基金屬粉末適合45號鋼改性處理，基體與涂層之間實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合，熔覆層為體心立方結(jié)構(gòu)，具有良好的耐蝕性能。