Fe基激光熔覆涂层的制备及性能研究

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随着现代工业的快速发展,实际生产应用对Q235钢材的性能提出了更高的要求,以便适应日益复杂的服役环境。部件的表面经常遭受到腐蚀、摩擦磨损和疲劳等问题,因此许多部件的失效往往是从其表面开始,进而导致机械部件的失效破坏。非晶合金由于高强度、高耐磨性和良好的耐腐蚀性等众多优异性能一直备受关注。然而,形成能力有限和室温脆性等问题却极大限制了非晶合金的实际应用。将非晶合金以涂层的方式熔覆到其他结构材料表面,有利于改善非晶合金的室温脆性,且容易实现大面积制备,因此在煤炭开采、船舶和航天航空等领域有着巨大的应用潜力。值得注意的是,激光熔覆涂层中不可避免地存在着晶体相、气孔和裂纹等问题,其对涂层的服役性能有着显著影响。针对以上关键问题,本文以高玻璃形成能力(Glass Forming Ability,GFA)的Fe48Cr15Mo14Y2B6C15和较低GFA的Fe78Si13B9非晶合金为基础,系统研究了元素添加和粉末制备工艺对激光熔覆涂层组织和性能的影响。主要内容和取得的研究结果包括以下几方面:(1)通过气雾化法制备Fe48+xCr15Mo14-xC15B6Y2合金粉末,采用激光熔覆技术制备铁基合金涂层。系统研究了Mo含量对涂层微观组织、显微硬度和耐腐蚀性能的影响规律。结果表明,随着Mo含量减少,涂层的裂纹减少,但粉末的GFA却明显下降。涂层与基体形成良好的冶金结合,涂层主要由晶体相α-Fe、M23(B,C)6、M2(B,C)、M3(B,C)和Fe Mo金属化合物组成,微观组织为胞状晶、柱状晶、等轴晶和平面晶等形态。涂层平均硬度约1050 HV0.2。适当减少该合金Mo的含量有利于减小涂层和基体之间的力学性能的错配,同时增加涂层的耐蚀性。当Mo的含量为6.5 at.%时,涂层的腐蚀电位(-0.344 V)与腐蚀电流密度(2.927×10-6 A·cm-2)均优于基体,表现出良好的耐蚀性。(2)通过气雾化法制备(Fe78Si13B9)100-xCrx合金粉末,采用激光熔覆技术制备铁基合金涂层。系统研究了Cr元素添加对涂层微观结构、显微硬度和耐腐蚀性能的影响规律。结果表明,涂层由单一结构α-Fe相组成,且与基体形成良好的冶金结合,且无明显裂纹缺陷。随着Cr元素添加,涂层截面组织为树枝晶和平面晶,当Cr含量为12 at.%时,涂层的平均显微硬度约700 HV0.1。当Cr含量为12 at.%时,涂层展现出最佳的耐腐蚀性能,其腐蚀电位、腐蚀电流密度和点蚀电位分别为-0.339 V、5.566×10-7 A·cm-2和0.959 V均优于基体。(3)通过机械破碎法制备(Fe78Si13B9)100-xCrx非晶粉末,采用激光熔覆技术制备铁基合金涂层。系统研究了Cr元素对激光熔覆涂层的微观结构、显微硬度和耐腐蚀性能的影响规律。结果表明,涂层物相结构为α-Fe相,有效改善了涂层的表面裂纹,且与基体形成良好的冶金结合,此外,涂层显微组织为树枝晶。随着Cr含量增加,涂层的显微硬度增加,最大达到800 HV0.1,Cr含量为12 at.%的涂层耐腐蚀性最优,其腐蚀电位、腐蚀电流密度和点蚀电位分别为-0.316 V、2.993×10-7 A·cm-2和0.347 V。
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