田玉亮 李 杰

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.北礦新材科技有限公司，北京 102206)

我國煤礦大多數屬于井工礦，高濕、強腐蝕、顆粒沖蝕的工作環(huán)境對在工作面上運行的液壓支架提出很高要求，目前國內外對煤礦液壓支架大多采用表面電鍍硬鉻的方式進行防護，但由于碰傷或粉塵沖蝕極易使電鍍層破壞而失去防護作用，導致電鍍硬鉻工藝防護效果較差且對環(huán)境嚴重污染。激光熔覆作為一種綠色再制造工藝，在煤礦領域已得到較為廣泛的應用，液壓支架作為頂板支護設備也受到重點關注[1-5]。激光熔覆層具備結合力好、硬度高、耐蝕性強等優(yōu)點，能夠滿足液壓支架立柱耐磨和抗腐蝕的使用要求，但是熔覆粉末成分是影響激光熔覆層性能的重要因素之一，研制符合條件的液壓支架專用激光熔覆粉末成為該領域研究重點之一。鐵基合金激光熔覆層因與基體鋼材成分相近，界面結合牢固，并且成本較低，激光熔覆用鐵基合金材料受到國內外研究者的廣泛重視。目前激光熔覆用鐵基合金材料主要集中在FeNiCrMoSiC合金體系[6]，通過設計合金元素成分，調配熔覆層組織結構，可獲得滿足要求的熔覆層，但前提是Cr元素含量達到13%以上才能保證熔覆層的耐蝕性，且國內外尚缺乏Cr元素含量變化對熔覆層組織及其他性能影響的相關研究和報道，為此，本文作者綜合考慮其他合金元素對鐵基熔覆層微觀組織以及性能的影響[7-15]，并結合煤礦液壓支架立柱的工作環(huán)境特點，自行制備了兩種不同Cr含量的FeNiCrMoSiC合金粉末，初步探討粉末對激光熔覆工藝適宜性及對熔覆層組織性能的影響。

1 試驗材料及方法

試驗基材為27SiMn鋼，熔覆粉末采用真空霧化工藝制備，鐵基合金粉末的粉末流動性為14～15 s/(50 g)、松比4～5 g/cm3，SEM形貌如圖1所示，粉末粒度分布見表1，主要成分見表2。

圖1 激光熔覆粉末的SEM形貌Fig.1 SEM image of Fe-based laser cladding powder

表1 激光熔覆鐵基粉末的粒度分布

從圖1可以看出，鐵基合金粉末大部分呈球形，表面光滑，基本無衛(wèi)星球組織。研究[16]表明，鐵基合金粉末中含有的B、Si，兩種元素能促進合金液體在霧化過程中表面張力的產生，有助于形成球狀粉末。由表1可知，兩種粉末的粒度分布基本相似，顆粒主要分布在53～75 μm。由表2可知，兩種鐵基粉末材料主要元素含量基本一致，區(qū)別在于Cr元素含量不同，1#粉末中Cr元素百分含量為15%，2#粉末中Cr元素百分含量為18%。

表2 激光熔覆鐵基粉末的化學成分

采用 HJ3000 型 CO2激光器與 PF-3 型激光寬帶涂覆噴粉機進行同步送粉式激光熔覆多道搭接試驗，其工藝參數條件為：激光功率2.3 kW、送粉率8 g/min、光斑直徑3 mm、掃描速度 300 mm/min。

使用線切割方法制備試樣，在熔覆層橫截面處，用不同粒度的砂紙由粗到細進行研磨拋光后，用王水進行腐蝕。采用FEI Quanta 600型掃描電鏡表征熔覆層的顯微組織，用其聯配的能譜儀(EDS)分析熔覆層不同區(qū)域的元素成分。用HLM-100PLUS手持式里氏硬度儀檢測兩種試樣表面熔覆層的洛氏硬度，每個試樣表面隨機測定5個點，結果取其平均值。采用SHIMADZU-6000型X 射線衍射儀分析熔覆層的相組成。鹽霧腐蝕試驗在YWX/Q-250鹽霧腐蝕試驗箱中進行，根據GB/T 10125—1997《人造氣氛腐蝕試驗—鹽霧試驗》標準進行。鹽霧試驗主要條件為：試樣尺寸為30 mm×30 mm×3 mm，呈30°傾斜放置在樣品架上；溶劑采用去離子水；溶質氯化鈉含量50 g/L；箱內溫度35 ℃，溶液pH值為7；沉降速度為每80 cm2面積上1.7 mL/h，且分別從20、68、92、118、140、188、212 h取出腐蝕過的試樣，對熔覆層耐蝕性能進行分析研究。

2 結果與討論

2.1 熔覆層組織分析

鐵基合金熔覆層組織如圖2所示，從宏觀看，兩種合金熔覆層的組織結構均勻，形貌光滑平整，無裂紋和氣孔。由于鐵基合金粉末對25SiMn鋼基材有較好的適應性，二者熱膨脹系數相近，在熔覆過程中，熔覆層內部特別是熔覆層與基材結合處產生的內應力較小，同時熔覆層中Ni、Cr元素含量較高，有助于熔覆層保持良好的塑形和韌性，低B、C可以降低碳化物、硼化物在晶界的析出量，減少晶界內部應力，且兩種粉末粒度相似，選擇合適的熔覆工藝參數能夠避免未熔粉末顆粒的存在，有效降低熔覆層開裂。此外，鐵基粉末中B、Si元素有自我脫氧和造渣功能[17]，在熔覆過程中，B、Si元素在熔池表面形成硅酸鹽、硼化物熔渣，既吸附熔池合金液中的氧離子，又阻止大氣中氧原子進入熔池，防止合金中的元素被氧化，從而可以獲得氧化物含量低、氣孔率小的熔覆層。從微觀看，兩種熔覆層呈三種典型的組織形態(tài)：即熔覆層與基體之間結合區(qū)，結合區(qū)呈快速凝固組織特征；熔覆層靠近結合區(qū)部的組織為樹枝狀晶(含部分胞狀晶)；熔覆層表端組織為等軸晶。熔覆層組織與基體有明顯輕微的白色界限，表明熔覆層與基材是冶金結合，有利于獲得熔覆層與基材間的優(yōu)良結合力。由于激光熔覆加熱速度快、變形小、稀釋率低，熔覆層元素不易被稀釋，可確保熔覆層性能不降低。

圖2 鐵基合金激光熔覆層宏觀形貌和微觀組織Fig.2 Appearance(a)and SEM image(b)of Fe-Based alloy laser cladding layers

通過比較兩種熔覆層晶粒組織大小，結果是二者無明顯區(qū)別，從基層到表端呈細小晶粒組織、粗大晶粒組織、小晶粒組織特征，熔覆層表端等軸晶晶粒平均尺寸約8 μm，細小的晶粒組織能增強熔覆層組織性能，同時晶粒間隙也無明顯析出物，這也從側面證明熔覆層晶粒內部產生的應力較小，可避免熔覆層開裂。

掃描電鏡聯配能譜儀測定兩種熔覆層表端同一部位不同區(qū)域的成分，分析部位及結果如圖3和表3所示，其中A 區(qū)為等軸晶晶干部分，B 區(qū)為等軸晶間隙部分。從表3可以看出，兩種熔覆層元素分布情況基本相似，即等軸晶晶干區(qū)域主要富集元素為Cr和Mo，等軸晶間隙區(qū)域主要富集元素為Ni和Si。作為主要合金元素的Ni、Cr和Mo，在凝固過程中發(fā)生偏析，從而造成組織差異。

圖3 兩種熔覆層同一部位的 SEM形貌Fig.3 SEM images of the same part of Fe-based alloy laser cladding layers

表3 熔覆層能譜分析結果

圖4是熔覆層的XRD分析結果。從圖4可以看出，兩種熔覆層主要由γ-Fe 和α-Fe 以及微量化合物組成，各物相對應的衍射峰的位置不變，但強度卻隨 Cr 含量的改變而變化，當Cr 含量為15%時，熔覆層主要由α-Fe和、γ-Fe以及少量FeNiCrC、Fe0.64Ni0.36組成；當Cr含量為18%時，熔覆層中α-Fe含量顯著增加，γ-Fe含量減少，FeNiCr化合物析出量也減少，結合EDS分析結果認為，1#試樣熔覆層大塊區(qū)域為鐵素體、一定量馬氏體、Fe0.64Ni0.36，細密的等軸晶為奧氏體以及FeNiCrC的共晶組織；2#試樣熔覆層大塊區(qū)域為鐵素體、Fe0.64Ni0.36，細密的等軸晶為奧氏體以及FeNiCrC化合物。兩種熔覆層組織不一樣主要原因是，2#熔覆層等軸晶晶干部分Cr元素含量較1#熔覆層相同區(qū)域的高，在激光快速凝固冷卻條件下，更易形成FeCr過飽和固溶體，即馬氏體相。

圖4 鐵基合金熔覆層物相分析Fig.4 XRD patterns of the cladding layers

2.2 熔覆層硬度

材料表面硬度測試結果顯示，1#試樣熔覆層平均洛氏硬度可達到HRC51.5，2#試樣熔覆層平均洛氏硬度可達到HRC25.1，兩種試樣硬度變化結果與熔覆層組織變化有密切關系，熔覆層的XRD分析結果顯示，1#試樣熔覆層組織中含有一定量的馬氏體，作為硬質相，有利于提高熔覆層硬度，隨著熔覆層中Cr含量的增加，組織中的鐵素體增多，馬氏體基本不存在，其他組織如奧氏體和鐵素體含量變化對硬度影響不太明顯。

2.3 熔覆層耐蝕性能

兩種鐵基熔覆層鹽霧耐腐蝕試驗結果如圖5～6所示。可見，不同熔覆層在酸性環(huán)境中活性溶解開始時間不一致，1#試樣熔覆層經20 h鹽霧腐蝕后出現腐蝕現象，2#試樣熔覆層經92～118 h鹽霧腐蝕后出現腐蝕現象；之后，隨著腐蝕時間的延長，合金熔覆層會發(fā)生自鈍化現象，1#試樣熔覆層在鹽霧試驗140 h后發(fā)生自鈍化，2#試樣熔覆層在鹽霧試驗188 h后發(fā)生自鈍化。經212 h鹽霧試驗后，1#、2#試樣熔覆層腐蝕面積分別為40%、25%，表明2#試樣熔覆層腐蝕程度明顯低于1#試樣熔覆層的。出現這種現象的原因是，隨著Cr含量增加，熔覆層極易形成富 Cr 氧化物的鈍化膜，這種鈍化膜增強了熔覆層的耐蝕性，而且隨著腐蝕時間的延長，鈍化膜的不斷增加補償了鈍化膜的溶解，阻止酸性溶液所帶來的腐蝕，提高了其總體耐蝕性。

為了比較熔覆層對基體保護性能，依據GB/T 6464—2002金屬基體上金屬和其它無機覆蓋層經腐蝕后的試樣和試樣評級，對兩種熔覆層經212 h后中性鹽霧試驗基體腐蝕情況進行評級，發(fā)現基體經過長時間鹽霧腐蝕，未出現腐蝕現象，表明兩種鐵基熔覆層的耐腐蝕性能均達到8～9級，理論上能滿足井下生產需求。

圖5 熔覆層鹽霧腐蝕表面形貌隨時間演變Fig.5 Surface salt spray corrosion morphologies of cladding layers at different time

圖6 覆層鹽霧腐蝕面積隨時間變化情況Fig.6 Salt spray corrosion area of cladding layers at different time

3 結論

1)采用激光熔覆工藝可制備出無裂紋、無氣孔、與基材結合良好、Cr元素含量不同的兩種鐵基熔覆層。Cr元素含量為15%的鐵基熔覆層的主要組織為鐵素體，含一定量馬氏體、奧氏體、Fe0.64Ni0.36及FeNiCrC化合物，熔覆層平均硬度為HRC51.5；Cr元素含量為18%的鐵基熔覆層主要組織為鐵素體、奧氏體、Fe0.64Ni0.36及FeNiCrC化合物，熔覆層平均硬度為25.1。

2)鐵基粉末中Cr元素的含量不僅影響熔覆層的硬度，也影響熔覆層的耐蝕性能，隨著Cr元素含量的增加，熔覆層硬度降低，但耐蝕性能顯著提高。

3)兩種合金粉末均能滿足液壓支柱性能使用要求，但從降低成本的角度考慮，Cr元素含量為18%的合金粉末更適宜推廣使用。