曹 陽，姚宏凱，吳國慶，王 健，朱維南

（1.南通大學 機械工程學院，江蘇 南通 226019；2.江蘇省風能應(yīng)用技術(shù)工程中心，江蘇 南通 226019；3.南通理工學院，江蘇 南通 226002）

磨損是材料失效的主要形式之一，會對零部件的使用壽命、可靠性、安全性等產(chǎn)生較大影響，甚至會造成巨大的經(jīng)濟損失[1]。隨著工業(yè)的快速發(fā)展，類似風機葉片、螺旋軌道輸送機構(gòu)等受高頻沖擊或交變扭彎疲勞的結(jié)構(gòu)件，在修復再造時對熔覆層耐磨性提出了很高的要求。通常，磨損零件的修復再造可通過滲硼處理[2]、激光表面改性處理[3]、稀土催滲和多元共滲軟氮化[4]及QPQ 鹽浴[5]復合處理結(jié)構(gòu)件表面。這些方法雖然在一定程度上可以提高基材的力學性能，但綜合成本高，且對于結(jié)構(gòu)復雜的零件無法完成微區(qū)加工，這也限制了常規(guī)方法的使用。

采用電磁場輔助激光熔覆可以有效提升結(jié)構(gòu)件的綜合力學性能。該技術(shù)可將兩種或者兩種以上的材料復合到一起，實現(xiàn)普通基底材料的表面改性或修復，具有節(jié)約材料、節(jié)約能源、提高零部件可靠性和使用壽命等特點[6-7]。Li 等[8]研究了AZCa912 鎂合金凝固過程中引入旋轉(zhuǎn)磁場后產(chǎn)生的影響，研究結(jié)果表明，在順時針及逆時針電磁攪拌作用下，AZCa912 組織明顯細化。文獻[9]在45 鋼表面利用激光熔覆技術(shù)外加電磁場制備了Fe 基非晶涂層，研究磁場對Fe 基非晶涂層的結(jié)構(gòu)與性能的影響，結(jié)果表明：施加磁場之后，Ni-P 非晶層組織均勻化，晶粒尺寸減小。

本文以螺旋軌道輸送機的螺旋軌道為研究對象，采用5CrNiMo 鋼做基材，在激光熔覆過程中施加不同磁場強度的電磁場輔助，研究不同磁場強度對激光熔覆Ni60 涂層組織和性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 磁場輔助激光熔覆

試樣基體為5CrNiMo 鋼，尺寸為100 mm ×60 mm × 16 mm。其化學成分如表1 所示。熔覆前分別用400，800，1 200 目砂紙對試樣表面進行研磨直至光滑平整，并用酒精和丙酮清洗干凈。采用自制的旋轉(zhuǎn)磁場裝置提供可變磁場，如圖1 所示。將被熔覆試樣置于磁極中間，采用交流電激磁方法，對兩對激磁線圈順序通斷電以實現(xiàn)磁場的旋轉(zhuǎn)。

表1 5CrNiMo 鋼的化學成分Tab.1 Chemical composition of 5CrNiMo steel

1.2 表征與耐磨測試

激光熔覆實驗利用IPG 公司YLS-2000-TR 型2 kW 光纖激光器完成。具體工藝參數(shù)為：激光功率1 500 kW，光斑直徑2 mm，掃描速率10 mm/s，送粉速率9 g/min，搭接率50%。前期學者研究結(jié)果表明，當一般磁場強度超過40 mT 時，電磁場會產(chǎn)生焦耳效應(yīng)，故本文選用磁場強度為0，10，30 mT 的場強開展試驗研究。熔覆過程采用氬氣保護。熔覆涂層試樣采用4%硝酸酒精溶液腐蝕。利用AMH-6L 顯微硬度測試熔覆層的顯微硬度，加載1 000 N，時長5 s。采用UMT-3 型多功能摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損實驗，對偶件為直徑9 mm 的GCr15 鋼球，摩擦方式為干摩擦，載荷100 N，轉(zhuǎn)速150 r/min，摩擦時間45 min。利用Oxford 掃描電鏡觀察熔覆層橫截面的微觀組織和形貌，配以能譜儀對組織進行點成分分析。用D8 型X 線衍射儀（XRD）進行物相分析，靶材選用CuKα，衍射范圍為10°～90°。操作電壓為35 kV，加速電壓為40 kV，電流為30 mA，衍射速度為4（°）/min，步長0.02°。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 物相組成

圖2 為不同磁感應(yīng)強度電磁場輔助下，激光熔覆鎳基熔覆層的XRD 圖譜。根據(jù)標定結(jié)果可以看出，熔覆層的物相組成均包括γ-Ni、固溶體FeNi3和Cr7C3、CrB2、Cr3B2等碳化物硬質(zhì)相，表明在熔覆過程中施加電磁場輔助，對熔覆層的物相組成影響不大。

2.2 顯微組織

圖3 從上到下，從左至右分別為施加0，10，30 mT 磁場強度下激光熔覆層上、中、下部顯微組織。由圖3（a）—（c）可知，未施加電磁場輔助的Ni60涂層中、下部以柱狀晶為主，上部為胞狀晶組織。由圖3（d）—（i）可知，對應(yīng)熔覆層上部，隨著磁感應(yīng)強度的增加，復合涂層的胞狀晶粒Feret 直徑和晶粒所占面積分數(shù)逐漸變小，晶粒逐漸細化；對應(yīng)熔覆層中、下部，隨著磁感應(yīng)強度的增加，柱狀晶逐漸向樹枝晶轉(zhuǎn)變，枝晶間距及枝晶尺寸明顯減少。當磁感應(yīng)強度為30 mT 時，整個熔覆層晶粒細小，組織分布均勻。原因有二：1）由于磁場電磁攪拌作用，加劇了熔池的對流，加速了熔池內(nèi)部的熱量交換，縮小了液相熔池的溫度梯度并趨于一致，固－液界面前沿液相的溫度梯度GL變小，使熔池內(nèi)晶粒細化；2）液態(tài)金屬在洛倫茲力的攪拌作用下做復雜運動，并沖擊剛形成的晶體，使晶體生長受到抑制，從而獲得晶核多、晶粒細的組織。隨著磁場強度的增加，熔池內(nèi)部對流加強，細晶強化作用愈明顯。熔池對流加劇，磁場力在熔池中產(chǎn)生強迫對流促進了熔池內(nèi)的溶質(zhì)原子重新均勻分布，使得凝固收縮形成的孔隙被熔體所填補，從而降低凝固組織偏析度，最終表現(xiàn)為枝晶組織彌散分布在熔覆層中[10-11]。

2.3 顯微硬度

圖4 為3 種不同磁場強度下熔覆層的平均顯微硬度值。圖5 為不同磁場強度下熔覆層沿橫截面深度方向上的顯微硬度分布曲線圖。由圖4 可以看出，施加10 和30 mT 磁場強度的顯微硬度平均值分別為1 377 和1 404 HV0.2，說明電磁輔助激光熔覆可以提高涂層的顯微硬度。由圖5 可以看出，未施加電磁場制備的Ni60 涂層沿橫截面深度方向上的顯微硬度，較施加10 mT 和30 mT 磁場強度后的涂層顯微硬度值小；在距基體表面0.9 mm 時，可以看出在0，10 和30 mT 條件下的涂層顯微硬度波動均較小，但大于0.9 mm 后，可以明顯看出施加10，30 mT 較0 mT 波動小，施加30 mT 磁場強度后的效果最好。這是因為施加電磁場輔助制備的復合涂層細化了熔覆層上部的胞狀晶粒和中下部柱狀晶組織，且組織在熔覆層中分布更均勻，因此硬度值增大。隨著磁感應(yīng)強度的增加，熔池內(nèi)部的對流與傳質(zhì)加強，晶粒細化效應(yīng)進一步促進了涂層凝固組織均勻化。

2.4 耐磨性能

不同磁場強度下激光熔覆制備的復合涂層的摩擦系數(shù)隨時間變化曲線，如圖6 所示，可以看出熔覆層的摩擦系數(shù)均具有磨合和穩(wěn)定磨損兩個階段。在磨損初期，摩擦副在載荷作用下不斷切削涂層表面，從而形成較大的切向阻力，導致涂層的摩擦系數(shù)均急劇上升[12]。隨著摩擦磨損過程的進行，摩擦副與涂層表面跑合達到平衡進入穩(wěn)定摩擦磨損階段。從圖6 可知，未施加磁場輔助的Ni60 涂層的摩擦系數(shù)變化幅度較施加了磁場的復合涂層大。這是因為Ni60 涂層組織存在著不同形狀枝晶，枝晶的各項異性導致了Ni60 涂層的摩擦磨損曲線相較于復合涂層波動更大。而外加磁場可改善涂層中枝晶分布與形態(tài)，使其細化和均勻分布于熔覆層內(nèi)，摩擦力較均勻，進而摩擦系數(shù)波動相對較小。另外，Ni60 的穩(wěn)定摩擦系數(shù)大約為0.4，施加10 和30 mT磁場強度的平均摩擦系數(shù)分別穩(wěn)定在0.28 和0.25，摩擦系數(shù)分別降低了30%和37.5%，說明磁場輔助激光熔覆制備的涂層具有更好的減摩效果。這是因為電磁攪拌作用下細化了晶粒，晶粒細化效應(yīng)使涂層具有很好的減摩效果。

圖7 為不同磁場強度下熔覆層磨損體積柱狀圖?？梢钥闯?，各熔覆層的磨損體積與熔覆層的顯微硬度呈相反的變化趨勢，表明涂層的硬度值越高，耐磨性則越好[13]。圖中，Ni60 熔覆層的磨損體積為5.63 × 10-2mm3，施加10 和30 mT 磁場強度熔覆層的磨損體積分別為2.73 × 10-2和1.48 × 10-2mm3，相對于未添加電磁場輔助的Ni60 熔覆層，施加10和30 mT 磁場強度的熔覆層磨損體積分別下降了51.6%和70.1%，說明施加電磁場輔助激光熔覆制備復合涂層能夠顯著提高涂層的耐磨性，隨著電磁感應(yīng)強度的增加，涂層的磨損體積損失逐漸減小，涂層的耐磨性逐漸提高。

材料的組織結(jié)構(gòu)、顯微硬度、韌性決定了其耐磨性。電磁場輔助激光熔覆，一方面電磁攪拌作用增強了熔池的對流，減少了成分偏析，減少了熔池中溶質(zhì)原子的團聚，在熔池中分布更均勻；另一方面機械攪拌效應(yīng)擊碎了熔池中的枝晶組織，細化了涂層中的晶粒，晶粒越細，涂層表面硬度越高，相應(yīng)的抵抗磨損能力越強。金屬熔池中電磁力隨著磁場強度的增加而逐漸增強[14]。電磁能一部分用來克服熔體自身黏滯力，另一部分則成為形核枝晶及熔體的動能，從而使復合涂層組織更好細化，因此復合涂層耐磨性進一步增強。

圖8 為不同磁場強度下熔覆層的磨損形貌。可以看出，Ni60 熔覆層的磨損最為嚴重，磨損表面出現(xiàn)較深的犁溝和少許剝落的基材碎片，主要磨損機制為黏著磨損和磨粒磨損。當磁感應(yīng)強度為10 mT時，熔覆層磨損表面以犁溝為主，且犁溝深度明顯降低；當磁感應(yīng)強度為30 mT 時，熔覆層表面的犁溝基本消失，表明這一磁場強度下的熔覆層的抗磨損性能較好。這是因為施加電磁場制備的復合涂層具有更高的硬度，硬質(zhì)相顆粒分布相對更均勻。當CrB2和Cr2B3等硬質(zhì)相牢固地鑲嵌在金屬基體當中，起到釘錨作用，在對磨過程中推擠塑韌性較好的γ-Ni 相，使之塑性流動并犁出一條溝槽，表現(xiàn)為典型的磨粒磨損。隨著磁場強度的增加，熔覆層中的組織得到凈化，增強相顆粒變得更為細小均勻，彌散分布在熔覆層中，涂層彌散強化和細晶強化作用加強。一方面，涂層表面存在多個強化相，有效地削弱了滑動磨損過程中的微切削；另一方面，涂層中的強化相也可以作為涂層的硬骨架支撐，有效地降低磨損[15]。因此在摩擦過程中，磨輪表面的硬質(zhì)點對熔覆層表面的劃刻作用較小，在很大程度上減弱了對熔覆層的磨損，犁溝逐漸變得淺而窄，涂層抵抗磨損能力增強。

3 結(jié)論

1）施加磁場后，熔覆層的物相組成沒有較大變化，主要由γ-Ni、FeNi3、Cr7C3、CrB2、Cr3B2組成；隨著磁場強度增大，熔覆層上部的胞狀晶粒Feret 直徑和晶粒所占面積分數(shù)逐漸變小，晶粒逐漸細化，中下部由柱狀晶向樹枝晶轉(zhuǎn)變。磁感應(yīng)強度為30 mT 時，整個熔覆層晶粒細小，分布均勻。

2）隨著磁場強度增大，顯微硬度逐漸增大，磁場強度為30 mT 時，最高顯微硬度達到1 404 HV0.2。

3）未施加磁場的Ni60 涂層磨損表面較磨損最為嚴重，磨損表面出現(xiàn)較深的犁溝和少許剝落的基材碎片。不同磁場強度的熔覆層磨損表面以犁溝為主。隨著磁場強度的增加，熔覆層的摩擦系數(shù)逐漸降低，當磁場強度為30 mT 時，摩擦系數(shù)最低僅為0.25。施加電磁場輔助激光熔覆技術(shù)顯著提高了Ni60 涂層的耐磨性能，為螺旋軌道輸送機螺旋軌道等受高頻沖擊或交變扭彎疲勞的結(jié)構(gòu)件磨損快速修復提供了技術(shù)支撐。