王昕陽(yáng)，黃燕濱, ，劉謙，謝璐，孟志，侯俊松

（1.陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072；2.北京科技大學(xué)，北京 100083；3.中國(guó)人民解放軍31693 部隊(duì)，吉林 長(zhǎng)春 150000；4.北京京儀儀器儀表研究總院有限公司，北京 100176）

高熵合金作為近年來(lái)金屬材料領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展的一種新型材料，是由5 種或更多元素按等原子比或近等原子比合金化而成的合金[1]。自其概念被正式確立以來(lái)的20 年里，高熵合金始終保持材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)地位并取得了相當(dāng)大的發(fā)展[2-3]。這與其遠(yuǎn)超傳統(tǒng)合金的優(yōu)異性能密不可分。高熵合金具有晶格畸變大、構(gòu)型熵高的特征，并通常擁有強(qiáng)度高、韌性好、耐腐蝕、抗高溫氧化、抗高溫軟化等特點(diǎn)，在一些極限條件下甚至可能突破目前已有材料性能的極限[4-6]。CoCrFeNi 由于出色的力學(xué)性能和耐蝕性而成為高熵合金體系中一個(gè)重要分支。但相比傳統(tǒng)的鎳基合金和鋼，CoCrFeNi 系高熵合金的密度和成本較高，一般通過(guò)表面加工強(qiáng)化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其工程應(yīng)用價(jià)值。

激光熔覆以激光設(shè)備照射出的高功率能量密度激光束為熱源，在基材表面按照設(shè)定路徑進(jìn)行掃描，金屬表面在高能激光束的輻照下迅速被加熱升溫，熔化擴(kuò)展而形成熔池，熔融的涂層合金與金屬基材在熔池內(nèi)流動(dòng)熔接，快速凝固后在基材表面形成致密的合金涂層，最終達(dá)到優(yōu)化基材表面性能的目的。激光熔覆技術(shù)的思想基礎(chǔ)是“離散+堆積”，表面強(qiáng)化技術(shù)與快速原位成型技術(shù)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)材料或涂層的成型。相比傳統(tǒng)的表面加工強(qiáng)化技術(shù)，激光熔覆的操作簡(jiǎn)單，涂層結(jié)合強(qiáng)度更高[7-11]。其快冷快熱的特性有助于提升涂層性能。調(diào)整激光熔覆工藝參數(shù)可以改變?nèi)鄹矊觾?nèi)能量、質(zhì)量和動(dòng)量的傳輸過(guò)程，影響熔覆層晶粒的形成與生長(zhǎng)，進(jìn)而控制其表面形貌和綜合性能。在選擇高熵合金等高性能熔覆材料的情況下，合理調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，可以進(jìn)一步提升工業(yè)裝備的綜合防護(hù)性能。

本文利用激光熔覆技術(shù)在45 鋼基材上制備CoCrFeNiMo 高熵合金涂層，采用單因素試驗(yàn)研究工藝參數(shù)對(duì)涂層形貌和性能的影響，再利用正交試驗(yàn)優(yōu)化了工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1 粉體制備

通過(guò)真空熔煉霧化法制備CoCrFeNiMo 高熵合金粉體：先按一定原子比例將各金屬粉末放入感應(yīng)爐，抽真空后熔化，精煉后流入保溫坩堝，隨后通過(guò)導(dǎo)流管和噴嘴在高壓氣流的作用下霧化，所產(chǎn)生的液滴在霧化塔中凝固并沉降成型，最后納入收粉罐中。在制粉過(guò)程中，保護(hù)氣體為氬氣，霧化溫度約1 600 °C，霧化壓力為2.8 MPa，真空度為0.01 Pa。

1. 2 工藝優(yōu)化

采用同步送粉法進(jìn)行激光熔覆，LDF3000-60 高功率半導(dǎo)體激光器的參數(shù)如下：載氣速率2 L/min，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速2 r/min，光斑直徑2 mm，全程用氬氣作為保護(hù)氣體。激光熔覆工藝中對(duì)涂層形貌和性能影響較大的參數(shù)有激光功率、進(jìn)給速率和搭接率。根據(jù)前期經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合激光設(shè)備的工作范圍，通過(guò)檢驗(yàn)涂層質(zhì)量來(lái)縮小參數(shù)的設(shè)定范圍，最終確認(rèn)了表1 所示的操作參數(shù)。采用綜合評(píng)分法對(duì)涂層的表面形貌、力學(xué)性能和耐蝕性這3 個(gè)方面進(jìn)行評(píng)定，對(duì)應(yīng)考核指標(biāo)為涂層的平整度標(biāo)準(zhǔn)差、顯微硬度和平均腐蝕速率。

表1 試驗(yàn)的因素與水平Table 1 Factors and their levels to be tested

1. 3 表征與性能測(cè)試

如圖1 所示，平整度s是指單道熔覆層表面凸起與下凹之間的差值，而對(duì)多道熔覆層來(lái)說(shuō)，需對(duì)這一概念進(jìn)行擴(kuò)展，依次量取涂層表面所有單道熔覆軌跡的平整度，并求取這些數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，用以表征多道熔覆涂層的平整情況。

采用OLYMPUS PMG3 型側(cè)置式光學(xué)金相顯微鏡觀察涂層的截面形貌。

采用MICROMET-6030 顯微硬度計(jì)檢測(cè)涂層的顯微硬度，選取維氏壓頭，載荷0.49 N，加載時(shí)間10 s。檢測(cè)位置如圖2 所示：沿著基材40 mm 的邊，避開(kāi)兩端區(qū)域，每隔4 mm 設(shè)置一個(gè)檢測(cè)列，在一列上每隔4 mm 選取一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。計(jì)算顯微硬度的平均值。

圖1 平整度的示意圖Figure 1 Schematic diagram of the flatness

圖2 硬度檢測(cè)區(qū)的示意圖Figure 2 Schematic diagram of area for detecting hardness

通過(guò)線切割設(shè)備將涂層加工成10 mm × 10 mm × 5 mm 的小塊，并封閉除涂層外的各面，然后浸泡在常溫的3.5% NaCl 溶液中12 h，采用式(1)計(jì)算腐蝕速率v。

式中，A為腐蝕面積(單位：m2)，m0為試樣原始質(zhì)量(單位：g)，m1為腐蝕試驗(yàn)后試樣質(zhì)量(單位：g)，t為腐蝕時(shí)間(單位：h)。

2 結(jié)果與討論

2. 1 激光功率對(duì)涂層形貌和性能的影響

功率決定熔覆區(qū)域內(nèi)的溫度，影響材料的熔化情況、熔池規(guī)模、基材溫度等，對(duì)涂層的影響較大[12]。由表2 可知，在搭接率不同的3 個(gè)分組中，涂層的表面平整度標(biāo)準(zhǔn)差隨著激光功率的提升而逐步下降，該變化的幅度隨著搭接率上升逐漸減小。從圖3 可見(jiàn)，800 W 時(shí)所得涂層呈現(xiàn)不規(guī)則的起伏；1 000 W 時(shí)所得涂層有間隔均勻的輕微隆起；1 200 W 時(shí)所得涂層基本保持均勻平整。不難發(fā)現(xiàn)，在其他條件不變的情況下，提高激光功率可使涂層表面更加平整。這是由于增大激光功率會(huì)提升熔池溫度，延長(zhǎng)涂層冷卻時(shí)間以及熔覆材與基體的熔接時(shí)間，熔融金屬能夠充分流動(dòng)、擴(kuò)散，繼而形成平整度較高的涂層。

表2 激光功率對(duì)涂層性能的影響Table 2 Effect of laser power on properties of coating

各組涂層的顯微硬度最大值均出現(xiàn)在1 000 W。在不同搭接率下，激光功率為800 W 時(shí)，涂層的顯微硬度普遍最低，1 000 W 時(shí)顯微硬度顯著提高，1 200 W 時(shí)顯微硬度出現(xiàn)不同程度的下降。如圖4 所示，800 W 時(shí)得到的涂層中有大量隨機(jī)分布的大尺寸不規(guī)則孔洞；1 000 W 時(shí)，涂層有少量條帶狀空隙且集中在其與基體結(jié)合處；1 200 W 時(shí)涂層無(wú)肉眼可見(jiàn)的缺陷。可見(jiàn)激光功率上升的同時(shí)減少了缺陷的形成，提升了涂層質(zhì)量。結(jié)合微觀形貌與顯微硬度來(lái)判斷，激光功率對(duì)涂層組織的影響是決定顯微硬度的關(guān)鍵。激光功率從800 W 升至1 000 W 時(shí)，涂層中的缺陷基本消失，晶粒尺寸最小，因此涂層的顯微硬度最高；激光功率進(jìn)一步提升后，組織再次變得粗大，導(dǎo)致顯微硬度下降。

各組平均腐蝕速率的極小值均出現(xiàn)在1 000 W 下。這與不同功率下涂層顯微硬度的變化類(lèi)似。結(jié)合涂層組織的演變規(guī)律可知涂層的耐蝕性與其組織的尺寸和排布情況有關(guān)。

圖3 不同功率下所得涂層上部的截面形貌Figure 3 Cross-sectional morphologies of upper parts of the coatings clad at different laser powers

圖4 不同功率下所得涂層結(jié)合區(qū)的截面形貌Figure 4 Cross-sectional morphologies of junction parts of the coatings clad at different laser powers

2. 2 進(jìn)給速率對(duì)涂層形貌和性能的影響

進(jìn)給速率控制激光束輻照基體表面的時(shí)間，能夠決定基體表面單位面積內(nèi)獲得的能量。過(guò)高的進(jìn)給速率可能導(dǎo)致涂層熔化不完全，與基材熔接質(zhì)量差，無(wú)法形成致密的組織結(jié)構(gòu)，過(guò)低的進(jìn)給速率會(huì)延長(zhǎng)熔池的加熱時(shí)間，燒毀熔覆材料乃至基材，導(dǎo)致涂層過(guò)燒、組分失調(diào)以及基體過(guò)熱變形等問(wèn)題[13-14]。

從表3 可知，涂層的表面平整度標(biāo)準(zhǔn)差隨著進(jìn)給速率的提升逐步下降，這一變化在搭接率為25%時(shí)較明顯，在搭接率為30%和35%時(shí)變化幅度較小。從圖5 可見(jiàn)，搭接率為25%的樣品表面呈現(xiàn)不規(guī)則的起伏，且幅度較大；30%時(shí)出現(xiàn)的隆起集中在激光的收束一側(cè)；35%時(shí)所得樣品表面基本均勻、平整，沒(méi)有較大的起伏?？梢?jiàn)隨著進(jìn)給速率提高，涂層表面更加平整。

表3 進(jìn)給速率對(duì)涂層性能的影響Table 3 Effect of feed rate on properties of coating

圖5 不同進(jìn)給速率所得涂層上部的截面形貌Figure 5 Cross-sectional morphologies of upper parts of the coating clad at different feed rates

圖6 不同進(jìn)給速率所得涂層結(jié)合區(qū)的截面形貌Figure 6 Cross-sectional morphologies of junction parts of the coating clad at different feed rates

涂層的顯微硬度與進(jìn)給速率正相關(guān)。增幅在激光功率800 W 時(shí)最大，在其余兩組試驗(yàn)中較小。從圖6可見(jiàn)，進(jìn)給速率為3.5 mm/s 時(shí)，涂層截面存在大量尺寸較大、形狀不規(guī)則的氣孔；進(jìn)給速率為4.0 mm/s 時(shí)，在激光的起束和收束兩側(cè)出現(xiàn)氣孔；進(jìn)給速率為4.5 mm/s 時(shí)所得涂層內(nèi)部均勻致密，僅有少量帶狀淺孔。適當(dāng)提高進(jìn)給速率在宏觀上減少了缺陷的形成，且令晶粒尺寸減小，排布均勻。宏觀和微觀的組織改善是涂層顯微硬度提高的原因。

涂層的平均腐蝕速率隨著進(jìn)給速率的增加而逐步下降，極小值均出現(xiàn)在4.5 mm/s 的條件下。這與不同進(jìn)給速率下涂層顯微硬度的變化規(guī)律相似。

2. 3 搭接率對(duì)涂層形貌和性能的影響

搭接率影響著搭接區(qū)形貌，包括熔覆層的平整度。若搭接率過(guò)低，在熔覆層中會(huì)出現(xiàn)凹陷區(qū)，過(guò)高則會(huì)令不同熔覆帶之間高度差距變大。另外，搭接處的重復(fù)加熱會(huì)影響組織的形成和生長(zhǎng)[15]。由表4 可知，涂層的表面平整度標(biāo)準(zhǔn)差隨著搭接率上升逐漸減小。這一變化幅度在激光功率和進(jìn)給速度相同的實(shí)驗(yàn)組中基本保持一致。從圖7 可見(jiàn)，搭接率為25%時(shí)，涂層表面能觀察到較明顯且不規(guī)則的起伏；搭接率為30%時(shí)涂層表面有零星的輕微隆起；搭接率為35%時(shí)，涂層表面基本保持均勻平整。可見(jiàn)增大搭接率能使涂層成型時(shí)成分均勻致密，表面更加平整，不易出現(xiàn)浮渣、孔隙等缺陷，改善了涂層的宏觀形貌。

表4 搭接率對(duì)涂層性能的影響Table 4 Effect of lap rate on properties of coating

隨著搭接率增大，涂層的顯微硬度提升。從圖8 可見(jiàn)，搭接率為25%時(shí)，涂層與基材結(jié)合區(qū)域存在很多大且不規(guī)則的孔洞；搭接率為30%時(shí)有少量裂隙沿結(jié)合區(qū)分布；搭接率為35%時(shí)僅有個(gè)別不明顯的小體積孔隙。搭接率的提高減少了涂層缺陷，涂層的質(zhì)量得到改善，顯微硬度增大。

涂層的平均腐蝕速率隨著搭接率上升而逐步下降，且具備最佳耐蝕性的均為搭接率35%的試樣。

圖7 不同搭接率下所得涂層上部的截面形貌Figure 7 Cross-sectional morphologies of upper parts of the coatings clad at different lap rates

圖8 不同搭接率下所得涂層結(jié)合區(qū)的截面形貌Figure 8 Cross-sectional morphologies of junction parts of the coatings clad at different lap rates

2. 4 工藝優(yōu)化

為對(duì)涂層質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)分，需要給定表面形貌、力學(xué)性能和耐蝕性這3 個(gè)方面的權(quán)重。涂層的表面形貌影響打磨拋光等后處理的流程和時(shí)間，以及材料的損耗量，平整度標(biāo)準(zhǔn)差越小，涂層的平整情況越好，表面形貌的得分越高，但這一指標(biāo)對(duì)涂層的力學(xué)和耐腐蝕性能影響不大。顯微硬度作為涂層力學(xué)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，顯微硬度越高，涂層的力學(xué)性能越好。平均腐蝕速率越低，則涂層的耐蝕性越好。涂層的力學(xué)性能和耐蝕性的重要性相當(dāng)，因此它們的權(quán)重均設(shè)為0.4，平整度標(biāo)準(zhǔn)差的權(quán)重為0.2。

首先按實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，然后計(jì)算各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的極差RI，其表達(dá)式如式(2)所示：

式中，I可取A、B和C，A為平整度標(biāo)準(zhǔn)差，B為顯微硬度，C為平均腐蝕速率。按式(3)至(5)分別求出各指標(biāo)的單項(xiàng)得分。

式中，Xi、Yi、Zi分別為平整度標(biāo)準(zhǔn)差、顯微硬度和平均腐蝕速率的單項(xiàng)得分。最后利用各指標(biāo)的權(quán)重按式(6)求出各實(shí)驗(yàn)組的綜合評(píng)分Wi。

通過(guò)試驗(yàn)獲得各試驗(yàn)組的指標(biāo)參數(shù)以及綜合得分列于表5。

最后計(jì)算獲得各因素、各水平綜合評(píng)分之和，結(jié)果如圖9 所示。最優(yōu)實(shí)驗(yàn)組為A2B3C3，即激光功率1 000 W，進(jìn)給速率4.5 mm/s，搭接率35%。該優(yōu)化工藝下涂層的平整度標(biāo)準(zhǔn)差為0.036 mm，顯微硬度為308.98 HV，平均腐蝕速率為0.017 8 g/(m2·h)。

3 結(jié)論

在試驗(yàn)范圍內(nèi)，涂層的平整度隨著激光功率、進(jìn)給速率和搭接率的提升不斷改善。涂層的顯微硬度和耐蝕性的變化規(guī)律趨勢(shì)相同，與工藝參數(shù)對(duì)顯微組織的影響相關(guān)。所得最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：激光功率1 000 W，進(jìn)給速率4.5 mm/s，搭接率35%。

表5 不同試驗(yàn)方案的評(píng)分匯總Table 5 Summary of evaluation for different test schemes

圖9 各因素、各水平的綜合評(píng)分Figure 9 Comprehensive evaluation for each factor at each level