譚小波 ,周嘉利 ,李 云 ,章龍管 ,李開富 ,黃 斌 ,謝樹昌,程延海

(1.中鐵工程服務(wù)有限公司,成都 100142;2.中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,徐州 221116)

0 引言

盾構(gòu)機(jī)是一種用于地下隧道建設(shè)的專用工程機(jī)械,已廣泛應(yīng)用于城市地鐵、海底隧道、煤炭資源開采等領(lǐng)域[1-3];其關(guān)鍵部件刀圈在進(jìn)行硬巖層施工時(shí)難免磨損嚴(yán)重,一旦出現(xiàn)故障,維修困難,因此刀圈的結(jié)構(gòu)、硬度以及整體剛度是影響施工掘進(jìn)速度和成本的重要因素。利用激光熔覆表面改性技術(shù)對受損盾構(gòu)機(jī)部件進(jìn)行修復(fù)再制造,不僅能夠快速滿足市場需求,還能有效減少資源和能源浪費(fèi),具有重要的應(yīng)用意義[4-5]。

FeCrB合金因組織中的硼化物和碳化物產(chǎn)生了硬質(zhì)相強(qiáng)化效果而具有優(yōu)異的耐磨性能,已廣泛應(yīng)用于大型耐磨零部件的表面改性[6]。然而高硬度涂層脆性較大,對于殘余應(yīng)力的承受能力較低,具有較高的開裂敏感性,并且多層熔覆工藝的熱積累會(huì)持續(xù)增大涂層內(nèi)應(yīng)力,促使裂紋萌生和擴(kuò)展[7-10]。目前,研究人員通過激光熔覆多層復(fù)合涂層等工藝來緩解內(nèi)應(yīng)力,以提高耐磨性能。方志民等[6]研發(fā)了激光多層堆焊制備硬質(zhì)厚涂層的缺陷調(diào)控技術(shù),通過在涂層和基體間制備一層黏結(jié)層顯著降低了涂層和基體間的界面應(yīng)力,降低了涂層的開裂敏感性。趙慶宇等[7]采用激光熔覆技術(shù)沉積Ti-BN 增強(qiáng)鈷基復(fù)合涂層,硬質(zhì)相強(qiáng)化和晶粒細(xì)化的協(xié)同效應(yīng)有效提高了涂層的硬度和耐磨能力。XU 等[8]采用激光熔覆技術(shù)制備了硬度梯度多層WC增強(qiáng)鈷基復(fù)合涂層,發(fā)現(xiàn)該涂層的開裂敏感性遠(yuǎn)低于恒定硬度多層復(fù)合涂層,并且可通過合理設(shè)計(jì)多層熔覆層的硬度來改善其成形質(zhì)量。ZHOU 等[10]采用增設(shè)NiCoCrAlY合金黏結(jié)層的方法制備了無裂紋且硬度高達(dá)1 100 HV 的陶瓷金屬復(fù)合涂層。綜上所述,在高硬度耐磨涂層與基體之間設(shè)置高韌性黏結(jié)層能夠提高結(jié)合強(qiáng)度,減少界面應(yīng)力,阻止裂紋萌生和擴(kuò)展,使涂層具有外硬里韌的優(yōu)點(diǎn)。

NiCrB合金具有優(yōu)異的延展性以及適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和韌性,與FeCrB合金和H13鋼的熱膨脹系數(shù)匹配均較好,具備良好的化學(xué)相容性,作為黏結(jié)層材料可以實(shí)現(xiàn)FeCrB合金涂層與H13鋼基體之間良好的結(jié)合,提高涂層的耐久性和抗沖擊性能[11]。

目前,FeCrB合金硬質(zhì)涂層尚未應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)滾刀,主要原因是該類涂層極易開裂。為此,作者用激光熔覆的方法在FeCrB合金硬質(zhì)涂層和H13鋼基體之間增設(shè)了NiCrB合金黏結(jié)層,研究了涂層的顯微組織、硬度、摩擦磨損和抗沖擊性能,以期為盾構(gòu)機(jī)滾刀的性能提高和使用壽命延長提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

基體材料選用H13鋼,激光熔覆涂層所用原料包括耐磨層FeCrB合金粉末和黏結(jié)層NiCrB合金粉末,2種粉末的粒徑均為50～150 μm,純度大于99.98%。H13鋼、FeCrB 合金粉末和NiCrB 合金粉末的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of test materials

激光熔覆前,用砂紙打磨基體表面并用無水乙醇沖洗,使表面粗糙度Ra為0.43 μm。使用YLS-4000型光纖激光器制備FeCrB合金涂層(直接沉積,無黏結(jié)層)和FeCrB/NiCrB合金涂層(先熔覆NiCrB合金黏結(jié)層再熔覆FeCrB合金涂層)試樣。采用同步送粉法進(jìn)行激光熔覆,氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體,工藝參數(shù)通過預(yù)試驗(yàn)以成形質(zhì)量較優(yōu)且對基體熱影響較小為依據(jù)確定,具體如下:激光功率1.4 kW,掃描速度14 mm·s-1,送粉速率17.15 g·min-1,離焦量13 mm,光斑直徑3 mm,搭接率50%。NiCrB合金黏結(jié)層為單層熔覆,FeCrB合金涂層為7層熔覆,熔覆面積為100 mm×45 mm,熔覆層總厚度約為3.6 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

在激光熔覆層表面依次噴涂清洗劑、著色劑和顯影劑,對涂層表面進(jìn)行著色探傷,觀察裂紋等缺陷。用砂紙打磨涂層截面,再用植絨拋光布和粒徑為0.5 μm 金剛石拋光劑進(jìn)行拋光處理,然后置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的硝酸乙酸溶液中腐蝕15 s,隨后在王水中腐蝕3 s,最后用無水乙醇沖洗并吹干。

采用RX-50M 型光學(xué)顯微鏡觀察涂層截面顯微組織。采用MAIA3型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察涂層的微觀形貌。采用D8 ADVANCE 型X 射線衍射儀(XRD)分析涂層的物相組成,掃描范圍為20°～100°,掃描速率為10 (°)·min-1,步距為0.02°。采用HVS-1000型顯微硬度計(jì)測試涂層截面的硬度分布,載荷為0.98 N,保載時(shí)間為15 s,從表面向內(nèi)部每間隔0.2 mm 取點(diǎn)測試,同一深度測3個(gè)點(diǎn)取平均值。采用MLGS-225C型干濕橡膠輪磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn),載荷為300,600,900 N,橡膠輪轉(zhuǎn)速為360 r·min-1,磨損時(shí)間為2 h,磨料為顆粒尺寸0.6～1.2 mm 的石英砂,用量為150 g·min-1。使用精度為0.01 mg的電子天平稱取試樣質(zhì)量,計(jì)算涂層的磨損量(磨損前后的質(zhì)量差),并通過SEM 觀察磨損形貌。采用KRJB-300B型夏比沖擊試驗(yàn)機(jī)測試涂層和基體的抗沖擊性能,試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm,分別在涂層和基體試樣上開標(biāo)準(zhǔn)V型缺口,缺口深度為2 mm,試驗(yàn)溫度為室溫,并通過SEM 觀察沖擊斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 宏觀與微觀形貌

由圖1可見:直接熔覆于基體上的FeCrB合金涂層表面出現(xiàn)明顯的貫穿性裂紋,部分區(qū)域甚至已經(jīng)剝離翹起,但FeCrB/NiCrB合金涂層成形質(zhì)量較好,表面無明顯裂紋缺陷。在H13鋼上直接熔覆FeCrB合金涂層時(shí),由于FeCrB合金和H13鋼基體的熱膨脹系數(shù)差異較大,在激光熔覆過程中較大的溫度梯度下,熔覆層和基體之間的體積變化差異較大,導(dǎo)致界面處產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力,當(dāng)積累的應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度時(shí),就會(huì)產(chǎn)生裂紋[12]。NiCrB合金的熱膨脹系數(shù)介于FeCrB合金涂層和H13鋼基體之間,并且具有良好的延展性,可以有效減少內(nèi)應(yīng)力,阻止裂紋的萌生和擴(kuò)展[10,13],因此FeCrB/NiCrB合金涂層表面未出現(xiàn)裂紋。

圖1 表面著色探傷后不同涂層試樣表面的宏觀形貌Fig.1 Surface macromorphology of different coating specimens after surface tint inspection：（a）FeCrB alloy coating and（b）FeCrB/NiCrB alloy coating

直接熔覆于基體上的FeCrB合金涂層中的裂紋于熔合線處的柱狀晶之間萌生,向涂層內(nèi)部擴(kuò)展變寬,延伸至等軸晶處終止。這是因?yàn)橹鶢罹л^為粗大,沒有枝晶臂,結(jié)合力較弱,而等軸晶晶粒較細(xì)且排列緊密,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[14]。由圖2可見:NiCrB合金黏結(jié)層主要由等軸晶和樹枝晶構(gòu)成,這歸因于NiCrB合金良好的組織特性以及激光熔覆的高冷卻速率。細(xì)密的等軸晶填補(bǔ)了樹枝晶之間的空隙,使涂層更加致密,也減少了粗大樹枝晶之間相互耦合產(chǎn)生的應(yīng)力集中。因此,NiCrB合金黏結(jié)層具有優(yōu)異的韌性,能夠承受較大的殘余應(yīng)力,阻止裂紋的萌生與擴(kuò)展。

圖2 NiCrB合金黏結(jié)層的顯微組織Fig.2 Microstructure of NiCrB alloy bonding layer

由圖3可見:直接熔覆于基體上的FeCrB合金涂層各熔覆層間界面處晶粒尺寸較大,而在FeCrB/NiCrB合金涂層中FeCrB合金涂層和NiCrB合金黏結(jié)層界面處晶粒較細(xì)小且結(jié)合緊密。由于FeCrB合金和NiCrB合金成分不同,熔覆過程中元素相互擴(kuò)散,在二者界面處容易形成異質(zhì)晶核,有利于晶粒形核,形成細(xì)小緊密的晶粒結(jié)構(gòu);而在同成分的情況下,均相成核困難,成核點(diǎn)較少,會(huì)形成尺寸粗大的晶粒結(jié)構(gòu)。此外,FeCrB/NiCrB合金涂層中FeCrB合金涂層的晶粒形貌比NiCrB合金黏結(jié)層清晰,這是因?yàn)殒嚮辖鸬哪透g性優(yōu)于鐵基合金,在金相腐蝕過程中,鐵基合金涂層的晶間組織會(huì)受到更嚴(yán)重的腐蝕,導(dǎo)致晶界更容易暴露出來,晶粒形貌更為清晰。

圖3 涂層截面層間界面處的顯微組織Fig.3 Microstructure of interlayer interface in coating cross section：（a）FeCrB alloy coating and（b）FeCrB/NiCrB alloy coating

由圖4可見,在熔覆制備FeCrB/NiCrB合金涂層時(shí),結(jié)合區(qū)域被激光束重新加熱,產(chǎn)生更多細(xì)小的樹枝晶。樹枝晶具有各向異性,有助于阻礙晶界滑移,從而提高涂層的硬度[15]。涂層頂部受到強(qiáng)烈的激冷作用,產(chǎn)生大量晶核,形成各方向尺寸相差較小的細(xì)小等軸晶組織。晶粒細(xì)化可以增加晶界面積,阻礙位錯(cuò)滑移,從而提高涂層的強(qiáng)度。

2.2 顯微硬度

由圖5可見,FeCrB/NiCrB合金涂層中FeCrB合金涂層、NiCrB合金黏結(jié)層和基體的平均硬度分別為840,403,285 HV。7層FeCrB合金涂層的厚度約為3 mm,每層約為0.43 mm,NiCrB合金黏結(jié)層的厚度約為0.6 mm。由XRD測得,FeCrB合金涂層的物相組成為α-Fe、Fe2B 和Cr2C3。其中,Fe2B和Cr2C3硬度較高,不但能起到硬質(zhì)相強(qiáng)化作用,還對位錯(cuò)滑移有釘扎作用,因此FeCrB合金涂層的硬度很高。

圖5 FeCrB/NiCrB合金涂層截面的顯微硬度分布Fig.5 Microhardness distribution on FeCrB/NiCrB coating cross section

2.3 摩擦磨損性能

在300,600,900 N 載荷下,FeCrB/NiCrB合金涂層的摩擦因數(shù)分別為0.35,0.44,0.42,對應(yīng)的磨損量分別為5.29,248,300 mg。涂層的摩擦因數(shù)和磨損量均隨著載荷的增加而增大。這是因?yàn)檩d荷增大,形成的摩擦熱增加,使涂層出現(xiàn)了嚴(yán)重的軟化現(xiàn)象[16-17]。此外石英砂的主要成分是SiO2,其硬度遠(yuǎn)高于涂層,而由于橡膠輪具有一定彈性[18-19],在300 N 載荷下,石英砂只作用在涂層表面;在600,900 N載荷下,部分石英砂嵌入涂層,在橡膠輪的推動(dòng)下剪切涂層,造成極大的質(zhì)量損失,同時(shí)氧化磨損加劇,進(jìn)一步增大了磨損量[20-22]。

由圖6可見:當(dāng)載荷為300 N時(shí),FeCrB/NiCrB合金涂層磨痕表面較為粗糙,能觀察到硬質(zhì)相凸起和平行犁溝,其主要磨損機(jī)理為磨粒磨損,此外涂層表面還發(fā)生了氧化磨損,形成由Fe2O3、Fe3O4構(gòu)成的白色團(tuán)狀顆粒[17];當(dāng)載荷為600 N 時(shí),涂層表面出現(xiàn)了明顯的材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,可觀察到大塊犁皺和氧化物,表明發(fā)生了嚴(yán)重的黏著磨損和氧化磨損[23-24];當(dāng)載荷為900 N 時(shí),出現(xiàn)了大塊的氧化物,表明氧化磨損加劇[25]。

2.4 抗沖擊性能

FeCrB/NiCrB合金涂層試樣的平均沖擊吸收功為12 J,高于基體(3 J),這表明涂層具有優(yōu)異的抗沖擊性能。由圖7可以看出,FeCrB/NiCrB合金涂層的沖擊斷口存在著大量的撕裂棱和韌窩,斷面呈現(xiàn)晶粒形貌。由于涂層中樹枝晶和等軸晶的晶?；ハ嗲逗?阻礙了晶界滑移,增大了涂層受沖擊撕裂的阻力[26],使得晶內(nèi)強(qiáng)度大于晶界強(qiáng)度,因此涂層沿著晶界處最薄弱的部分開裂,表現(xiàn)為韌性斷裂。

圖7 FeCrB/NiCrB合金涂層沖擊斷口的微觀形貌Fig.7 Micromorphology of impact fracture of FeCrB/NiCrB alloy coating

3 結(jié)論

(1) 采用激光熔覆技術(shù)在H13鋼表面直接制備的FeCrB 合金涂層表面存在貫穿性裂紋,在FeCrB合金涂層與基體之間熔覆一層NiCrB合金黏結(jié)層后得到的FeCrB/NiCrB合金涂層中無明顯裂紋缺陷,成形質(zhì)量較好。

(2) 在FeCrB/NiCrB合金涂層中,NiCrB合金黏結(jié)層主要由等軸晶和樹枝晶組成,其與FeCrB合金涂層界面處的晶粒較細(xì)小且結(jié)合緊密。FeCrB合金涂層、NiCrB合金黏結(jié)層和基體的平均硬度分別為840,403,285 HV。

(3) 在300,600,900 N 載荷下,FeCrB/NiCrB合金涂層的摩擦因數(shù)分別為0.35,0.44,0.42,對應(yīng)的磨損量分別為5.29,248,300 mg。FeCrB/NiCrB合金涂層的平均沖擊吸收功為12 J,高于基體(3 J),斷裂機(jī)理為韌性斷裂。