姚國林，羅新宇，陳子然

（1. 河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 451450； 2. 鄭州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州 450001）

Q345鋼作為低合金鋼中的典型代表，由于具有中等強(qiáng)度、良好的塑性和焊接性能等，在壓力容器、船舶、橋梁和特種設(shè)備的機(jī)械零部件中有著廣泛應(yīng)用，在應(yīng)用于保障設(shè)備可靠運(yùn)行的關(guān)鍵部件時(shí)，Q345鋼部件往往需要進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，以提高其耐磨性、耐蝕性等［1］。常用的鋼制零部件的表面改性技術(shù)主要包括火焰噴涂、氣相沉積、堆焊和激光表面改性技術(shù)等［2］，其中，激光熔覆作為一種在基材表面添加熔覆粉末，利用高能密度激光束在設(shè)定掃描路徑下將粉末熔化，與基體產(chǎn)生冶金結(jié)合而形成熔覆層的新型表面改性技術(shù)，具有熔覆層稀釋率低、涂層與基體結(jié)合力強(qiáng)、工藝參數(shù)易于自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)［3］，可用于金屬零部件的表面修復(fù)以及表面性能改善等方面，且新的激光熔覆層可以在不影響原始基體材料性能的同時(shí)，提高表面耐磨性和耐蝕性等［4］。在激光熔覆過程中，由于熔池溫度高、冷卻速度快，熔覆層中成分偏析較為嚴(yán)重，且易于產(chǎn)生氣孔、微裂紋等缺陷［5］，通過在熔覆材料中加入稀土La、Ce、Y 等及其氧化物的方法，有助于降低裂紋敏感性、凈化熔池等［6］，是提高熔覆層成形質(zhì)量的有效手段。目前，表面激光熔覆方面的研究多集中在鎳基、鈷基熔覆層的制備工藝參數(shù)優(yōu)化，以及對熔覆層進(jìn)行后續(xù)熱處理、超聲滾壓和沖擊強(qiáng)化等方面［7-9］，以F60 合金粉作為熔覆材料在Q345 低合金鋼表面制備耐磨、耐蝕鐵基涂層的研究報(bào)道較少，同時(shí)加入稀土Y2O3粉末對鐵基熔覆層的改性效果也不清楚，這方面的研究將有助于含稀土的鐵基熔覆層的開發(fā)及在低合金鋼表面改性中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)用基體材料為Q345 低合金鋼（尺寸為150 mm×150 mm×10 mm），激光熔覆材料為采用氣霧法制備的Fe60 合金粉（平均粒徑98 μm）和稀土Y2O3粉末（平均粒徑98 μm）。采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測得基體和熔覆粉末的化學(xué)成分如表1所示。

表1 基材和熔覆粉末的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of base material and cladding powder wt.%

1.2 激光熔覆

為了對比Y2O3粉末對鐵基涂層的影響，激光熔覆制備了2 種涂層：無Y2O3涂層（Fe60）和添加Y2O3涂層（Fe60+1 wt.%Y2O3）。Fe60 +Y2O3復(fù)合粉末在行星式球磨機(jī)中均勻混粉，研磨球?yàn)棣? mm 氧化鋯球，球料比2∶1、轉(zhuǎn)速380 r/min，球磨時(shí)間設(shè)定為120 min；球磨混合均勻后轉(zhuǎn)入真空干燥箱中，進(jìn)行80 ℃保溫120 min的干燥處理，然后真空保存?zhèn)溆谩?/p>

在配備用連續(xù)激脈沖光器、同軸激光熔覆頭、送粉器、PLC 控制系統(tǒng)的激光熔覆平臺上，對Q345B低合金鋼板進(jìn)行表面激光熔覆［10］，送粉方式為同步送粉，采用PLC 控制前期優(yōu)化的激光熔覆工藝參數(shù)：激光功率1100 W，激光掃描速度350 mm/min，送粉速率5 g/min，光斑直徑3 mm，熔覆層搭接率45%，離焦量12 mm，保護(hù)氣高純氬氣的流量為8 L/min。

1.3 測試方法

采用德國D8 ADVANCE 型X 射線衍射儀對涂層物相進(jìn)行分析，銅靶Kɑ 輻射，電壓為20 kV、電流15 mA，掃描速度2 °/min；線切割金相試樣，磨拋后采用體積比1∶3硝酸：鹽酸溶液腐蝕，清水沖洗和吹干后，在Leica DM6 型光學(xué)顯微鏡和TESCAN Maia3 型掃描電子顯微鏡上觀察；采用Wilson 402MVD 型顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測試，載荷300 g，保持載荷時(shí)間15 s，取3 點(diǎn)平均值作為結(jié)果；采用MPX-2000A 型盤銷式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫摩擦磨損性能測試，對磨球?yàn)槿趸X陶瓷球，加載50 N，轉(zhuǎn)速300 r/min，磨損時(shí)間為0.5 h，記錄摩擦系數(shù)曲線，并計(jì)算磨損率［11］；采用普林斯頓VersaSTAT 4 型電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)性能測試，標(biāo)準(zhǔn)三電極體系（被測試樣為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，Pt 為輔助電極），腐蝕介質(zhì)為3.5% NaCl 溶液，溫度為室溫，測試基體和涂層的極化曲線。

2 結(jié)果與分析

圖1為Q345B 鋼表面涂層的X 射線衍射圖譜。對于無Y2O3涂層，主要物相為ɑ-（Fe，Cr）、ɑ-Fe、（Fe，Cr）7C3、γ-（Fe，Cr）和CrFeB 相；對于添加Y2O3的涂層，除含有無Y2O3涂層的物相外，復(fù)合涂層中還出現(xiàn)了Y2O3衍射峰。此外，相較而言，添加Y2O3涂層的衍射峰相對無Y2O3涂層有少量向右偏移特征，衍射峰半寬高有所增大，根據(jù)謝樂公式［12］：

圖1 Q345B鋼表面涂層的XRD圖譜Fig.1 XRD spectrum of Q345B steel surface coating

式中：D、k、λ、B和θ分別為晶粒尺寸、Scherrer 常數(shù)、波長、衍射峰半寬高和衍射角?？梢姡苌浞灏雽捀咴龃?，則涂層的晶粒越小，表明添加Y2O3涂層的晶粒尺寸相對無Y2O3涂層更加細(xì)小，這主要與Y2O3加入有助于提高激光熔覆涂層熔池的形核率，以及抑制凝固過程中的晶粒長大有關(guān)［13］。

圖2為Q345B 鋼表面無Y2O3涂層和添加Y2O3涂層的顯微組織，分別列出了涂層上部、中部和底部的顯微組織。對比涂層上部組織可知，無Y2O3涂層中存在少量等軸晶和枝晶，而添加Y2O3涂層中主要為細(xì)小等軸晶；對比涂層中部組織可知，無Y2O3涂層中可見網(wǎng)狀分布的粗大樹枝晶，而添加Y2O3涂層中可見少量樹枝晶和等軸晶；對比涂層底部組織可知，無Y2O3涂層和添加Y2O3涂層的底部都可見胞狀晶、柱狀晶，與基體相連的界面區(qū)域未見氣孔、微裂紋等缺陷存在，涂層與基體結(jié)合良好。相較而言，添加Y2O3涂層中等軸晶相對較多且更加細(xì)小，這主要是因?yàn)橐环矫嫦⊥罽元素自身具有良好的表面活性而有助于增強(qiáng)熔池潤濕性，降低固-液界面自由能的同時(shí)，促進(jìn)形核；另一方面，添加Y2O3后Y 易于在固液前沿的界面處富集，抑制柱狀晶生長的同時(shí)，會(huì)對晶粒產(chǎn)生拖拽作用而阻礙晶粒長大［14］。兩方面共同作用下，使得添加Y2O3涂層的晶粒得到細(xì)化。

圖2 Q345B鋼表面無Y2O3涂層和添加Y2O3涂層的顯微組織Fig.2 Microstructure of Q345B steel surface with Y2O3 free coating and Y2O3 added coating

圖3 為無Y2O3涂層和添加Y2O3涂層的顯微形貌。表2 為圖3 的局部區(qū)域能譜分析結(jié)果。相較于無Y2O3涂層，添加Y2O3涂層的層狀共晶和枝晶間距更加細(xì)密，這主要與Y2O3的加入有助于細(xì)化組織有關(guān)。枝晶間（區(qū)域A、區(qū)域C）和枝晶（區(qū)域B）位置都主要含有C、Si、Cr、Fe、Ni 和B 元素，而枝晶區(qū)域D位置除上述幾種元素外，還含有一定含量的Y元素。此外，對比分析可知，兩種涂層的枝晶區(qū)域的C、Cr、Ni和B 元素含量都高于枝晶間區(qū)域，且添加Y2O3涂層枝晶區(qū)域的Fe和B 元素含量低于無Y2O3涂層，這主要是因?yàn)橥繉又蠧、Cr 和Ni 等元素更易于在枝晶處富集，且添加Y2O3涂層的晶粒更加細(xì)小、晶界更多，促使（Fe，Cr）7C3和CrFeB 相更彌散地分布在熔池內(nèi)部［15］而降低了枝晶區(qū)域Fe和B元素含量。

圖3 無Y2O3涂層和添加Y2O3涂層的顯微形貌Fig.3 Micromorphology of Y2O3 free coating and Y2O3 added coating

表2 圖3的局部區(qū)域能譜分析結(jié)果Tab.2 Energy spectrum analysis results of local areas in Fig.3%

進(jìn)一步對涂層的晶粒尺寸和二次枝晶臂間距進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，圖4 為無Y2O3涂層和添加Y2O3涂層的晶粒尺寸直方圖，表3 為相應(yīng)的二次枝晶臂間距測量結(jié)果?？梢?，無Y2O3涂層的晶粒尺寸主要分布在8～11 μm，平均晶粒尺寸為9.56 μm；添加Y2O3涂層的晶粒尺寸主要分布在7～10 μm，平均晶粒尺寸為8.62 μm。對涂層中5 個(gè)區(qū)域進(jìn)行二次枝晶臂間距測量，無Y2O3涂層和添加Y2O3涂層的二次枝晶臂間距平均值分別為3.57 μm 和3.01 μm?？梢姡砑覻2O3涂層的晶粒尺寸和二次枝晶臂間距都小于無Y2O3涂層，這主要與Y2O3的加入有助于細(xì)化涂層組織有關(guān)［16］，測試結(jié)果與圖1 的XRD 圖譜和圖2 的顯微組織觀察結(jié)果相吻合。

圖4 涂層的晶粒尺寸直方圖Fig.4 Grain size histogram of coatings

表3 涂層的二次枝晶臂間距測量結(jié)果Tab.3 Measurement results of secondary dendrite arm spacing of coatings μm

圖5為無Y2O3涂層和添加Y2O3涂層的硬度分布曲線。從圖5 可見，自涂層表面至基體進(jìn)行硬度打點(diǎn)，硬度會(huì)隨著離表面距離增加而先基本保持不變（涂層），隨后快速下降（熱影響區(qū)HAZ），直至在基體區(qū)域保持穩(wěn)定的特征。在涂層中離表面相同位置處，添加Y2O3涂層的硬度都高于無Y2O3涂層，這主要是因?yàn)橐环矫妫琘2O3的加入有助于提高形核率，細(xì)化晶粒組織而起到細(xì)晶強(qiáng)化作用；另一方面，Y2O3自身也具有較高的硬度［17］，兩方面共同作用，涂層硬度會(huì)有所提高。

圖5 涂層的硬度分布曲線Fig.5 Hardness distribution curves of coatings

圖6為基體和涂層的摩擦系數(shù)曲線，平均摩擦系數(shù)和磨損率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4?；w和涂層的摩擦系數(shù)都會(huì)隨著滑動(dòng)時(shí)間延長而先快速增大，隨后趨于穩(wěn)定。無Y2O3涂層和添加Y2O3涂層的摩擦系數(shù)都小于Q345 鋼基體，且相同滑動(dòng)時(shí)間下，基體和涂層的摩擦系數(shù)從低至高順序?yàn)椋禾砑覻2O3涂層＜無Y2O3涂層＜基體。從平均摩擦系數(shù)和磨損率測試結(jié)果看，基體和涂層的平均摩擦系數(shù)從低至高順序?yàn)椋禾砑覻2O3涂層＜無Y2O3涂層＜基體，磨損率從低至高順序?yàn)椋禾砑覻2O3涂層＜無Y2O3涂層＜基體。由此可見，無Y2O3涂層和添加Y2O3涂層的耐磨性能都高于Q345 鋼基體，且添加Y2O3涂層的耐磨性高于無Y2O3涂層。這主要是因?yàn)橥繉又校‵e，Cr）7C3和CrFeB 等硬質(zhì)相的存在有助于提升涂層的耐磨性［18］，且添加Y2O3涂層的晶粒和二次枝晶臂間距相對無Y2O3涂層更加細(xì)小，耐磨性會(huì)相對較高。

圖6 基體和涂層的摩擦系數(shù)曲線Fig. 6 Friction coefficient curves of substrate and coating

表4 基體與涂層的平均摩擦系數(shù)和磨損率Tab.4 Average friction coefficient and wear rate of substrate and coating

圖7為基體和涂層的極化曲線，表5為極化曲線擬合結(jié)果。Q345 鋼基體的腐蝕電位和腐蝕電流密度分別為-0.621 V 和3.32×10-6A·cm-2；無Y2O3涂層和添加Y2O3涂層的腐蝕電位都相對Q345 鋼基體發(fā)生正向移動(dòng)，腐蝕電流密度相對基體減小。根據(jù)熱力學(xué)參數(shù)腐蝕電位、動(dòng)力學(xué)參數(shù)腐蝕電流密度與材料耐腐蝕性之間的對應(yīng)關(guān)系可知，腐蝕電位越正，則材料的腐蝕傾向越小；腐蝕電流密度越小，則腐蝕速率越低［19］。由此可見，無Y2O3涂層和添加Y2O3涂層的耐蝕性都優(yōu)于Q345 鋼基體，且添加Y2O3涂層的耐蝕性要高于無Y2O3涂層。這主要是因?yàn)橥繉又写嬖诘抹?（Fe，Cr）、γ-（Fe，Cr）固溶體，有助于在腐蝕過程中產(chǎn)生鈍化膜，對基體起到保護(hù)作用［20］，且添加Y2O3涂層的晶粒更加細(xì)小、晶界更多，（Fe，Cr）7C3和CrFeB 相更彌散地分布在熔池內(nèi)部，有助于促進(jìn)Cr元素?cái)U(kuò)散，并形成鈍化膜［21］而提高耐蝕性。

圖7 基體和涂層的極化曲線Fig.7 Polarization curves of substrate and coatings

表5 基體與涂層的極化曲線擬合結(jié)果Tab.5 Polarization curve fitting results of substrate and coatings

3 結(jié) 論

1）無Y2O3涂層和添加Y2O3涂層中都含有ɑ-（Fe，Cr）、ɑ-Fe、（Fe，Cr）7C3、γ-（Fe，Cr）和CrFeB相，且添加Y2O3涂層中還出現(xiàn)了Y2O3相。無Y2O3涂層和添加Y2O3涂層的底部都可見胞狀晶、柱狀晶，與基體相連的界面區(qū)域未見氣孔、微裂紋等缺陷存在，涂層與基體結(jié)合良好。

2）無Y2O3涂層的晶粒尺寸主要分布在8 ～11 μm，平均晶粒尺寸為9.56 μm，二次枝晶臂間距平均值為3.57 μm；添加Y2O3涂層的晶粒尺寸主要分布在7～10 μm，平均晶粒尺寸為8.62 μm，二次枝晶臂間距平均值為3.01 μm；添加Y2O3涂層的晶粒尺寸和二次枝晶臂間距都小于無Y2O3涂層。

3）在涂層中離表面相同位置處，添加Y2O3涂層的硬度都高于無Y2O3涂層；基體和涂層的平均摩擦系數(shù)和磨損率從低至高順序?yàn)椋禾砑覻2O3涂層＜無Y2O3涂層＜基體。無Y2O3涂層和添加Y2O3涂層的耐蝕性都優(yōu)于Q345 鋼基體，且添加Y2O3涂層的耐蝕性要高于無Y2O3涂層。