铜合金表面激光熔覆耐磨耐蚀涂层研究

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本文选用激光熔覆技术,分别选择Co基、Ni基和Fe基合金以及Ta C和Ti C增强相作为熔覆材料,通过预置粉末的方法在铜合金表面制备金属陶瓷复合涂层。并采用扫描电子显微镜(SEM)及其配套的能谱分析仪(EDS),X射线衍射仪(XRD)分析涂层的微观形貌、显微组织结构和涂层的物相组成。利用显微硬度仪,干滑动摩擦磨损机和电化学腐蚀工作站测试了涂层的显微硬度,耐磨性和耐腐蚀性,并分析了涂层的摩擦学机理和耐蚀性原理。分别在Cu-0.9Cr-0.26Zr铜合金表面激光熔覆Co基、Ni基、Fe基和高钼Co基四种纯金属合金粉末。研究结果表明:在优化工艺参数情况下,Co基和Ni基合金熔覆层成形质量良好,其搭接面平整光滑,无裂纹气孔等明显缺陷;Fe基和高钼Co基熔覆层表面成形质量较差,搭接表面存在裂纹,并在其结合区附近具有较多气孔。Co基和高钼Co基合金涂层主要由树枝状聚集成的柱状晶形式存在,而在涂层底部主要由细小的网状结构构成;Ni基涂层主要由鱼鳞状物相组成,在结合区逐渐转变为细小的胞状晶;Fe基合金涂层主要由均匀的网状组织构成,且组织沿涂层截面纵深方向逐渐变细。四种合金涂层的硬度分别为645.5HV,469.8HV,315.3HV和1101.8HV,较基体(125.1HV)硬度明显提高。涂层的摩擦系数与基体相近,主要在0.32到0.35之间波动,但磨损量较基体出现了不同程度的降低。涂层的耐蚀性较基体均出现了不同程度的提升,其中Co基合金(Stellite X-40、Tribaloy400)显示了最佳的耐蚀性,这主要是由于Co基合金表面容易形成致密的氧化膜阻止腐蚀的进行。为进一步提高涂层的耐磨耐蚀性,在Co基合金中加入不同质量分数的Ta C/Ti C增强相。当未添加Ti C时,涂层主要以γ-Co、Ta C、Co3Ta和Cr3C2等物相组成,并且Ta C增强相以颗粒形式在涂层中均匀分布,熔覆层上部组织主要为典型的等胞晶组成,呈无定向生长,中下部则为树枝状聚集成的柱状晶存在,晶粒靠近结合区部分逐渐细化。当Ta C含量为20%时,熔覆层的显微硬度为771.7HV,约为基体的6.2倍,摩擦系数为0.303,耐磨性较基体明显提高,这主要是由于激光熔覆快速加热和冷却的特点可以起到细化晶粒的作用,并且Co原子容易与Ta原子结合生成Co3Ta金属间化合物,Ta C增强相和Co3Ta金属间化合物在涂层中均匀分布有效地提高了涂层的硬度和耐磨性。并且涂层的耐腐蚀性显著提高,这是因为涂层在氧化过程中生成了Ta2O5氧化物,Ta2O5对Cl离子具有较高的抵抗能力,不易被溶液中的Cl离子置换所致。随着Ti C增强相的添加,熔覆层中出现了新的均匀分布的圆形颗粒聚集成的树枝状物相,其主要为Ti C增强相和Co3Ti金属间化合物。熔覆层硬度和耐腐蚀性随着Ti C含量的增加而提高,当Ti C含量为15%时,涂层的硬度为898.4HV,约为基体的7.2倍,并且耐腐蚀性最佳,但其耐磨性较Ti C为10%时较低。这是由于陶瓷相含量过高影响熔池冶金结合性能,导致增强相容易脱落,耐磨性降低。当Ti C含量为10%时,涂层的耐磨性最佳,并且显示了良好的耐蚀性。
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