激光重熔镍基合金热喷焊层的组织结构及高温氧化性能.docx

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1、激光重熔银基合金热喷焊层的组织结构及高温氧化性能由于严重的表面氧化，在高温下工作的零件的使用性能和服务年限等需要显著缩短。特别 是冶金、化工、能源等领域，每年因高温氧化所造成的损失相当严重，因此了解和掌握材 料高温氧化的规律，尽量减少或抑制高温氧化反应的产生，延长工件的使用寿命，对于减 少企业损失提高经济效益具有重要意义表面改性技术是提高材料表面力学性能及抗高温氧化性能最经济有效的手段，其中热喷焊 技术因工艺简单、适应性强等优点，在表面改性技术领域有着广泛的应用本文以保基合金热喷焊层为研究对象，对其进行适当的激光重熔处理，分析经激光重熔的 银基合金热喷焊层的组织变化，并测定其抗高温氧化性能，为

2、采用热喷焊锲基合金与激光 重熔复合的改性技术制备双金属工件提供试验和理论依据。11.1 现代物流试验用基体材料为马钢生产的Q345钢板，试板尺寸为200 mmX30 mmX8 mm。喷焊材料选 用上海斯米克公司生产的牌号为F102的银基自熔性合金粉末，粒度W150目，化学成分列 于表lo1.2 试验过程与结果将基材表面打磨除锈并清理干净，采用QH- 4/h型氧乙快火焰喷焊枪将Ni基合金粉末喷 焊到基材上，获得厚度为23 mm的热喷焊层。用中性火焰喷焊时氧气压力为4. 3 MPa, 乙烘压力为0. 09 MPa;采用TJ-HL-T5000型横流C02激光器对热喷焊层表面进行多道激光 重熔处理，采

3、用Ar气作保护气体，激光重熔工艺参数见表2。为防止重熔喷焊层表面产生 微裂纹，重熔前将试板在电阻炉中于250 c预热2 h,经重熔后再次在250 保温2 h去 应力退火。将银基合金热喷焊层和重熔喷焊层试板制备的金相试样用ZEISS Axiovert- 40型光学显 微镜对其进行组织观察和拍照;用JEOL JSM-6490LV型扫描电镜对其表面组织形貌进行高 倍观察分析，并对高温氧化试验后的热喷焊层表面的氧化膜形貌进行观察;用Bruker-08A 型X射线衍射仪对其组织结构进行物相分析。将馍基合金热喷焊层和重熔喷焊层从基体上线切割下来，并制成尺寸为10 mmXIO mmXl.5 mm的试样进行高

4、温氧化试验。高温氧化试验在SXR-5-12型箱式电阻炉中进行， 以空气作为加热气氛。试验温度分别为600 和800 总氧化时间120 h,试验过程中 每隔24 h采用感量为0.1 mg的FA-200 4N型电子天平称量一次质量。通过非线性曲线拟 合，求得不同试验温度下热喷焊层的氧化动力学曲线。22. 1喷焊层表面形貌图1为银基合金热喷焊层表面的显微组织形貌。由图1 (a)可以看出，喷焊层组织比较粗 大且不均匀，还有疏松、气孔、夹杂等缺陷，这些缺陷的存在将严重恶化热喷焊层的使用 性能。分析认为，热喷焊的热源是氧乙块中性火焰，其能量密度较低，喷焊过程中加热的 区域较大且加热时间较长，使液态合金粉末

5、喷焊层冷却速度减缓，最终导致喷焊层组织也 较粗大。另外，火焰喷焊是纯手工操作，不能精确控制工艺参数，喷熔过程中有时无法保 证喷焊层中高熔点合金粉末完全重熔，从而造成组织疏松和不均匀；其次，操作时由于保 护不当，即使在喷熔过程中喷焊层完全重熔，但如果由于喷焊层内的气体、夹杂等来不及 上浮到表面溢出，将会在喷焊层的上部形成一定数量的气孔、夹杂等缺陷，这将对使用性 能产生不利影响。由图1 (b)银基合金热喷焊层的扫描电镜组织形貌可以发现，馍基合金 热喷焊层基体中存在少量未完全重熔的喷焊粉末颗粒和在喷焊过程中形成的细粒状和块状 的碳化物、硼化物等硬质相，在完全重熔形成的固溶体边缘还存在少量的层片状共晶

6、组织。图2为银基合金热喷焊层表面X射线衍射物相分析图谱。物相分析结果表明，银基合金热 喷焊层组织主要由Y- (Fe, Ni)固溶体和Cr 7c3和Cr 23c6碳化物以及CrB、Cr2B、 Ni3B等硼化物组成。其中丫- (Fe, Ni)固溶体的衍射峰最高，是喷焊层的基体相，同时 由于火焰喷焊过程中加热和冷却速度较缓慢，使得形成的喷焊层在凝固过程中形成了一定 数量的Cr7c3和Cr23c6等碳化物相以及CrB、Cr2B、Ni3B等硼化物相，这是喷焊层的强 化相。2.2 x-射线衍射图谱图3为经激光重熔的银基合金热喷焊层的表面(a) 0M; (b) SEM显微组织。由图3 (a) 可以看出，热喷

7、焊层经激光重熔处理后表面组织得到明显的细化，不但比较均匀、致密， 而且气孔、夹杂等缺陷基本被消除。由图3 (b)重熔喷焊层的扫描电镜组织形貌可以看出, 热喷焊层经激光重熔处理后，组织主要由细小树枝晶丫- (Fe, Ni)固溶体及枝晶间均匀 分布的层片状共晶组织组成，基体中还有一些呈暗黑色小块状碳、硼化物图4为银基合金重熔喷焊层表面的X射线衍射图谱，与图2未经激光重熔的喷焊层的X射 线衍射图谱相比可知，经激光重熔处理的银基合金热喷焊层的相组成并未发生明显变化， 仍然主要为Y- (Fe, Ni)固溶体和Cr7c3、Cr23c6、Cr2B、CrB、Ni3B等强化相。但经激 光重熔处理后，喷焊层基体相

8、丫- (Fe, Ni)固溶体的衍射峰强度有所升高，而Cr7c3、 N13B等强化相的衍射峰强度有所降低。产生这种现象的主要原因是高能量密度激光使原来 较粗大的丫- (Fe, Ni)固溶体以及喷熔过程中残留的少量未完全重熔的喷焊粉末重新被细化和熔化，加之大量分布不均匀的强化相又重新被高温加热分解而溶入基体中，从而导 致固溶体过饱和度急剧增大，再经快速冷却使得碳化物和硼化物的生成量有所减少。2.3 试验结果及分析图5是重熔与未重熔的模基合金热喷焊层在600。和800 的氧化动力学曲线。非线性 曲线拟合结果表明，二者在600 c的氧化动力学曲线均符合对数规律，而在800 。的氧 化动力学曲线均符合抛

9、物线规律，这进一步说明银基合金喷焊层在两种温度下的氧化机制 是不同的。分析认为，在600 氧化试验时，由于氧化温度较低，生成的氧化膜很薄，氧 化膜内外存在很大的压应力差，导致膜中的晶格空位向内部运动，从而阻止了氧离子进一 步向基体内部扩散，使氧化膜的外层致密化，因此600 形成的氧化膜生长速度较慢，氧 化动力学曲线呈对数规律变化图6为银基合金热喷焊层和重熔喷焊层经800 CX 120 h氧化试验后的表面氧化膜形貌， 可以发现，两者表面氧化膜的形貌和分布有较大的差异。经800 氧化120 h后，热喷焊 层表面氧化膜呈颗粒状，很不均匀且比较疏松，局部区域还由于生成氧化膜产生的应力过 大，导致膜表面

10、出现了裂纹及剥落。这主要与喷焊层表面成分和组织不均匀，同时表面存 在少量气孔、空隙等缺陷有关。而重熔喷焊层经相同温度和时间高温氧化试验后，由于重 熔喷焊层的组织比较均匀、细小、致密，经高温氧化后表面形成的氧化膜相互连接形成连 续的块状，并且氧化膜比较均匀、致密，由氧化膜产生所引起的应力分布也比较均匀，表 面无明显的裂纹及剥落，能有效阻碍氧离子进一步向基体内部扩散，从而使重熔喷焊层的 抗高温氧化性能得到很大的提高。试验结果充分说明，银基合金喷焊层经激光重熔处理后, 组织的明显改善是其高温抗氧化性能得到提高的主要原因图7为银基合金热喷焊层和重熔喷焊层表面氧化膜微区能谱分析结果。由图可知，喷焊层 经

11、800 X 120 h氧化试验后，经能谱测定，1点和3点氧化膜的Cr和。元素含量很高， 主要是Cr的氧化物0203;而2点和4点氧化膜则Si和0元素的含量较高，主要是Si的 氧化物Si02。这说明模基合金热喷焊层和重熔喷焊层表面氧化膜的类型基本相似，但是经 激光重熔前后，由于组织形态明显不同，使得两种喷焊层表面氧化膜也呈现出不同的形貌。 由能谱分析结果还可以看出，重熔喷焊层所形成的氧化膜中Cr元素和Si元素的含量较高。 其主要原因是，热喷焊层经激光重熔处理后，一方面由于基体中Cr元素和Si元素的固溶 量有所提高，另一方面是由于基体的组织细化使得形成致密氧化膜的合金元素Cr和Si的 分布更加均匀

12、，两者的综合作用导致银基合金热喷焊层经激光重熔后抗高温氧化性能得到 了较大幅度的提高。3锲基合金热喷焊层的组织形态(1)银基合金热喷焊层经激光重熔处理后组织更均匀、细小，气孔、夹杂等缺陷被基本 消除，重熔喷焊层组织主要由细小的树枝晶以及枝晶间均匀分布的层片状共晶和一些强化 相组成。(2)银基合金热喷焊层经激光重熔前后其相组成未发生明显变化，均由丫- (Fe, Ni)固 溶体和Cr7c3、Cr23c6、Cr2B CrB、Ni3B等强化相组成，但其组织形态发生了很大的变 化。(3)银基合金热喷焊层经激光重熔前后的氧化动力学曲线，在600 时均符合对数规律, 而在800 时均符合抛物线规律;经激光重熔处理后喷焊层的高温抗氧化性能明显提高。