摘要：研究了送粉激光熔覆添加Ce的可能性和對(duì)組織、性能的影響。結(jié)果表明，Ce可以細(xì)化組織，提高熔覆層的顯微硬度和耐磨性。 關(guān)鍵詞：稀土元素；顯微組織；顯微硬度；耐磨性 1前言 激光熔覆技術(shù)作為新興的表面技術(shù)，具有熱變形? ⑾∈吐士煽亍⒆櫓浮⒖紫堵市 ⒔緱嫖苯鸞岷蝦凸桃資迪腫遠(yuǎn)刂頻扔諾悖昀吹玫窖桿俚姆⒄筟1～3]。利用這一高新技術(shù)，可在低成本基材上得到優(yōu)異的耐磨、耐蝕、高溫以及光、電、磁等性能；也可以對(duì)零部件表面進(jìn)行局部修復(fù)，具有廣闊的發(fā)展前景，越來越引起人們的關(guān)注。 稀土元素在金屬材料中的研究和應(yīng)用已有80多年的歷史。稀土在金屬材料中具有凈化、變質(zhì)和合金化的作用，可以不同程度改善金屬材料的一系列性能，如冶金、鑄造、熱加工性能，力學(xué)性能(韌性、低溫脆性)，表面性能，耐磨、耐蝕、抗氧化性能，焊接和高溫性能等，被譽(yù)為“鋼中的青霉素”。近20多年來，美、日、西歐等國把稀土研究開發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向高新技術(shù)應(yīng)用的新材料。現(xiàn)在國際上把稀土譽(yù)為新技術(shù)革命中的戰(zhàn)略元素，高技術(shù)的生長(zhǎng)點(diǎn)，新材料的寶庫[4]。稀土Ce在鋼中和化學(xué)熱處理、火焰噴涂、擴(kuò)散熱處理、電鍍等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，但在激光表面改性技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用得較少，雖有過報(bào)道[5]，但都停留在激光預(yù)置熔覆法和采用柱狀光源的階段，而且稀土元素的加入方式，主要以氧化物的形式，在寬帶送粉激光熔覆方面尤其稀土以單質(zhì)的形式加入，還未見報(bào)道。本文研究稀土送粉激光熔覆對(duì)組織和性能的影響。 2試驗(yàn)材料和方法 2.1試驗(yàn)材料 基底材料、熔覆材料分別為球墨鑄鐵(QT-50)和鐵基305粉(Fe5Cr4B4Si30Ni＋25%WC)成分見表1。稀土Ce采用分析純粉末，添加量8%，基體材料為鑄態(tài)組織，表面經(jīng)過銑床加工。表1基體和熔覆材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))w(%) CMnCrNiBSiPSFe30553044余量QT-503．60．622．83＜0．1＜0．1余量2.2試驗(yàn)方法 激光熔覆采用中科院上海激光所研制的5kWCO2激光器和JKF-6型寬帶涂覆送粉器。熔覆工藝：激光實(shí)際輸出功率P＝3.5kW，光斑尺寸為25mm×2mm，光束相對(duì)基體的掃描速度V＝1.65mm/s，送粉速率F＝450mg/s，噴嘴尺寸20mm×2mm，噴嘴距離試樣表面40mm，采用側(cè)送粉的方式。 采用JXA-840型(配有OxFordISS300能譜系統(tǒng))的掃描電鏡和德國MM6型金相顯微鏡，X射線衍射儀對(duì)熔覆層橫斷面的成分、組織和相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，掃描電鏡和金相試樣沿熔覆層橫向截取，經(jīng)研磨拋光后用腐蝕液腐蝕；用LETTZ顯微硬度計(jì)對(duì)熔覆層橫斷面進(jìn)行硬度測(cè)量；磨損試驗(yàn)在SKODA快速磨損機(jī)上進(jìn)行，載荷砝碼15kg，轉(zhuǎn)速675r/min，總轉(zhuǎn)數(shù)3000r。 3試驗(yàn)結(jié)果和分析 3.1顯微組織和相結(jié)構(gòu) 圖1給出兩種材料的激光熔覆層沿橫截面的顯微組織變化結(jié)果。Fe5Cr4B4Si30Ni＋25%WC的熔化區(qū)由粗大的樹枝晶和分布在枝晶間的共晶體、分布于界面附近的塊狀WC硬質(zhì)相組成(圖1a)，并且枝晶的方向性并不明顯；而添加8%稀土Fe5Cr4B4Si30Ni＋25%WC粉末的熔覆層組織得到了明顯的細(xì)化(圖1b)，失去晶體生長(zhǎng)的方向性，枝晶間共晶組織數(shù)量明顯增多，未熔碳化物的數(shù)量減少且偏聚于界面附近。上述兩種組織具有的共同特征是層狀結(jié)構(gòu)明顯，未熔碳化物分布于界面附近，添加稀土元素的組織得到明顯的細(xì)化。形成上述組織特征的原因可歸納為：①激光照射形成的熔池，在由溫度梯度引起的表面張力作用下，形成強(qiáng)烈的對(duì)流；熔覆材料尤其未熔碳化物的沖擊作用加劇了對(duì)流攪拌作用，改變了熔池的熱量分布，從而改變了枝晶的生長(zhǎng)方向沿垂直于結(jié)合界面與散熱方向大致平行的相反方向生長(zhǎng)，具有定向凝固特征的生長(zhǎng)方式；②稀土Ce是表面活性物質(zhì)，可以降低表面張力，降低臨界晶核的形成功，提高了形核率，減少了二次枝晶間距；同時(shí)微量稀土元素吸附在晶核表面又阻礙晶粒長(zhǎng)大，有效地細(xì)化激光熔覆層組織，表現(xiàn)出較強(qiáng)的細(xì)晶強(qiáng)化效果；另外稀土Ce與C可形成亞穩(wěn)定的高熔點(diǎn)REC2型化合物、與Fe、Cr等元素形成高熔點(diǎn)的金屬化合物[6]，作為結(jié)晶核心，提高了形核率，細(xì)化了組織。 圖1激光熔覆層的顯微組織×100 Fig．1Microstructureofthecladdinglayers (a)Fe5Cr4B4Si30Ni＋25%WC (b)Fe5Cr4B4Si30Ni＋25%WC＋8%CeXRD相結(jié)構(gòu)測(cè)定結(jié)果表明：Fe5Cr4B4Si30Ni＋25%WC＋8%Ce復(fù)合合金激光熔覆層的相結(jié)構(gòu)主要由γ-FeNi基固溶體和固溶大量Cr、Si的WC型碳化物組成；經(jīng)EDX檢測(cè)出了稀土元素Ce的存在，其平均含量為0.10%，主要存在于枝晶間偏聚處或高熔點(diǎn)化合物中[7]；表2列出激光熔覆層橫斷面面掃描EDX成分檢測(cè)結(jié)果。本試驗(yàn)中沒有檢測(cè)出合金元素B的存在，這可能是由于燒損的緣故和作為自熔合金形成熔渣被排除熔池。圖2是面掃描的分析結(jié)果：熔覆合金層表面附近合金元素含量較高，而靠近基材的結(jié)合區(qū)附近，由于熔化基材的稀釋作用使Ni、Cr和W等元素含量降低。同時(shí)，這說明：一方面，由于激光熔覆的快速加熱和快速凝固，使得液相停留的時(shí)間很短，合金元素不能達(dá)到均勻擴(kuò)散；另一方面，由于熔池中表面張力引起的對(duì)流不均勻攪拌作用和熱量分布的不均勻性，將使合金元素產(chǎn)生區(qū)域偏析。 圖2激光熔覆層橫斷面面掃描元素分布 Fig．2Elements distribution mapping of the laser cladding coating表2EDX成分測(cè)試結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))w(%) MaterialSi—KCr—KNi—KFe—KCe—LFe5Cr4B4Si30Ni＋8%Ce2．604．0118．1047．060．103.2激光熔覆層的顯微硬度分布 圖3示出了兩種激光熔覆層的顯微硬度分布，曲線中3個(gè)明顯的臺(tái)階分別對(duì)應(yīng)于合金熔覆層、熱影響區(qū)和基體。添加稀土元素的合金熔覆層顯微硬度略高于Fe5Cr4B4Si30Ni＋25%WC合金層。這說明在激光的快速加熱和快速凝固過程中，稀土元素起到了細(xì)化晶粒的作用，枝晶組織的細(xì)化和共晶組織數(shù)量的增多，碳化物微粒的彌散強(qiáng)化作用有助于顯微硬度的提高。 圖3熔覆層顯微硬度分布 Fig．3Microhardness distridution of the clad coating3.3磨損性能 圖4是不同合金熔覆層快速磨損試驗(yàn)結(jié)果的直方圖，添加稀土元素的合金熔覆層的耐磨性明顯高于未添加稀土元素，增幅大約在50%。由于稀土元素可以細(xì)化組織，組織的細(xì)化可以提高熔覆層的強(qiáng)度和硬度；另外，稀土元素的凈化作用，可以降低熔覆層中夾雜物、微觀裂紋的數(shù)量，這些都有利于降低合金熔覆層的摩擦系數(shù)，降低磨損量。 圖4激光熔覆層的磨損性能 Fig．4Wear volume of the clad coating4結(jié)論 (1)通過送粉激光熔覆，可以成功地在熔覆層中添加稀土元素，其平均含量為0.10%。 (2)稀土元素可以細(xì)化晶粒，凈化熔覆層組織，提高合金熔覆層的顯微硬度和耐磨性。 基金項(xiàng)目：吉林省工業(yè)發(fā)展基金資助(19980101-08) 作者簡(jiǎn)介：張慶茂(1966—)，男，講師，博士研究生。 作者單位：張慶茂(中國人民解放軍軍需大學(xué)農(nóng)副業(yè)生產(chǎn)系，吉林長(zhǎng)春130062) 劉喜明(吉林工學(xué)院材料工程系，長(zhǎng)春130012) 黃鳳曉(吉林工學(xué)院材料工程系，長(zhǎng)春130012) 關(guān)振中(中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所，長(zhǎng)春130012) 參考文獻(xiàn)： [1]李文，關(guān)振中．激光表面涂覆進(jìn)展[J]．材料導(dǎo)報(bào)，1997，11(5)：15～18． [2]關(guān)振中．全國激光涂層科學(xué)與技術(shù)研討會(huì)文集[C]，沈陽，1991：1． [3]梁 勇．全國激光涂層科學(xué)與技術(shù)研討會(huì)文集[C]，沈陽，1991：80． [4]杜 挺．稀土元素在金屬材料中的一些物理化學(xué)作用[J]．金屬學(xué)報(bào)，1997，33(1)：69～77． [5]WANG Kun-lin，ZHANG Qing-bo，WEI Xing-guo．Rare earth La2O3 modification of laser cladding coatings[J]．Journal of Materials Science，1998，33：3573～3577． [6]ZHONG Wei-zhen，HAN Qi-yong，HUO Cheng-zheng，LIU Xiu-kun．Content and microdistribution of spheroidizer in various phase of cast iron[J]．Metall．Trans，1987，18A(4)：499～507．