Ce对送粉激光熔覆层组织和性能的影响

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摘　要：研究了送粉激光熔覆添加Ce的可能性和对组织、性能的影响。结果表明，Ce可以细化组织，提高熔覆层的显微硬度和耐磨性。
关键词：稀土元素；显微组织；显微硬度；耐磨性

1　前言

激光熔覆技术作为新兴的表面技术，具有热变形小、稀释率可控、组织极细、孔隙率小、界面为冶金结合和过程易实现自动化控制等优点，近年来得到迅速的发展[1～3]。利用这一高新技术，可在低成本基材上得到优异的耐磨、耐蚀、高温以及光、电、磁等性能；也可以对零部件表面进行局部修复，具有广阔的发展前景，越来越引起人们的关注。
稀土元素在金属材料中的研究和应用已有80多年的历史。稀土在金属材料中具有净化、变质和合金化的作用，可以不同程度改善金属材料的一系列性能，如冶金、铸造、热加工性能，力学性能(韧性、低温脆性)，表面性能，耐磨、耐蚀、抗氧化性能，焊接和高温性能等，被誉为“钢中的青霉素”。近20多年来，美、日、西欧等国把稀土研究开发重点转向高新技术应用的新材料。现在国际上把稀土誉为新技术革命中的战略元素，高技术的生长点，新材料的宝库[4]。稀土Ce在钢中和化学热处理、火焰喷涂、扩散热处理、电镀等领域获得了广泛的应用，但在激光表面改性技术领域应用得较少，虽有过报道[5]，但都停留在激光预置熔覆法和采用柱状光源的阶段，而且稀土元素的加入方式，主要以氧化物的形式，在宽带送粉激光熔覆方面尤其稀土以单质的形式加入，还未见报道。本文研究稀土送粉激光熔覆对组织和性能的影响。

2　试验材料和方法

2.1　试验材料

基底材料、熔覆材料分别为球墨铸铁(QT-50)和铁基305粉(Fe5Cr4B4Si30Ni＋25WC)成分见表1。稀土Ce采用分析纯粉末，添加量8，基体材料为铸态组织，表面经过铣床加工。表1　基体和熔覆材料的化学成分(质量分数)w()
　CMnCrNiBSiPSFe305　53044　余量QT-503．60．62　2．83＜0．1＜0．1余量2.2　试验方法

激光熔覆采用中科院上海激光所研制的5kW　CO2激光器和JKF-6型宽带涂覆送粉器。熔覆工艺：激光实际输出功率P＝3.5kW，光斑尺寸为25mm×2mm，光束相对基体的扫描速度V＝1.65mm/s，送粉速率F＝450mg/s，喷嘴尺寸20mm×2mm，喷嘴距离试样表面40mm，采用侧送粉的方式。

采用JXA-840型(配有OxFord　ISS300能谱系统)的扫描电镜和德国MM6型金相显微镜，X射线衍射仪对熔覆层横断面的成分、组织和相结构进行分析，扫描电镜和金相试样沿熔覆层横向截取，经研磨抛光后用腐蚀液腐蚀；用LETTZ显微硬度计对熔覆层横断面进行硬度测量；磨损试验在SKODA快速磨损机上进行，载荷砝码15kg，转速675r/min，总转数3000r。

3　试验结果和分析

3.1　显微组织和相结构

图1给出两种材料的激光熔覆层沿横截面的显微组织变化结果。Fe5Cr4B4Si30Ni＋25WC的熔化区由粗大的树枝晶和分布在枝晶间的共晶体、分布于界面附近的块状WC硬质相组成(图1a)，并且枝晶的方向性并不明显；而添加8稀土Fe5Cr4B4Si30Ni＋25WC粉末的熔覆层组织得到了明显的细化(图1b)，失去晶体生长的方向性，枝晶间共晶组织数量明显增多，未熔碳化物的数量减少且偏聚于界面附近。上述两种组织具有的共同特征是层状结构明显，未熔碳化物分布于界面附近，添加稀土元素的组织得到明显的细化。形成上述组织特征的原因可归纳为：①激光照射形成的熔池，在由温度梯度引起的表面张力作用下，形成强烈的对流；熔覆材料尤其未熔碳化物的冲击作用加剧了对流搅拌作用，改变了熔池的热量分布，从而改变了枝晶的生长方向沿垂直于结合界面与散热方向大致平行的相反方向生长，具有定向凝固特征的生长方式；②稀土Ce是表面活性物质，可以降低表面张力，降低临界晶核的形成功，提高了形核率，减少了二次枝晶间距；同时微量稀土元素吸附在晶核表面又阻碍晶粒长大，有效地细化激光熔覆层组织