Zr702表面激光熔覆Fe...Al涂层微观组织及性能研究_陈宁杰.pdf

精 密 成 形 工 程 第 15 卷 第 4 期 176 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 2023 年 4 月 收稿日期：20221031 Received：2022-10-31 基金项目：国家自然科学基金（U1810112）；山西省留学基金管理委员会科研项目（2021126）Fund：National Natural Science Foundation of China(U1810112);Research Project of Shanxi Scholarship Administration Committee(2021-126)作者简介：陈宁杰（1997），女，硕士生，主要研究方向为激光熔覆表面改性。Biography：CHEN Ning-jie(1997-),Female,Postgraduate,Research focus:surface modification by laser cladding.通讯作者：李玉新（1979），男，博士，教授，主要研究方向为激光表面改性与电子束表面改性。Corresponding author：LI Yu-xin(1979-),Male,Doctor,Professor,Research focus:laser surface modification and electron beam surface modification.引文格式：陈宁杰,李玉新,张静,等.Zr702 表面激光熔覆 FeCrAl 涂层微观组织及性能研究J.精密成形工程,2023,15(4):176-185.CHEN Ning-jie,LI Yu-xin,ZHANG Jing,et al.Microstructure and Properties of Laser Cladding FeCrAl Coating on Zr702 Sur-faceJ.Journal of Netshape Forming Engineering,2023,15(4):176-185.Zr702 表面激光熔覆 FeCrAl 涂层微观 组织及性能研究 陈宁杰，李玉新，张静，李日榜，田苗（中北大学 材料科学与工程学院，太原 030051）摘要：目的目的 优化激光熔覆工艺参数，制备综合性能良好的 FeCrAl 涂层，提高 Zr702 基体的表面性能。方法方法 通过同轴送粉方式，利用激光熔覆技术在 Zr702 表面制备了 FeCrAl 涂层，采用配备能谱仪（EDS）的扫描电镜（SEM）、X 射线衍射仪（XRD）、数字显微硬度计、高速往复摩擦试验机及马弗炉研究了不同激光功率（1 300、1 400、1 600、1 800 W）与扫描速度（7、8、9 mm/s）对 FeCrAl 涂层成型质量、显微硬度、耐磨性及抗高温空气氧化性能的影响。结果结果 从所制备涂层的宏观形貌及微观组织可以观察到，在激光功率为 1 600W、扫描速度为 9 mm/s 时，涂层成型质量最好。显微硬度测试结果表明，随着激光功率和扫描速度的增大，显微硬度呈减小趋势，但涂层显微硬度均高于 Zr702 基体，平均显微硬度约为基体的 2.703.78 倍。耐磨性能测试结果表明，涂层的磨损量小于 Zr702 基体，在激光功率为 1 600 W、扫描速度为 7 mm/s 时，磨损量最低。氧化结果表明，800 氧化时涂层未表现出良好的防护作用，但在 1 000 氧化时，涂层样品皆表现出优于 Zr702 基体的抗高温空气氧化性能。结论结论 通过调整工艺参数，采用激光熔覆技术在 Zr702 表面制备 FeCrAl 涂层可改善 Zr702 基体的显微硬度、耐磨性及 1 000 下的抗高温空气氧化性能。关键词：激光熔覆；FeCrAl；显微硬度；磨损性能；高温氧化；工艺参数 DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.04.019 中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)04-0176-10 Microstructure and Properties of Laser Cladding FeCrAl Coating on Zr702 Surface CHEN Ning-jie,LI Yu-xin,ZHANG Jing,LI Ri-bang,TIAN Miao (School of Materials Science and Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China)ABSTRACT:The work aims to optimize the laser cladding process parameters to prepare FeCrAl coatings with good compre-hensive properties and improve the surface properties of Zr702 substrate.A FeCrAl coating was prepared on the surface of 第 15 卷 第 4 期 陈宁杰，等：Zr702 表面激光熔覆 FeCrAl 涂层微观组织及性能研究 177 Zr702 by laser cladding with the coaxial powder feeding method.The effects of different laser power(1 300,1 400,1 600,1 800 W)and scanning speed(7,8,9 mm/s)on the formation quality,microhardness,wear resistance and high-temperature air oxida-tion resistance of the FeCrAl coating were studied by scanning electron microscope(SEM)equipped with energy dispersive spectroscopy(EDS),X-ray diffraction(XRD),digital microhardness tester,high-speed reciprocating friction testing machine and muffle furnace.From the macroscopic morphology and microstructure of the prepared coating,it could be observed that when the laser power was 1 600 W and the scanning speed was 9 mm/s,the formation quality of the coating was the best.The microhardness test results showed that the microhardness decreased with the increase of laser power and scanning speed,but the microhardness of the coating was higher than that of the Zr702 substrate,and the average microhardness was about 2.70-3.78 times of that of the substrate.The wear resistance test results showed that the wear amount of the coating was less than that of the Zr702 substrate,and the wear amount was the lowest when the laser power was 1 600 W and the scanning speed was 7 mm/s.The oxidation results showed that the coating did not exhibit a good protective effect when oxidized at 800,but the coating sample exhibited better high-temperature air oxidation resistance than the Zr702 substrate when oxidized at 1 000.By ad-justing the process parameters,the FeCrAl coating prepared on the surface of Zr702 by laser cladding technology can improve the microhardness,wear resistance,and high-temperature air oxidation resistance of the Zr702 substrate at 1 000.KEY WORDS:laser cladding;FeCrAl;microhardness;wear resistance;high-temperature oxidation;process parameters 随着不可再生能源的消耗及人们环境保护意识的增强，清洁能源愈发受到青睐，其中核能是目前应用较广泛的清洁能源之一，利用核能代替部分火力发电可有效缓解环境压力1。然而，事故条件下锆合金包壳暴露出的安全问题引起人们对增强包壳材料耐事故性能的强烈关注，提出的改善措施包括在原有锆合金表面制备涂层2-4。该方法是提高核反应堆安全性所需部署时间最短、保留原有设备使用率最高、风险性最小的措施，因此得到了广泛关注。FeCrAl 合金由于能够在高温蒸汽氧化过程中生成表层致密氧化物而对基体起到良好的防护作用，以及在正常运行和事故工况下具有优良的力学性能，其作为锆合金表面涂层材料之一已得到了大量研究5-7。Gigax 等8在 Zr4 合金表面喷涂了 FeCrAl 层用于提高 Zr4 燃料包壳的耐事故性，系统研究了 FeCrAl层与 Zr4 基体的扩散动力学和界面化合物的形成，弯曲试验表明，涂层与基体之间有良好的界面结合。Dabney 等9在锆合金基体上沉积了 2 种不同 Cr 和 Al含量的 FeCrAl 合金涂层，在 400 的蒸汽高压釜中进行了 72 h 加速测试，结果表明，与锆合金相比，2种涂层的抗氧化性都有显著改善，在 1 200 空气环境中的测试结果也表明这 2 种涂层具有良好的抗氧化性。核反应堆环境严苛复杂，为了得到满足事故条件下应用要求的包壳管表面涂层，需对涂层质量进行严格把控，而涂层质量依赖于涂层制备技术及工艺。目前，锆合金表面涂层的制备方法包括热喷涂、冷喷涂、物理气相沉积、熔覆等10-14。其中，激光熔覆技术受基材结构的限制小、操作方便、效率高，且制备涂层经机械加工后方才投入使用，可实现涂层厚度的调控，是一种先进的表面改性技术，逐渐走进学者们的关注视野。目前，已有许多研究者将激光熔覆技术应用于锆合金表面改性，例如，Xiao 等15通过在 R60702锆合金表面预先放置 TiAlTiCAl 粉末，利用激光熔覆技术原位合成了 ZrC/Ti2AlC 增强金属间化合物复合层。结果表明，所得涂层与基体具有良好的冶金结合，复合层中的 Ti2AlC 相在硬度和热膨胀系数方面提高了硬质 ZrC 颗粒与基体之间的物理性能，涂层的最大硬度（848.8HV）是锆合金基体的 5 倍；Liu 等16采用激光熔覆 NiCrBSi