45钢表面激光熔覆CoCrNi中熵合金涂层组织与性能.pdf

第31卷第3期2023年6 月D0I:10.11951/j.issn.1005-0299.20220087材料科学与工艺MATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.31No.3Jun.202345钢表面激光熔覆覆CoCrNi中熵合金涂层组织与性能陈凯，崔承云,赵恺，姜高强（江苏大学机械工程学院，江苏镇江2 12 0 13）摘要：为探究CoCrNi中合金在激光熔覆领域中的应用，以CoCrNi合金粉末作为熔覆粉末，在45钢表面采用同轴送粉法制备合金涂层。利用扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度仪、摩擦磨损实验机和电化学工作站等设备研究了熔覆层微观组织、硬度、耐磨性和耐腐蚀性能。结果表明：熔覆层成形良好，组织均匀致密，组成相主要为FCC单相固溶体；熔池与基体交界处为平面晶，底部靠近中心为柱状晶，顶部分别为胞状晶和等轴晶，3种元素在熔覆层深度方向上的比例几乎相同；熔覆层平均硬度为2 50 HV，摩擦系数、磨损量较基体分别降低了11.7%和36.7%；自腐蚀电流密度略有降低CoCrNi熔覆层的钝化区域为-150 到110 0 mV,表明熔覆层显著提高45钢的耐腐蚀性能。关键词：激光熔覆；CoCrNi中炳合金；45钢；组织；性能中图分类号：TN174文献标志码：A文章编号：10 0 5-0 2 9 9(2 0 2 3)0 3-0 0 48-0 8Microstructure and properties of laser cladding CoCrNimedium-entropy alloy coating on 45 steelCHEN Kai,CUI Chengyun,ZHAO Kai,JIANG Gaoqiang(School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)Abstract:To explore the application of CoCrNi medium-entropy alloy in the field of laser cladding,weprepared alloy coating on the surface of 45 steel by coaxial powder feeding method with CoCrNi alloy powder ascladding powder.The microstructure,hardness,wear resistance,and corrosion resistance of the claddinglayer were investigated by scanning electron microscopy,X-ray diffraction,microhardness tester,friction andwear tester,and electrochemical workstation.Results show that the cladding layer was well formed,themicrostructure was uniform and dense,and the constituent phase was mainly FCC single-phase solid solution.The interface between the molten pool and the substrate was plane crystal,the bottom near the center wascolumnar crystal,and the top was cellular crystal and equiaxed crystal respectively.The proportions of thethree elements in the depth direction of the cladding layer were almost the same.The average hardness of thecladding layer was 250HV,and the friction coefficient and wear amount reduced by 11.7%and 36.7%respectively compared with the substrate.The self-etching current density decreased slightly,and thepassivation area of CoCrNi cladding layer was-150 to 1 100 mV,indicating that the cladding layersignificantly improves the corrosion resistance of 45 steel.Keywords:laser cladding;CoCrNi medium-entropy alloy;45 steel;microstructure;performance收稿日期：2 0 2 2-0 3-18.基金项目：国家自然科学基金资助项目（518 7 52 6 7，5150 519 8）；江苏大学工业中心大学生创新实践基金资助项目(ZXJG202103).作者简介：陈凯（19 9 8 一）,男，硕士研究生；崔承云（19 8 1一），女，教授，博士生导师.通信作者：崔承云，E-mail：c c y y y 9 8 12 0 6 16 3.c o m期刊网址：http:/ 0 2 2-0 7-12.45钢是一种中碳调质结构钢,因其价格低廉且具备良好的强度、冷热加工性能而被广泛应用于各种重要的结构零件。然而，当45钢长期服役在高载荷、潮湿的环境下，表面常常会受到严重的磨损和腐蚀,从而降低使用寿命。目前,为了提高环口材料的耐磨耐蚀性，研究人员大多采用热喷第3期涂1、堆焊2 、表面热处理3 等传统表面改性方法。但是，这些方法存在如结合强度低、热输人和热变形大等缺点。激光熔覆4 是一种以激光为热源，对合金粉末辐照使之与材料表面同时熔化，凝固后形成低稀释率熔覆层的表面改性技术，具有热影响小、工件变形小、结合强度高等优点。目前,高熵合金作为近年来发展起来的一种新型金属材料，引起了学术界和工业界的广泛关注5-6 。相较于高熵合金,在满足性能要求的前提下，中熵合金的成本更低，制备熔覆层的结构均匀性更好,因此激光熔覆中熵合金的研究具有重要的意义7-8 。陈玉洁等9 研究了双相纳米结构CrCoNi中合金变形行为的尺寸效应，发现该合金的屈服强度高达4CPa。W e n g 等10 采用激光辅助能量沉积工艺制备了CoCrNi中熵合金，发现极限拉伸强度为8 7 3.5MPa,屈服强度为6 2 0.5MPa，断裂生长率为44.8%。Moravcik等 采用等离子烧结法制备了CoCrNi中熵合金并对其力学性能进行了表征,发现与传统铸造方式相比,所生产的合金具有两相组织。CoCrNi作为典型的中熵合金之一,在与其相同结构的合金系列中具有最好的韧性与强度组合。虽然目前已有一些对CoCrNi中熵合金性能的报道,但是大多是对铸态或者一些传统制造方式生产的CoCrNi中熵合金的研究，针对激光熔覆制备的中熵合金涂层组织与性能还没有系统性研究。为了探究激光熔覆制备下的CoCrNi中熵合金涂层的微观组织和力学性能以及其在表面改性方面的具体表现，本实验利用优化后的激光参数在调质45钢表面激光熔覆CoCrNi中熵合金粉末,系统地研究了熔覆层的组织形貌及物相组成，并对熔覆层的硬度、耐磨性和耐腐蚀性能进行了系统地研究，为45钢表面改性和CoCrNi中熵合金在激光熔覆领域中的应用与推广提供理论参考和数据支持。1实验1.1实验材料实验的基材为调质45钢，尺寸为10 0 mm70mm10mm。熔覆使用的合金粉末为采用氩气雾化法制备的球形中熵合金CoCrNi,利用合金成分分析仪检测，CoCrNi纯度为9 9.9%。3种组成元素接近等原子比，粉末颗粒直径均介于1553m，霍尔流速为16.0 s/50g，松装密度为4.17g/cm,粉末流动性良好。合金粉末的具体化学成分如表1所示。陈凯，等：45钢表面激光熔覆CoCrNi中熵合金涂层组织与性能微观形貌及成分分析图1为熔覆层横截面宏观形貌SEM照片，由上到下分别为熔覆区（CZ）、基体融化区（MZ）、热:49表1合金粉末的化学成分（质量分数/%）Table 1 Chemical composition of alloy powder(wt.%)CoSi33.9732.381.2实验方法采用YLS-2000光纤激光器进行激光熔覆。在激光熔覆实验前,将基材表面用砂纸打磨,并用丙酮除去表面油污，最后用无水乙醇清洗，保证基材表面平整且具有一定粗糙度，以去除杂质对实验影响并减少激光反射的可能。采用同轴送粉法，使用氩气为保护气，激光扫描方式按照“S”型路径，即第一熔道的末端作为第二熔道的起点，往复循环。经预实验优化的激光工艺参数为：激光功率150 0 W，激光头扫描速度8 mm/s，保护气流量为15L/min，多道搭接率为50%。将熔覆层切割成尺寸为10 mm10mm5mm的块状试样，在金相磨抛机上依次采用2 40 2000目的砂纸打磨，磨样完毕后再抛光至表面无划痕,使用酒精清洗，吹干。SEM测试CoCrNi涂层采用王水(HCI:HNO，=3:1)腐蚀,腐蚀时间约为18 0 s,硬度测试样品不腐蚀。物相、摩擦磨损和耐腐蚀测试试样首先去除1/3厚度的熔覆层，然后以上述方法打磨抛光，不需要腐蚀。采用S-3400N型可变真空钨灯丝扫描电镜和光学显微镜观察熔覆层截面微观形貌并用能谱仪对熔覆层截面区域进行成分分析；采用D8ADVANCE型X射线衍射仪分析涂层物相组成，实验参数为：铜靶辐射，连续扫描，扫描速度为5（）/m i n,扫描范围为2 0 9 0，电压为40 V，电流为40 mA;采用型号为HXS-1000TAC的维氏硬度计测量涂层横截面纵向显微硬度分布，加载载荷50 0 g，保荷时间15秒，两测量点间距为250m;采用HT-1000高压摩擦磨损实验机测量基材与熔覆层的耐磨性能，实验参数为：实验载荷为5N,磨球直径为4mm,对磨材料为 GCrl15，硬度为6 0 HRC,测试时间为2 0 min，电机频率为10Hz,记录下各样本实验前后重量,摩擦系数由系统生成;采用ZahnerElektrik电化学工作站对处理后的涂层表面和基材表面进行耐腐蚀性测试,腐蚀介质是室温下3.5wt.%的NaCl水溶液。2结果与分析2.1往CrNiBal.（图文提供：郭盼,龙彦汐，李英等.重庆师范大学物理与电子工程学院）