激光熔覆礦井液壓支架用FeCrNiBSiC系合金組織性能的研究

胡曉蕾，李正秋，黃恩澤，杜開(kāi)平

（北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160）

0 引言

激光熔覆技術(shù)是一種利用高能量高密度的激光，將金屬表面的合金粉末進(jìn)行快速熔化，并通過(guò)快速冷卻凝固的方法在金屬基表面形成一層具有良好機(jī)械性能的熔覆層，進(jìn)而提高材料表面性能，是一種高效、綠色的材料表面改性方法[1-2]。煤礦液壓支架是綜合機(jī)械化礦井采煤工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)備價(jià)值占采煤設(shè)備總投資的60%以上。由于礦井下存在礦井水腐蝕、炮采磕碰等復(fù)雜環(huán)境，要求煤礦液壓支架表面具有耐腐蝕，硬度高的特點(diǎn)[3]。傳統(tǒng)煤礦液壓支架采用電鍍硬鉻的方法對(duì)液壓支架表面進(jìn)行防護(hù)，但鍍硬鉻層存在壽命低、制備方法環(huán)境污染嚴(yán)重的問(wèn)題，已經(jīng)被逐步淘汰。采用激光熔覆的方法在煤礦液壓支架表面制備防護(hù)層可有效提高液壓支架性能，但是目前在煤礦液壓支架上使用的激光熔覆粉末為常規(guī)Fe基激光粉末，其成分并沒(méi)有針對(duì)礦井環(huán)境做出相應(yīng)調(diào)整，存在抗腐蝕性差，容易開(kāi)裂的問(wèn)題。

本文針對(duì)煤礦液壓支架上熔覆常規(guī)Fe基激光粉末抗腐蝕性差，熔覆層易開(kāi)裂的問(wèn)題，對(duì)合金粉末成分進(jìn)行了調(diào)整，并制備了合金粉末，通過(guò)中性鹽霧腐蝕、SEM、EDS等對(duì)熔覆層性能進(jìn)行了測(cè)試分析，以期有效提高煤礦液壓支架表面熔覆層性能。

1 材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用基材為礦井液壓常用的27SiMn合金，基體成分如表1所示。熔覆用合金粉末為常規(guī)JG-3合金粉末及成分調(diào)整后的JG-3Y合金粉末，合金粉末成分如表2所示，形貌如圖1所示，圖中可見(jiàn)兩種合金粉末球形度均良好。

表1 27SiMn合金成分(wt%)Table1 27SiMn alloy composition(wt%)

表2 激光熔覆粉末成分Table2 Laser cladding powder composition

圖1 合金粉末表面形貌：(a)JG-3；(b)JG-3YFig.1 Alloy powder surface morphology: (a)JG-3, (b)JG-3Y

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)用激光器為6 KW光纖輸出半導(dǎo)體激光器，光斑大小為14 mm×2 mm，送粉器為大容量組合式重力送粉裝置。搭接率50%，熔覆層厚度均為1.5mm。

對(duì)熔覆后的試樣進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)：試驗(yàn)溫度為 (35±2)℃，鹽霧沉降率為 1.2mL/(80cm2·h)，時(shí)間為200h。

使用掃描電鏡對(duì)中性鹽霧腐蝕前后的熔覆層橫截面進(jìn)行測(cè)試分析，使用EDS對(duì)熔覆層的化學(xué)成分進(jìn)行分析測(cè)定，使用洛氏硬度計(jì)對(duì)硬度進(jìn)行檢測(cè)。使用掃描電鏡對(duì)腐蝕后的熔覆層形貌進(jìn)行測(cè)定并分析其腐蝕機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 熔覆層組織及結(jié)構(gòu)

兩種激光熔覆層顯微結(jié)構(gòu)如圖2所示，如圖2(c)及圖2(d)所示，可見(jiàn)熔覆層與基體形成了良好的冶金結(jié)合，其中熔覆層在基體附近形成了豎直向上生長(zhǎng)的粗大樹(shù)枝晶。圖2(a)及圖2(b）為熔覆層中上部組織，圖中可見(jiàn)此時(shí)熔覆層內(nèi)為晶粒尺寸較為細(xì)小，枝晶無(wú)明顯指向性。熔覆層不同部位組織結(jié)構(gòu)的改變與其冷卻速度有關(guān)。通過(guò)兩種不同成分的激光熔覆層對(duì)比可見(jiàn)，化學(xué)成分的改變未對(duì)熔覆層顯微組織產(chǎn)生明顯影響。

圖2 激光熔覆層典型顯微組織：(a)JG-3熔覆層中上部組織；(b)JG-3Y熔覆層中上部組織；(c)JG-3熔覆層熔合線附近組織；(d)JG-3熔覆層熔合線附近組織Fig.2 Laser cladding layer microstructure: (a)Upper middle tissue of JG-3 cladding layer, (b)Upper middle structure of JG-3Y cladding layer, (c)JG-3 cladding layer near the fusion line, (d)JG-3 cladding layer near the fusion line

圖3為熔覆層結(jié)晶形態(tài)變化示意圖。根據(jù)快速凝固理論相關(guān)知識(shí)可知[4-5]，熔覆層顯微組織形態(tài)主要由凝固速度(R)和固-液界面前沿溫度梯度(G)的比值決定，即G/R的比值決定。在凝固初期，熔池內(nèi)熔化的金屬液體與基體接觸，而此時(shí)基體溫度相對(duì)較低，基體與熔融液體溫差較大，導(dǎo)致與基體接觸的熔液溫度梯度(G)非常大，而此時(shí)基體與熔融金屬接觸的界面凝固速度非常慢，凝固速度(R)非常小，這就導(dǎo)致G/R比值非常高，因此在凝固開(kāi)始時(shí)，在熔覆層與基體界面形成平面晶。隨著凝固的不斷進(jìn)行，固-液界面向熔覆層內(nèi)部推進(jìn)，熔液的溫度梯度(G)逐漸減小，凝固速度(R)增加，成分過(guò)冷增加，G/R比值減小，從而導(dǎo)致熔覆層內(nèi)部樹(shù)枝晶的現(xiàn)成，此時(shí)熔液的溫度梯度在垂直于接合面方向最大，故枝晶生長(zhǎng)方向垂直于結(jié)合線方向。隨著G/R比值的不斷降低，枝晶尺寸不斷減小。當(dāng)凝固進(jìn)行到熔覆層上部時(shí)，此時(shí)熔覆層散熱方向較為分散，故呈現(xiàn)出無(wú)明顯指向性的枝晶。

圖3 熔覆層結(jié)晶形態(tài)變化示意圖Fig.3 Schematic diagram of crystal morphology change of cladding layer

兩種熔覆層不同區(qū)域的化學(xué)成分如表3所示，結(jié)合圖4激光熔覆層的顯微形貌可知，在JG-3熔覆層中B點(diǎn)（晶界處），Cr元素含量較晶粒處明顯降低，其他元素含量相差不大。而JG-3Y熔覆層中，晶界及晶粒處Cr元素含量差距不大。形成上述現(xiàn)象的原因是由于在JG-3熔覆層凝固過(guò)程中，熔覆層中的C元素與Cr元素結(jié)合偏析形成M23C6化物，使得晶界處的Cr元素含量降低。而JG-3Y熔覆層中，Cr元素未與C元素形成偏析。這是由于，一方面添加了Nb元素，Nb元素為強(qiáng)碳化物形成元素，可優(yōu)先與C元素發(fā)生反應(yīng)，從而避免了Cr元素與C發(fā)生反應(yīng)形成Cr的偏析。另一方面，JG-3Y熔覆層中對(duì)C元素含量控制更嚴(yán)格，也從一定程度避免了Cr的碳化物的形成。

圖4 兩種熔覆層顯微形貌：(a)JG-3熔覆；(b)JG-3Y熔覆層Fig.4 Microscopic morphology of two cladding layers: (a)JG-3 cladding layer, (b)JG-3Y cladding layer

表3 不同區(qū)域EDS分析Table 3 Different areas EDS analysis

圖5 兩種熔覆層顯微結(jié)構(gòu)：(a)JG-3熔覆層；(b)JG-3Y熔覆層Fig.5 Cladding microstructure: (a)JG-3 cladding layer, (b)JG-3Y cladding layer

圖5(a)顯示了成分優(yōu)化前熔覆層的裂紋形貌，裂紋在熔覆層內(nèi)部沿著晶界延伸，而成分優(yōu)化后的熔覆層組織致密，沒(méi)有明顯的裂紋缺陷，如圖5(b)所示。這是由于JG-3Y熔覆層中Ni元素含量的提高，使得熔覆層微觀組織中出現(xiàn)大量殘余奧氏體，塑韌性極好的殘余奧氏體分布于晶界附近，在不明顯降低熔覆層硬度和強(qiáng)度的同時(shí)，會(huì)吸收和減小熔覆層應(yīng)力，增強(qiáng)熔覆層的韌性和塑形，降低開(kāi)裂敏感性[6]。同時(shí)，Ni元素含量提高的同時(shí)，熔覆層中的脆性相Sigma相比例大大降低，這也有利于裂紋發(fā)生率的降低。另外，Nb元素與C元素反應(yīng)生成的碳化物[7]一般尺寸較小，可以成為熔覆層中的異質(zhì)形核核心，提高凝固結(jié)晶過(guò)程中的形核率，并且Nb原子往往優(yōu)先占據(jù)晶界，阻礙晶體的長(zhǎng)大，作為增強(qiáng)相強(qiáng)化晶界，進(jìn)一步阻礙裂紋的發(fā)生和延伸。

兩種熔覆層的硬度如表4所示，表中可見(jiàn)，JG-3Y熔覆層的硬度較JG-3有所降低，熔覆層硬度的略微降低有利于減少熔覆開(kāi)裂傾向。同時(shí)，略微降低的硬度仍然符合煤礦液壓支架對(duì)硬度的要求。

表4 兩種熔覆層硬度Table4 Cladding hardness

圖6 鹽霧腐蝕后熔覆層表面形貌：(a)JG-3熔覆層；(b)JG-3Y熔覆層Fig.6 Surface morphology of the cladding after salt spray corrosion: (a)JG-3 cladding layer (b)JG-3Y cladding layer

經(jīng)200h鹽霧腐蝕后的熔覆層試樣表面如圖6所示，圖中可見(jiàn)JG-3熔覆層表面出現(xiàn)大量銹斑，而改進(jìn)后的JG-3Y熔覆層表面光潔，幾乎沒(méi)有腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。

就JG-3熔覆層而言，裸露熔覆層首先與大氣接觸形成致密的(Fe Cr)2O3鈍化膜，可以有效阻止空氣中的氧向熔覆層內(nèi)部滲透，同時(shí)鈍化膜在大氣環(huán)境下遭到破壞后可自行修復(fù)，而Cr元素是形成鈍化膜的必要元素。但在JG-3熔覆層中，由于Cr元素與C元素形成Cr23C6，導(dǎo)致晶粒間Cr元素含量降低（即晶間貧鉻現(xiàn)象），從而使貧Cr區(qū)的Cr含量達(dá)不到形成鈍化膜的臨界濃度，從表3中可見(jiàn)，JG-3熔覆層晶界處Cr含量明顯降低。腐蝕后的熔覆層顯微形貌如圖7所示，圖7(b)中可見(jiàn)，所發(fā)生的腐蝕明顯沿晶界進(jìn)行。在鹽霧腐蝕環(huán)境下，鈍化膜一旦遭到破壞，鹽霧中的Cl-可通過(guò)腐蝕通道快速進(jìn)入熔覆層從而加快腐蝕。隨著鈍化膜的破壞，熔覆層表面的O2與Cl-同時(shí)進(jìn)入熔覆層，與Fe生成生成鐵銹Fe2O3。反應(yīng)式如式(1)-(3)所示[8]：

圖7 鹽霧腐蝕后JG-3熔覆層顯微形貌Fig.7 Microscopic morphology of JG-3 cladding layer after salt spray corrosion

就JG-3Y熔覆層而言，加入Nb元素后，熔覆層在凝固過(guò)程中，C元素率先與Nb元素形成NbC，從而保證了晶界處Cr元素的含量，避免了晶間貧Cr現(xiàn)象的發(fā)生，熔覆層內(nèi)可形成有效的鈍化膜，從而提高了熔覆層的抗腐蝕性。

3 結(jié)論

兩種熔覆層都與基體形成了良好的冶金結(jié)合。提高Ni元素含量后，熔覆層中出現(xiàn)大量殘余奧氏體，增強(qiáng)熔覆層的韌性和塑形，降低開(kāi)裂敏感。添加Nb元素后，熔覆層抗腐蝕性明顯提高。成分改進(jìn)后的激光熔覆合金粉末顯著提高了性能，可有效延長(zhǎng)礦井用液壓支架使用壽命。