不锈钢表面激光熔覆Co基合金复合涂层的组织及性能的研究

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不锈钢在多个领域得到广泛的应用,但在实际生活的使用中,不锈钢存在着硬度较低、摩擦系数高、耐磨性较差等缺点。工况中机械零件反复被使用,会对零件的使用寿命产生影响,而且可靠性也会减低,导致机械零件发生早期失效。钴基合金具有很好的自熔性性能,采用激光熔覆对其制备涂层可以达到良好的性能,尤其是抗高温、耐摩擦磨损性能。为了对304不锈钢表面性能进行改性,可以使用激光熔覆改性技术在其基体上制备得出Stellite12的复合涂层。Stellite12粉末运用同轴送粉方式,同时Stellite12/Ti/B4C运用预制粉方式,进而在304不锈钢表面使用激光熔覆方式制备涂层。通过使用扫描电子显微镜(SEM)来进行对涂层组织形貌观察,能谱仪(EDS)进行对合金元素分析,X射线衍射仪(XRD)进行物相研究。然后进行研究硬度性能、耐磨性能、抗高温氧化性能。将Stellite12/Ti/B4C复合涂层和基体一起同时在800℃温度条件下进行50 h的高温氧化。分析Stellite12/Ti/B4C、基体的室温的摩擦磨损和抗高温氧化,并通过EDS和XRD结果分析试样氧化表面的氧化膜成分,揭示涂层的室温磨损机制和高温氧化机理,从而得出Stellite12/Ti/B4C熔覆涂层对涂层的强化作用。结果表明:激光熔覆纯Stellite采取同轴送粉和预制粉,制备出涂层与基体形成冶金结合的良好涂层。涂层的宏观形貌带有金属光泽,没有气孔飞溅等缺陷。同轴送粉对工艺参数优化,得出功率2500w,扫描速度400mm/min,送粉速率49.56g/min参数下涂层稀释率低、形貌组织良好。纯Stellite涂层的物相主要有面心立方的γ-Co和Cr7C3物相等,加入2%和4%的Ti/B4C的涂层物相主要有γ-Co、Cr23C6和Ti C等,加入6%和8%的Ti/B4C的涂层物相主要有γ-Co、Co2Ti和Ti C等。随着Ti/B4C的添加涂层原位合成Ti C亚微米颗粒相。其中残存的B4C作为异质形核点,形成亚微米结构Ti C/B4C强化相,且颗粒尺寸逐渐减少。通过涂层二次枝晶臂间距的测量得出,Ti C/B4C颗粒相对涂层有明显的晶粒细化作用。Stellite12复合涂层对304不锈钢基体硬度性能有所提高,而且随着Ti/B4C的添加涂层硬度性能增加。其中,添加8%Ti/B4C后涂层平均硬度值为624 HV,最高硬度值达到656 HV,是304不锈钢基体的3倍。通过激光熔覆Stellite12复合涂层对304不锈钢基体耐磨性能有所提高,而且随着Ti/B4C的添加涂层耐磨性能增加。通过滑动摩擦磨损实验,得出304不锈钢基体、Stellite+0%Ti/B4C、Stellite+4%Ti/B4C和Stellite+8%Ti/B4C的平均摩擦系数分别为:0.62、0.55、0.47和0.41。纯Stellite涂层磨损形貌主要以犁沟形式存在,且粘着磨损相较于304不锈钢基体有所改善;加入4%Ti/B4C后,由于生成了硬质相Ti C和部分未完全熔解的B4C,涂层的耐磨性增强,主要为磨粒磨损;加入8%Ti/B4C后,涂层磨损形貌比较光滑,产生轻微的犁沟,为磨粒磨损。其中,Ti/B4C的添加量为8%时,Stellite涂层的耐磨性能达到最优。基体和熔覆涂层在800℃高温条件下氧化50h后,纯Stellite12涂层高温氧化后物相为γ-Co、Cr2O3、(Co Fe2)O4。添加Ti/B4C后,涂层高温氧化后物相为γ-Co、Cr2O3、(Co Fe2)O4和Ti O2。纯Stellite12涂层对基体304不锈钢起到很好的抗高温氧化作用,而且添加Ti/B4C后对熔覆涂层的抗高温氧化性起到改善作用,其中添加比例为6%Ti/B4C时,熔覆涂层的抗高温氧化性能最佳。
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