功率参数对AerMet100/C276涂层组织及性能的影响

崔 静,郜 峰,杨广峰

(1.中国民航大学航空工程学院,天津 300300;2.中国民航大学交通科学与工程学院,天津 300300)

1 引 言

飞机起落架因其服役的环境极其复杂,不仅需要承受很大的载荷和冲击,还必须要承受严重的腐蚀,这些问题严重影响了飞机的可靠性、安全性和寿命[1-4]。随着航空航天工业高速发展对高强度钢材料的需求日益增多,AerMet100超高强度钢因其自身高弹性模量、强度、高刚性模量以及优异的断裂韧性和耐蚀性逐渐广泛地应用于制造飞机起落架、发动机等关键结构,但抗蚀性能差的缺点难以避免。因此,提高AerMet100高强钢的抗蚀性变得尤为重要。

激光熔覆技术作为基材表面性能强化的常用手段,通过在金属表面熔覆一种外加的金属粉末或合金覆层,从而使基材的耐腐蚀性能得到增强。Hastelloy C276作为一种镍基熔覆粉末,它不仅具有优异的耐盐酸腐蚀性能,也是少有的对氯离子具有良好抗蚀能力的合金,并且其抗蚀性对NaCl等盐浓度的增加并不敏感,因此被广泛应用于海洋防腐涂层材料,这对提升A100钢材的耐蚀性能提供了最大的可能性。本文通过激光熔覆技术在A100钢基材表面熔覆Hastelloy C276粉末制备复合涂层,增强原基材的耐蚀性能,并探究功率参数对涂层表面组织形貌、成分组成及其性能的影响。

2 材料及实验设计

2.1 实验材料及其过程

试验所用基体试件为4组AerMet100合金,熔覆材料为HastelloyC276合金粉末,粒径分布在50～150 μm之间。通过同轴送粉的方式在A100基体表面进行C276粉末多道熔覆实验见图1。实验采用LDM-8060型激光器,作用在试件上的光斑直径1 mm,熔覆过程中用氩气保护,扫描速度限定为12 mm/s,功率参数分别为P=1200 W、P=1400 W、P=1600 W和P=1800 W。将4组试样分别切割下尺寸1(16 mm×6 mm×6 mm)和尺寸2(16 mm×16 mm×6 mm)两小块试样,并分别对其进行热镶嵌、砂纸(400#、800#、1000#、1200#、1500#和2000#)打磨并用0.05 mm的磨抛液进行抛光处理。

图1 激光熔覆工艺图

2.2 实验方法

尺寸1试件用体积比HCl∶HNO3=3∶1的王水腐蚀液对截面进行金相腐蚀300 s后,通过LEICA MEF4型金相显微镜、HITACHIS-3400N型扫描电子显微镜观察横截面熔覆层表面的形貌与微观组织,EDS能谱仪进行元素分析,HVS-1000型维氏显微硬度计(载荷0.2 kg、加荷时间10 s)测量熔覆层顶部至基体不同位置的硬度。尺寸2试件进行XRD衍射分析检测物相,通过Princeton Applied Research PARSTAT4000电化学工作站,探究其耐腐蚀性能。

3 结果及分析

3.1 宏观形貌

图2是四组不同功率下试件多道熔覆下的宏观形貌,可见,在不同功率下均制备出高度均匀的熔覆层。随着功率的增加,涂层截面逐渐变得光滑,颜色也由暗黑色向亮白色转变。在功率1200 W时热影响区呈现暗黄色,随着功率的增加,热影响区颜色逐渐变为白色,同时熔覆层高度也逐渐增加,当P=1800 W时熔覆层达到最大高度,此时可明显看到白色热影响区域。激光功率的增加直接导致热能输入量与熔池凝固时间的增加,增强了内部Marangoni对流[5],促进了对流在纵深方向的延展,宏观上增加了熔覆层的高度。同时热量向内部传热也变强,结合区因受热量过高在冷却中生成表面氧化物时间快慢的不同继而发生不同颜色的变化。

图2 不同激光功率参数的宏观形貌

3.2 微观组织

熔覆层微观组织见图3,可见不同功率试样顶部以等轴晶和胞状晶为主,中部以柱状晶和等轴晶为主,底部靠近基体部以柱状晶和平面晶为主,且柱状晶生长方向垂直于结合线。之所以不同区域出现不同的组织形态主要是受温度梯度G和生长速率R对合金凝固组织的影响,G/R比值决定了凝固方式,GR值决定凝固组织晶粒的大小[6]。

图3 不同功率熔覆层上中下部组织微观图

在距离基体较近的区域温度梯度大凝固时间长,比率G/R很大且几乎没有任何成分过冷,因此组织多以平面晶为主,随着晶体生长离界面距离越来越远,成分过冷逐渐增加并逐渐发展,导致平面晶界固/液界面变得不稳定,开始向胞状晶和柱状枝晶转变。随着凝固的不断进行,中部区域组织G/R变大生成更多的柱状晶和胞状晶,而在熔覆层顶部热量容易向各个方向传递,导致G/R值变小,过冷度变大,组织多以等轴晶为主。

与其他试样相比,由于较低的1200 W的功率参数,导致一次枝晶臂间距减小,其显微组织相对更致密。这可以用下面的等式表示[7]:

(1)

式中,λ为一次枝晶臂间距;α为系数;η为激光吸收系数;P为激光功率;T为合金液温;T0为基体初始温度;k为材料热导率;V为激光扫描速度;θ为激光扫描方向与凝固方向的夹角。因此λ将随着P的增加而增加,这导致功率1200 W的涂层中的晶粒最为致密。

同时随着功率的增大,熔覆层组织尺寸逐渐增大,组织趋向性也逐渐增强。晶粒的尺寸的大小不仅受晶粒形核和晶粒生长的影响,同时晶粒尺寸的大小也受功率参数的影响,可以用枝晶间距与胞晶间距来评价,其大小主要与热输入和激光扫描速度的比值有关,二者比值越大,枝晶间距与胞晶间距越大[8]。同等扫描速度下,激光功率越高热输入值越大晶粒尺寸自然也就越大。

晶粒取向受熔池强制对流和保护气吹力和激光扫描方向等因素影响,如图3(c1)顶部出现一种类似“太阳”的生长区域,晶粒取向沿中心向不同方向延展生长,可能是因为圆心是未熔覆的C276粉末,导致晶粒在凝固过程中受到影响,生长方向发生变化。

3.3 XRD分析

为了确定熔覆层中物相的结构和变化,对不同的熔覆层做XRD衍射检测,结果见图4。

图4 涂层的X射线衍射图

所测峰的d值与相应JCPDS卡的d值进行比较,证实涂层主要相是Ni-Cr-Co-Mo,同时与其标准衍射图(PDF:35-1489)相比存在些许偏差。不同功率下熔覆层4个明显衍射峰,强度大致一致,仅在功率1400 W时在衍射角43.401°衍射峰强度最高。不同试样各衍射峰相对位置未出现明显改变,衍射峰依次沿(111)(200)(220)(311)定向生长。由于C276粉末为镍基低层错能单相面心立方体结构,碳氮等间隙原子均位于晶胞八面体间隙中心,及面心立方晶胞的中心和棱边的中点。Cr、Mo、Co等元素能够置换Ni原子而形成置换固溶体,置换原子的存在也会引起点阵常数的改变,增加原子间的键合力使晶格产生畸变,降低堆垛层错能。

3.4 EDS分析

涂层的SEM图中还发现一种特殊现象,区域内存在凸起形状和下方白色凹陷的形状。为了研究两者形成的原因以及内部的元素分布,进行EDS面扫分析,各元素分布如图5。通过EDS谱图可知:白色凹陷部分元素分布主要是Fe和Cr,可能是熔覆过程中熔覆层出现裂纹基体渗入到其中进而造成熔覆层出现部分凹陷现象。黑色凸起部分主要是在金属凝固的过程中,熔池内溶质再分配,表现为Mo和W元素的偏析。元素偏析还可能会导致有害第二相的析出,影响熔覆层质量,导致性能降低。

图5 激光功率结合界面元素分布

3.5 硬度性能分析

图6可见显微硬度分布存在三个区域:涂层区、过渡区和基体。四组试样涂层硬度普遍都在150～300 HV范围之间波动,说明涂层的显微组织在整个区域是相对均匀的,对比A100基体的硬度降低大约1倍。硬度随着功率的增加先变大后变小,且在功率参数1400 W时涂层整体硬度最佳。整个硬度曲线表现出在涂层区上下波动直至过渡区突增最终降低并稳定在一个范围中。之所以出现曲线突增的走势是因为在过渡区有大量的原位合成增强体,涂层中的Cr元素也会扩散到基体中与基体中的C元素形成Cr的硬质C化物,这都有效提升了硬度性能。激光熔覆快速加热和冷却中所产生的细晶强化也会对硬度性能产生影响,晶粒越细小,强化效果越好。这一关系可用Hall-Petch关系[9]表示:

图6 不同功率下涂层的显微硬度分布曲线

Re=R+Ksd-1/2

(2)

式中,Re是屈服强度;R是位错移动的摩擦阻力;Ks是晶格阻碍强度系数;d是晶粒平均直径。C276粉末中的C、Si、Ni等活性元素的加入提高了热影响区域晶界的阻碍位错运动能力,|Ks|值变大,一定意义上硬度也会变大。

3.6 耐蚀性能分析

根据电化学分析软件拟合极化曲线(图7)。可见:熔覆层的极化曲线形状类似,且随着功率参数的增加,腐蚀电位Ecorr在-500～-200 mV范围内先增大后减小,且在P=1400 W时涂层具有最高的腐蚀电位,同时也具有最低的腐蚀电流,也意味着耐蚀性最强。因为腐蚀电位是反映金属表面开始腐蚀的难易程度的腐蚀热力学参数,而腐蚀电流是反映金属表面腐蚀速度的腐蚀动力学参数[10]。低腐蚀电位的材料在没有施加电压的情况下更倾向于作为原电池的阴极,更容易由于失去电子而遭受严重的腐蚀,因此腐蚀电位越高耐腐蚀性越强,而腐蚀电流是指在腐蚀电位处的腐蚀电流密度,用来表征材料的腐蚀速率,腐蚀电流越低腐蚀速率越低耐蚀性越强。在1200 W涂层阳极溶解过程中出现明显的“钝化”状态,这种现象具体表现为当施加的电势超过Ecorr时,电极表面会随着电势的增加迅速进入激活状态,促进电极表面的氧化反应,将离子形式的金属释放到NaCl电解质中。随着电位的进一步增加,曲线增加趋势缓慢最终达到一个比较稳定的值,电极进入一个比较稳定的腐蚀状态。从活性状态到相对稳定的腐蚀状态的转变与电极表面形成一层薄而致密的氧化膜密切相关,氧化膜将材料与电极隔离,大大延缓了金属离子的释放速度。因为C276粉末中存在大量Cr元素,Cr元素与氧反应形成致密的Cr2O3保护膜延缓涂层的腐蚀。

图7 不同功率下的极化曲线

4 结 论

(1)功率参数直接影响到涂层的熔覆质量,随着功率参数的增加,涂层高度越来越高。

(2)随着功率参数的增加,熔覆层组织尺寸也逐渐增大,中部胞状晶和底部平面晶组织数量增多。各涂层物相类别未发生明显变化,涂层中出现了基体渗入和元素偏析现象,对熔覆质量有较大的影响。

(3)功率参数影响硬度性能和耐蚀性能,熔覆后涂层的硬度较原基材降低,耐蚀性能增强。综上在功率参数1400 W时硬度和耐蚀性能综合性能最佳。