类激光熔覆Stellite合金沉积层的组织及磨损性能*

张春华， 丁燕燕， 关 锰， 谭俊哲， 张 松

(1. 沈阳工业大学 材料科学与工程学院， 沈阳 110870； 2. 沈阳鼓风机集团 核电泵业有限公司， 沈阳 110869)

材料科学与工程

类激光熔覆Stellite合金沉积层的组织及磨损性能*

张春华1， 丁燕燕1， 关 锰2， 谭俊哲2， 张 松1

(1. 沈阳工业大学 材料科学与工程学院， 沈阳 110870； 2. 沈阳鼓风机集团 核电泵业有限公司， 沈阳 110869)

为了进一步提高316不锈钢的表面性能，采用类激光熔覆技术在316不锈钢表面制备了Stellite合金沉积层.利用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪、显微硬度计与销盘磨损试验机，研究了Stellite合金沉积层的微观组织、化学成分、显微硬度及摩擦磨损性能.结果表明，Stellite合金沉积层主要由γ-Co和M23C6相组成.沉积层组织依附于316不锈钢基体的界面呈外延生长，由界面至表面依次呈平面晶、柱状晶和胞状树枝晶形态，且越靠近表面组织越细小.Stellite合金沉积层的最高硬度可达650 HV.在摩擦磨损过程中摩擦系数随着法向载荷的增大而减小，磨损机制主要为黏着磨损、磨粒磨损和氧化磨损.

316不锈钢； 类激光熔覆； Stellite合金； 沉积层； 显微组织； 外延生长； 显微硬度； 摩擦磨损

类激光熔覆是一种新型金属材料表面强化沉积层制备技术，其原理是将存储在电容器中的电能以脉冲电弧的形式瞬间从钨针上释放出来，此时钨针的瞬时温度极高，足以将焊丝材料熔融并沉积到基材上.此外，每释放一次电能只能产生极小面积的熔覆，且每一点受到的应力均各自独立，集中程度很低，因而几乎不会产生明显变形，从而能有效保证工件的尺寸精度和完整性.同时，类激光熔覆还具有热作用时间短、热量输入低、热影响区小和焊后无需热处理等特点，因而可在普通金属表面制备高性能的沉积层[1-6].与激光熔覆相比，类激光熔覆又具有成本低的优势[7]，因而为其在设计和制造过程中提供了更多的灵活性.因此，类激光熔覆技术目前已应用于发动机、机械设备中的轴类零件、核泵材料等部件的修复及再制造领域，该技术将逐渐成为材料表面强化及修复的重要技术手段[8-11].

Stellite合金属于钴基硬质合金，具有良好的高温强度、抗热疲劳、抗热腐蚀、耐磨性和焊接性，被广泛应用于航空喷气发动机、舰船燃气轮机、阀门密封面、蒸汽发电机叶片等领域[12].本文采用性价比极高的类激光熔覆技术在316不锈钢表面制备了Stellite合金沉积层以提高316不锈钢的表面性能.本文对所制备沉积层的微观组织、化学成分、显微硬度及摩擦磨损性能进行了系统研究，该研究可为类激光熔覆技术在表面工程和再制造领域的工业化应用奠定基础.

1 材料及方法

1.1 试验材料

基材选用尺寸为90 mm×50 mm×5 mm的316不锈钢，其化学成分如表1所示.采用600#砂纸打磨基材表面，并通过酒精超声波清洗去除表面杂质.选用直径为1.5 mm的Stellite合金丝材作为电极材料，其成分如表2所示.

表1 316不锈钢的化学成分(w)Tab.1 Chemical composition of 316 stainless steel (w) %

表2 Stellite合金的化学成分(w)Tab.2 Chemical composition of Stellite alloy (w) %

1.2 试验方法

采用YJHB-2型高能精密类激光焊机在316不锈钢基材表面制备Stellite合金沉积层.在沉积过程中工作电压为20 V，工作频率为50 Hz，瞬时输出功率大于40 kW，保护气体氩气流量为5 L/min.将制备的沉积层试样切割成尺寸为10 mm×10 mm×5 mm的试块后进行截面镶嵌.利用砂纸对试样进行打磨并抛光，之后采用无水乙醇清洗试样.待试样干燥后，采用草酸溶液进行电解腐蚀，腐蚀电流为100 mA，腐蚀时间约为5 s.

1.3 检测方法

2 结果及分析

2.1 显微组织与XRD分析

图1 Stellite合金沉积层的显微组织形貌Fig.1 Microstructure morphologies of Stellite alloy deposited layer

图2为Stellite合金沉积层的XRD图谱.分析可知，沉积层主要由γ-Co和M23C6相组成.通常情况下纯Co冷却到417 ℃以下时，将由面心立方γ-Co相转变为密排六方ε-Co相.然而，在Stellite合金中由于Cr、Ni、Mo等元素的作用与类激光熔覆的快速凝固过程抑制了γ-Co相向ε-Co相的转变，因而富Co的Stellite合金固溶体急冷至室温下依然保持着面心立方结构，最终得到亚稳面心立方γ-Co相.在熔池快速凝固过程中Stellite合金沉积层以亚共晶方式生长，首先形成初生γ-Co枝晶固溶体，然后在枝晶间形成共晶组织.由于Stellite合金中固溶有Cr、Mo、Ni等元素，同时Cr含量又较高，因此通常情况下共晶组织为由γ-Co和Cr23C6相构成的共晶体，不过M23C6相中的M也可能是Mo、Ni、Fe等元素，这些碳化物会对沉积层硬度的提高起到显著作用.

2.2 硬度及摩擦磨损性能

图3为Stellite合金沉积层的硬度曲线.由图3可见，Stellite合金沉积层硬度最高可以达到650 HV，这主要取决于Stellite合金沉积层中细密枝晶组织的作用及M23C6等碳化物弥散分布于沉积层中所起到的第二相强化作用.与Stellite合金沉积层相比，界面处硬度约下降了150 HV，这是由于受基体元素稀释的影响，界面处合金元素的浓度下降，晶格畸变能降低，固溶强化作用减弱，导致该区域的硬度值降低.

图2 Stellite合金沉积层的XRD图谱Fig.2 XRD spectrum of Stellite alloy deposited layer

图3 Stellite合金沉积层的硬度曲线Fig.3 Hardness curve for Stellite alloy deposited layer

表3为Stellite合金沉积层在不同法向载荷条件下的磨损率和摩擦系数.由表3可见，随着法向载荷的增大，Stellite合金沉积层的磨损率逐渐增加，摩擦系数逐渐减小但变化并不明显.一方面，随着法向载荷的增大，接触面变形严重，界面势能升高，分子热运动变得剧烈起来，分子间距加大，分子间相互作用力减弱，导致摩擦系数降低[14].另一方面，在摩擦过程中必然会发生由点接触向微小面接触转变的过程，随着法向载荷的增大，微凸体的变形将逐渐由弹性变形向弹塑性变形并最终向完全塑性变形转化.在高应力作用下面心立方γ-Co相转化为密排六方ε-Co相.Stellite合金沉积层存在密排六方相是有益的，由于密排六方相可以择优滑移，因此降低了Stellite合金沉积层的摩擦系数.在密排六方结构中Co具有理想的原子堆垛比，因而更容易产生滑动，使得摩擦系数较低.与此同时，载荷的增加使两接触表面的真实接触面积增加，变形程度加剧，产生的磨损粒子增多且不易从接触区排出，从而加剧了磨损.

表3 Stellite合金沉积层的磨损率和摩擦系数Tab.3 Wear rate and friction coefficient of Stellite alloy deposited layer

图4为Stellite合金沉积层在不同载荷下的磨损形貌及EDS分析.

图4 Stellite合金沉积层的磨损形貌与EDS分析Fig.4 Wear morphologies and EDS analysis for Stellite alloy deposited layer

由图4a可知，当载荷为150 N时，沉积层表面磨痕犁沟较浅，只发生了轻微的黏着磨损和磨粒磨损，且磨损表面分布着深灰色组织.结合图4b可知，深灰色组织主要为Stellite合金沉积层内生成的M23C6等硬质碳化物相，这些硬质相的存在可有效地抵制沉积层的进一步磨损，从而提高沉积层的耐磨性.由图4c可见，当载荷为250 N时，沉积层表面磨痕犁沟较深，除了黏着和磨粒磨损以外，还存在大量的白色磨损氧化物，且可以观察到磨削剥落现象.对比图4b和4d可知，B点出现了O元素，而A区域并无O元素，这是因为随着载荷的增加，磨损加剧，导致磨损面温度升高，促使沉积层的局部区域出现了氧化磨损.

3 结 论

通过以上试验分析可以得到以下结论：

1) Stellite合金沉积层组织从界面到表面依次是平面晶、柱状晶和胞状树枝晶组织.Stellite合金沉积层与基体呈良好的冶金结合，沉积层主要由γ-Co和M23C6碳化物相组成.

2) Stellite合金沉积层的硬度明显高于基体316不锈钢，最高硬度为650 HV.随着法向载荷的增大，接触面局部应力加大，促进了面心立方γ-Co相向密排六方ε-Co相的转变，使得Stellite合金沉积层的摩擦系数减小，磨损程度加剧，且磨损机制主要为黏着磨损、磨粒磨损和氧化磨损.

[1]杨军伟，张庆，孟令东.类激光高能脉冲精密冷补技术用于铸造缺陷的修复 [J].铸造技术，2011，32(5)：622-625.

(YANG Jun-wei，ZHANG Qing，MENG Ling-dong.Laser weld like high-energy pulse precision cold repairing technology used in repairing of casting defects [J].Foundry Technology，2011，32(5)：622-625.)

[2]张庆，杨军伟，孟令东，等.零件再制造中局部损伤的治理方法 [J].中国表面工程，2012，25(1)：110-114.

(ZHANG Qing，YANG Jun-wei，MENG Ling-dong，et al.Method of governance of the local damage in re-manufacturing of parts [J].China Surface Engineering，2012，25(1)：110-114.)

[3]孙晓峰，史佩京，邱骥，等.再制造技术体系及典型技术 [J].中国表面工程，2013，26(5)：117-124.

(SUN Xiao-feng，SHI Pei-jing，QIU Ji，et al.Technical system and typical technologies of remanufacture [J].China Surface Engineering，2013，26(5)：117-124.)

[4]张庆，孟令东，杨军伟，等.高能脉冲精密冷补技术用于修复零件表面局部缺损 [J].中国表面工程，2011，24(1)：79-83.

(ZHANG Qing，MENG Ling-dong，YANG Jun-wei，et al.High energy pulse precision cold-welding technology for repairing local surface default of metal parts [J].China Surface Engineering，2011，24(1)：79-83.)

[5]史跃东，李军华.舰船装备海上维修对表面工程技术的需求 [J].兵工自动化，2014，33(1)：21-24.

(SHI Yue-dong，LI Jun-hua.Requirement analysis about furface engineering technology in ship equipment marine repair [J].Ordnance Industry Automation，2014，33(1)：21-24.)

[6]张松，孙晗，吴臣亮，等.不锈钢表面类激光高能脉冲冷焊制备Ni基沉积层 [J].东北大学学报(自然科学版)，2014，35(增刊2)：189-192.

(ZHANG Song，SUN Han，WU Chen-liang，et al.The surface of the stainless steel laser pulse welding preparation of Ni based modified layer [J].Journal of Northeastern University(Natural Science)，2014，35(Sup2)：189-192.)

[7]Zhang S，Wu C L，Yi J Z，et al.Synthesis and characterization of FeCoCrAlCu high-entropy alloy coating by laser surface alloying [J].Surface Coatings and Technology，2015，262：64-69.

[8]徐庆钟，李方义，秦顺顺，等.冷焊工艺参数对HT250表面修复层性能的影响 [J].机械工程学报，2013，49(7)：101-105.

(XU Qing-zhong，LI Fang-yi，QIN Shun-shun，et al.Effect of cold-welding parameters on properties of HT250 surface repaired layer [J].Journal of Mechani-cal Engineering，2013，49(7)：101-105.)

[9]孙晓峰，李占明，宋巍，等.类激光堆焊修复柴油发动机肩胛密封面 [J].中国表面工程，2015，28(1)：115-121.

(SUN Xiao-feng，LI Zhan-ming，SONG Wei，et al.Repairing of cylinder scapular sealing surface of diesel engine by like-laser welding technology [J].China Surface Engineering，2015，28(1)：115-121.)

[10]宋守许，赵吉儒，刘涛.轴类零件大面积堆焊残余应力及组织性能分析 [J].中国机械工程，2011，22(18)：2245-2248.

(SONG Shou-xu，ZHAO Ji-ru，LIU Tao.Analysis of residual stress and microstructure performance of axles with large area welded surfacing layers [J].China Mechanical Engineering，2011，22(18)：2245-2248.)

[11]孙晗.冷焊技术在核泵材料表面强化及再制造中的应用 [D].沈阳：沈阳工业大学，2015.

(SUN Han.Application of surface strength and re-manufacture on nuclear pump materials by cold-welding [D].Shenyang：Shenyang University of Technology，2015.)

[12]李必文，张春良，何彬.高温C+注入对核阀Stellite 6合金激光堆焊层摩擦学性能的影响 [J].金属热处理，2015，40(2)：86-90.

(LI Bi-wen，ZHANG Chun-liang，HE Bin.Effects of C+implantation at high temperature on tribological properties of nuclear valve Stellite 6 alloy laser surfacing layer [J].Heat Treatment of Metals，2015，40(2)：86-90.)

[13]张松，伊俊振，吴臣亮，等.SCH13钢表面微弧火花沉积Stellite合金 [J].焊接学报，2014，35(3)：11-14.

(ZHANG Song，YI Jun-zhen，WU Chen-liang，et al.Micro-arc spark deposition of Stellite alloy on SCH13 steel [J].Transactions of the China Welding Institution，2014，35(3)：11-14.)

[14]肖乾，杨文斌，黄碧坤，等.金属晶体滑动摩擦因数影响因素的微观数值分析 [J].润滑与密封，2013，38(12)：57-61.

(XIAO Qian，YANG Wen-bin，HUANG Bi-kun，et al.The microscopic numerical analysis of the in-fluencing factors of sliding friction coefficient of metal crystals [J].Lubrication Engineering，2013，38(12)：57-61.)

(责任编辑：尹淑英 英文审校：尹淑英)

Microstructure and wear properties of Stellite alloy deposited layer prepared by like-laser cladding

ZHANG Chun-hua1, DING Yan-yan1, GUAN Meng2, TAN Jun-zhe2, ZHANG Song1

(1. School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. Nuclear Power Pump Industry Co.Ltd., Shenyang Blower Works Group Corporation, Shenyang 110869, China)

In order to further improve the surface properties of 316 stainless steel, the Stellite alloy deposited layer was fabricated on the surface of 316 stainless steel by like-laser cladding technology. The microstructure, chemical composition, microhardness as well as the friction and wear properties of the deposited layer were investigated with scanning electron microscope (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), X ray diffractometer (XRD), microhardness tester and pin-dish abrasion tester. The results show that the Stellite alloy deposited layer is mainly composed of γ-Co solid solution and M23C6phase. The microstructure of the deposited layer exhibits the epitaxial growth attached to the interface of 316 stainless steel substrate. From the interface to the surface, the morphology of microstructure transforms from the plane crystal, columnar crystal to cellular dendrite crystal, respectively. In addition, at the position closer to the surface, the microstructure is much finer. The highest hardness of the Stellite alloy deposited layer is 650 HV. During the process of friction and wear, the friction coefficient decreases with increasing the normal loads. Furthermore, the wear mechanism is mainly adhesive wear, abrasive wear and oxidation wear.

316 stainless steel; like-laser cladding; Stellite alloy; deposited layer; microstructure; epitaxial growth; microhardness; friction and wear

2016-05-05.

国家自然科学基金资助项目(51271126)； 国家科技专项基金资助项目(2013ZX06002-002)； 沈阳市科技局计划项目(F16-032-0-00).

张春华(1963-)，男，吉林辽源人，教授，博士，主要从事材料表面工程等方面的研究.

17∶39在中国知网优先数字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20161222.1739.020.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.01.03

TG 156

A

1000-1646(2017)01-0012-05