鐵基合金與稀土金屬元素的等離子堆焊特性

1、本文為翻譯文章Characteristics of plasma cladding Fe-based alloy coatings with rare earth metal elements鐵基合金與稀土金屬元素的等離子堆焊特性張利民 孫東白 宇紅英Beijing Corrosion and Protection Center, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China Received 7 September 2006; received in revised form 22 October 20

2、06; accepted 26 October 2006摘要本文研究了稀土（RE）的氧化物CeO2和La2O3等離子堆焊鐵基合金涂層的特點(diǎn)。鋼基體上堆焊鐵基合金粉末與CeO2和La2O3的不同內(nèi)容。堆焊層微觀結(jié)構(gòu)特征，化學(xué)成分，相結(jié)構(gòu)和堆焊層的硬度檢查和測(cè)試。采用配備了能量色散的掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線能量色散譜（EDS）分析觀察的微觀結(jié)構(gòu)和堆焊層的化學(xué)成分分析。等離子堆焊過(guò)程中形成的結(jié)晶相由X射線衍射儀進(jìn)行了表征分析。顯微硬度由 HVS 1000 數(shù)字顯微硬度測(cè)試儀測(cè)試，結(jié)果表明，當(dāng)CeO2和La2O3含量為0.5 時(shí)，涂層的微觀結(jié)構(gòu)，可以提煉和純化，減少和稀釋從基材的復(fù)合材料。此外

3、，形成了一些新的化合物，如LaNi4Si和Ce2Ni22C3和硬晶體階段，Cr3Si，涂層的硬度值均高于其他涂料。本文對(duì)稀土氧化物涂層的影響機(jī)理進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞：等離子堆焊 稀土 稀釋 顯微組織1引言鑭，鈰和稀土（RE）元素，已成功地應(yīng)用在許多領(lǐng)域，如冶金1，化工工程2,3，當(dāng)前利率的一個(gè)領(lǐng)域是稀土表面工程, 以往的研究表明在火焰噴涂可再生能源的積極影響，表面化學(xué)處理，激光合金化和激光堆焊。阿里納斯等4推廣了鑭系元素的使用，提高使用質(zhì)量分析離子注入電層的抗腐蝕特性。Sun等人5發(fā)現(xiàn)了利用電沉積方法，使稀土與鉻氧化鋁顆粒沉積成為可能。Haugsrud6研究了鎳和鎳的氧化行為與涂層表面的氧化膜，

4、其中包括二氧化硅，氧化鈰和鑭在773-1473K范圍在10-4到1個(gè)大氣壓的氧氣，溫度，氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和表面動(dòng)力學(xué)被確定。王等人 7研究了稀土氧化物CeO2和La2O3對(duì)組織和耐磨性的激光堆焊鎳基合金涂層。易伊特爾等人8表明，采用鐵基熔性合金粉末應(yīng)用土（RE）為噴焊材料是因?yàn)槠漭^低的價(jià)格和良好的耐磨性。但是，仍然發(fā)表一些關(guān)于等離子堆焊稀土應(yīng)用的文章。等離子堆焊是一種有效的材料加工方法，具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如效率高，涂層和基體之間的良好融合粘接，精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)和低孔隙度，改善涂層的工件表面性能9。等離子堆焊技術(shù)還允許更廣泛的成分沉積金屬和堆焊層的頻譜，因?yàn)槭褂玫耐繉硬牧鲜欠勰畹?，而不是在電線或

5、鑄桿形式10。在本文中，CeO2和La2O3對(duì)等離子堆焊鐵基合金涂層的微觀結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究，以便提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上擴(kuò)大了再更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。2實(shí)驗(yàn)過(guò)程作為成本較低的低碳鋼，鋼樣品制成100mm×100mm×10mm。實(shí)驗(yàn)前鋼的表面要求沒(méi)有表面處理。鐵基自熔性合金粉末，被選為等離子堆焊材料的粒度為106-180um，粉末的化學(xué)成分百分含量：2C，18Cr，30Ni，1B和0.8Si與鐵的其余部分。分別加入不同比例的鐵基合金粉末與CeO2和La2O3的混合，含量分別為0，0.15，0.3，0.5和1。利用山東科技大學(xué)的自送粉等離子堆焊設(shè)備進(jìn)行了等離子堆焊。大量實(shí)驗(yàn)已表明等

6、離子堆焊參數(shù)，即厚度，粉包效率，體積稀釋口糧和裂縫形成對(duì)涂層微觀尺度上的性能影響。能獲得最佳效果的等離子體參數(shù)范圍如表1所示。表一 等離子堆焊參數(shù)等離子堆焊后，金相試樣沿著等離子噴焊方向的縱向切割，用體積比為3的HNO3/HCl混合溶液腐蝕試樣，然后觀察堆焊層的顯微組織。通過(guò)多種技術(shù)對(duì)等離子堆焊涂層的結(jié)構(gòu)和形態(tài)的性質(zhì)進(jìn)行了表征分析。在Rigaku DMAX- RB X射線衍射儀使用銅的K層射線，以每分鐘2度的速度進(jìn)行了X射線衍射，使用Cambridge S-360掃描電子顯微鏡（SEM）觀察涂層的形貌。用Tracor Northern TN550設(shè)備做能量色散譜（EDS）來(lái)分析堆焊涂層的組成。

7、用0.98N測(cè)試負(fù)載，加載時(shí)間為20秒，在HVS-1000數(shù)字顯微硬度計(jì)上測(cè)量硬度值。3.結(jié)果與討論3.1 顯微觀察涂層的微觀結(jié)構(gòu)如圖1，可以看出，涂層的微觀組織主要是以枝晶形式存在。此形態(tài)受到CeO2和La2O3的影響。從圖1d中可以觀察到，當(dāng)稀土成分很理想時(shí)，堆焊層的顯微組織比無(wú)稀土?xí)r要細(xì)。然而，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)稀土濃度過(guò)高時(shí)，例如，在CeO2和La2O3含量為1，稀土含量高于0.5，堆焊涂層晶粒尺寸變大如圖1e。當(dāng)稀土濃度太低和在無(wú)稀土元素時(shí)，對(duì)晶粒尺寸和形狀的變化影響不明顯，如圖1B所示。因此，本文選用了稀土氧化物濃度為0.5，其涂層顯微組織比其它成分的要細(xì)。許多顆粒狀沉淀晶粒邊界析出，

8、這有利于堆焊涂層的性能。圖1 等離子堆焊層的微觀結(jié)構(gòu)（a-e）的內(nèi)容是CeO2和La2O3的含量，分別為0 ，0.15，0.3，0.5和13.2 堆焊層的化學(xué)成分分析通過(guò)EDS分析了堆焊涂層與基體之間結(jié)合區(qū)附顯示了硅，鉻，鐵，鎳，鑭和鈰的含量，如表2所示。在鎳和鉻的涂層中的所含CeO2和La2O重量百分比含，高于無(wú)稀土元素的堆焊層，而鐵敲好相反。這表明，鈰或鑭減少基體金屬堆焊材料稀釋的獨(dú)特效果。這是有利于保證堆焊涂層的成份和性能。隨著稀土氧化物濃度的增加，鉻涂層重量百分比增長(zhǎng)較高，而鎳是相反的，硅重量百分比是不規(guī)則的。如表2所示，硅重量百分比為高時(shí)，CeO2和La2O3濃度是1或0.3，硅硅重

9、量百分比時(shí)，CeO2和La2O3濃度是0.5或0.15。因此，它可以被稱為硅涂層必須分類。理想的的情況下，以盡量減少?gòu)脑诘入x子堆焊基體金屬材料的稀釋。由于稀釋作用，涂層的化學(xué)成分會(huì)發(fā)生改變以及涂層的性能會(huì)受到影響。除了可以增加Ce和La合金熔化潛熱，從而導(dǎo)致液相線溫度降低和固相線溫度的升高。凝固范圍會(huì)變得狹窄和凝固時(shí)間縮短。因此，涂層和基體之間的擴(kuò)散被削弱。因此，從堆焊層的鎳和鉻的擴(kuò)散被削弱以及從堆焊層的稀釋減少。此外，Ce和La的晶界上吸收也會(huì)妨礙其他元素的擴(kuò)散，這也能夠減少稀釋。表2 復(fù)等離子堆焊層的結(jié)合區(qū)附近的EDS測(cè)試結(jié)果3.3 等離子堆焊涂層的相結(jié)構(gòu)X-射線衍射結(jié)果如圖2。此外CeO

10、2和La2O3結(jié)果中形成的化合物，如涂層LaNi4Si和Ce2Ni22C3 。當(dāng)加入CeO2和La2O3是0.3或0.5時(shí)，涂層里形成的化合物為Cr3Si。Cr3Si為金屬間化合物，是一種硅鉻合金，具有比純鉻高得多硬度（11.8 GPa）和彈性模量（350 GPa）的。Cr3Si有關(guān)方面已研究作為一個(gè)潛在的耐高溫材料，耐磨材料11。在沒(méi)有添加稀土氧化物時(shí)，在堆焊層中未出現(xiàn)Cr3Si，當(dāng)增加0.5CeO2或0.3La2O3時(shí)，在堆焊層里出現(xiàn)了Cr3Si。此外當(dāng)CeO2和La2O3的含量低于0.3 ，堆焊層里的Cr3Si消失。實(shí)驗(yàn)表明，除了適當(dāng)?shù)腃eO2和La2O3能夠促進(jìn)硅鉻合金的生成，還能增加

11、堆焊層的高溫性能和磨損性能。表3 X射線衍射峰的衍射角堆焊層2衍射角較強(qiáng)的衍射峰如表3所示。由此可以看出，CeO2和La2O3含量小于0.5時(shí)，堆焊層的2衍射角峰值大于無(wú)CeO2和La2O3。CeO2和La2O3含量超過(guò)1%時(shí)，堆焊層的2衍射角峰值小于無(wú)稀土元素的堆焊層。據(jù)布拉格的X射線衍射法：2dhkl·sin=其中是X射線的波長(zhǎng)，在一定的衍射條件下為常數(shù)，dhkl l為H K L的晶面間距，為衍射角，dhkl可以認(rèn)為是晶面間距隨衍射角2的增加而減小。立方晶系晶面間距公式如下：a為晶格常數(shù)，隨著HKL晶面間距dhkl減小而減小。簡(jiǎn)言之，此外，當(dāng)CeO2和La2O3的濃度低于0.5，

12、可以提高衍射角和減少晶面間距和晶格常數(shù)。3.4 等離子堆焊層的硬度圖3給出了等離子堆焊層的硬度值分布圖。硬度值呈現(xiàn)梯度分布，對(duì)涂層的表面，硬度值在500至700 HV0.1 。在等離子堆焊過(guò)程中，由于熔池的對(duì)流作用，雜質(zhì)漂浮在熔池表面，使得表面的顯微組織發(fā)生惡化，顯微硬度相對(duì)較低。在中間涂層的硬度值是最高的。在堆焊層與基材的粘合處，顯微硬度值下降。在涂層與基材的粘合處，因涂層被稀釋使得顯微硬度值降低。圖2。等離子堆焊涂層的X射線衍射譜。圖2 等離子堆焊層的X射線衍射譜數(shù)據(jù)還顯示，CeO2和La2O3的加入會(huì)導(dǎo)致堆焊涂層有不同的顯微硬度值。當(dāng)CeO2和La2O3加入量為0.15 時(shí)，在不加入Ce

13、O2和La2O3的情況下，顯微硬度沒(méi)有什么變化。隨著CeO2和La2O3增加，平均顯微硬度值高于無(wú)CeO2和La2O3。堆焊層中含有0.5 CeO2和La2O3時(shí)，涂層的平均顯微硬度是最高的。但是，當(dāng)CeO2和La2O3含量增加到1 時(shí)，硬度值比無(wú)稀土氧化物要低。從X射線衍射譜可知，涂層中有一種Cr3Si的化合物，其硬度的比純鉻高得多，當(dāng)?shù)入x子堆焊涂層中含有0.3 CeO2和0.5%La2O3 ，便形成Cr3Si，該組織還比其它組織更細(xì)，所有這些因素使得堆焊層的硬度值增加。圖3 等離子堆焊層的硬度分布。4結(jié)論（1）獲得光滑，沒(méi)有裂紋和氣孔的等離子堆焊涂層。此外，稀土氧化物CeO2和La2O3是

14、對(duì)等離子堆焊鐵基合金涂層具有十分重要的意義。（2）在該項(xiàng)研究中添加為0.5 CeO2和La2O3時(shí)，獲得的效果最好，能夠得到純度較好的顯微組織，堆焊層在基材的稀釋也得到減小。（3）LaNi4Si和Ce2Ni22C3出現(xiàn)在一些新的階段，含Ce和La可能會(huì)導(dǎo)致堆焊層的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。CeO2和La2O3的含量為0.3和0.5時(shí)，在堆焊層中出現(xiàn)了Cr3Si硬晶體。（4）根據(jù)布拉格的X射線衍射法，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CeO2和La2O3的濃度不超過(guò)0.5 時(shí)，晶面間距和晶格常數(shù)隨著衍射角的增大而減少。（5）堆焊層中CeO2和La2O3的含量為0.3%和0.5時(shí)，其硬度高于沒(méi)有CeO2和La2O3的堆焊層。堆焊層

15、中CeO2和La2O3的含量為0.5時(shí)，涂層的平均硬度值最高。但是，當(dāng)加入CeO2和La2O3含量為1時(shí)，平均顯微硬度低于其他涂層。致謝作者們感謝中國(guó)政府北京基金對(duì)這項(xiàng)工作的財(cái)政支持，同時(shí)也感謝北京科技大學(xué)腐蝕與防護(hù)中心在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中提供的幫助。參考文獻(xiàn)1 R. Van Deun, K. Binnemans, Mater. Sci. Eng. C18(2001)211215.2 S.Y. Zhang, F.M. Gao, C.X. Wu, J. Alloys Compd. 275277 (1998)835837.3 Y.-H. Huang, Z.-G. Xu, C.-H. Yan, et al.

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