發布時間：2021-10-08所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：采用等離子熔覆技術在45鋼表面制備了不同形狀WC顆粒增強的Fe313涂層，然后利用SEM、EDS、XRD、電化學分析等手段，研究了WC顆粒形狀對涂層物相組織、電化學腐蝕性能的影響。結果表明：添加WC顆粒有效地抑制了涂層中柱狀樹枝晶的發展，使涂層中生成了更
摘要：采用等離子熔覆技術在45鋼表面制備了不同形狀WC顆粒增強的Fe313涂層，然后利用SEM、EDS、XRD、電化學分析等手段，研究了WC顆粒形狀對涂層物相組織、電化學腐蝕性能的影響。結果表明：添加WC顆粒有效地抑制了涂層中柱狀樹枝晶的發展，使涂層中生成了更多的高硬度碳化物，顯著提升了涂層的顯微硬度。在電化學試驗中，添加WC顆粒使得涂層在H2SO4溶液和NaCl溶液中的耐腐蝕性得到增強，其中添加球形WC顆粒對涂層的耐腐蝕性能提升效果更佳。而在NaOH溶液中，添加球形WC顆粒對涂層的耐腐蝕性提升不明顯，添加多面體WC顆粒對涂層的耐腐蝕性不利。
關鍵詞：等離子熔覆技術;WC;電化學腐蝕
采用等離子熔覆技術能夠表面強化或修復機械部件的磨損部位，使機械零部件的使用壽命大大延長，不僅節約了更換新部件帶來的成本，而且減少了材料的浪費[1-3]。相較于表面工程領域其他的涂層制備技術，等離子熔覆技術具有粉末浪費率低、熔覆材料來源廣泛及母材稀釋率低等特點[4-6]。傳統的氬弧焊技術會使得工件熱變形嚴重，影響工件的成型質量，而等離子熔覆技術制備的工件成型質量相對較好[7]。等離子噴涂技術制得的涂層與基體的結合屬于機械結合，結合力較低，容易脫落，而等離子熔覆技術制備的涂層與基體的結合屬于冶金結合，結合牢固[8]。與激光熔覆技術相比，兩者各有優劣，等離子熔覆技術的優勢在于對工作環境要求低、設備的成本較低且操作簡單[9]。
Fe基合金是等離子熔覆技術應用最廣泛的合金材料，由于它潤濕性好的特點使得其能夠應用于大多數零部件的修復再制造，高性能的Fe基合金也是當前的研究熱點之一[10]。由于當前工業上對零件的要求比較嚴格，單一的合金涂層不能滿足零件的要求，所以陶瓷顆粒增強基復合涂層應運而生。陶瓷顆粒增強鐵基復合材料有效地結合了鋼鐵材料的高塑性、高韌性和陶瓷顆粒的高硬度、高耐磨性[11]，其中，WC顆粒具有硬度大、熔點高、與鋼的濕潤性好、且穩定性良好等優點。因此，采用WC陶瓷顆粒來增強鋼基材料已成為一種可行且性能可靠的制備零件耐磨層的方法[12]。為了提升Fe313合金涂層的硬度、耐蝕性，本文在45鋼表面利用等離子熔覆技術，采用后送粉的方式將不同形狀的WC顆粒加入到Fe313合金涂層中，對制備的復合涂層進行組織和性能分析，并與未添加WC顆粒的Fe313合金涂層對比，希望獲得添加不同形狀WC顆粒對Fe316合金涂層組織和性能的影響規律。
1試驗材料與方法
等離子熔覆所使用的基底尺寸為10mm×10mm×30mm的45鋼板塊，熔覆前使用砂紙把表面的油污和銹跡打磨干凈，然后將其放到干燥箱中干燥，去除表面的水汽。熔覆層基體材料選用Fe313合金粉末，粒度尺寸為45～109μm。Fe313合金粉末的化學成分如表1所示，主要包含Fe、Cr、Si、B以及少量的C元素。增強顆粒采用球形WC顆粒和不規則多面體WC顆粒兩種不同形狀的WC顆粒，粒度尺寸均為80～120目。
熔覆完成后使用線切割設備將試樣切成6mm×6mm×6mm的方塊試樣，然后用砂紙打磨后拋光至表面光亮沒有劃痕，用酒精清洗表面，去除油污。選用FeCl3鹽酸水溶液(FeCl3∶HCl∶H2O=5∶50∶100)腐蝕試樣表面，時間為60s，然后用水流沖去表面殘留的腐蝕液，再用酒精清洗，最后用吹風機吹干。觀察熔覆層的組織和形貌分別采用MR5000型光學顯微鏡、SU8020型掃描電子顯微鏡和JSE-6490/LV型掃描電子顯微鏡。采用X'PertPROMPD型X射線衍射儀分析涂層中包含的主要物相成分。采用MH3型顯微硬度計測量熔覆層熔合線至熔覆層頂部的維氏顯微硬度。試驗中設置載荷200g、加載時間15s。電化學腐蝕試驗在CHI760e電化學工作站上進行，試驗中配置了0.5mol/L的H2SO4溶液、NaCl溶液和NaOH溶液作為電解液，以飽和甘汞電極和鉑片分別作為參比電極和輔助電極。
2試驗結果與分析
2.1熔覆層的顯微組織
圖1為WC顆粒增強Fe基熔覆層的顯微組織。由圖1可見，3種熔覆層的基體與熔覆層之間均有條明亮的熔合線(照片上部)，熔覆層中的臨近組織為平面晶，表面基體和熔覆層之間的結合良好。未添加WC的熔覆層從熔合線開始到涂層頂部，結晶形態由平面晶轉變為樹枝晶(圖1(a))。這是因為在結晶初期的溫度高，但是結晶速度小，所以形成平面晶。隨著凝固的進行，基體的溫度升高熔池中的溫度梯度逐漸減小，結晶速度逐漸增大，熔池的過冷度逐漸增大，涂層呈現出樹枝狀結晶，其樹枝晶組織較為粗大。添加了WC的熔覆層柱狀晶特征不明顯，尤其是WC較多的區域這種現象更為明顯(圖1(b)、(c))。這可能是由于：一方面加入的WC顆粒對熔覆層有激冷作用，增加了熔覆層的過冷度，增大了形核率，細化了晶粒;另一方面，加入的WC顆粒熔解后產生的W、C元素擴散到Fe基合金中，生成了更多的碳化物，這些碳化物抑制了柱狀樹枝晶的發展。
2.2熔覆層的物相分析
圖2為WC顆粒增強Fe基合金涂層的高倍SEM圖。圖3、4分別為兩種涂層的XRD分析結果。表2、3分別為兩種熔覆層的能譜分析結果。從圖2中可以看出熔覆層中除WC顆粒外，還有包裹著WC顆粒的1圈反應層、初生樹枝晶相以及蜂窩狀的共晶組織。分析反應層，其中的主要元素為C、W和Fe，結合XRD結果分析，其中的主要相為Fe3W3C相。初生樹枝晶是典型的過飽和固溶體，大量的Cr元素固溶在其中。結合涂層的XRD分析結果可知，初生樹枝晶的主要成分包含(Fe，Cr)固溶體相。由表2、3可以看出，共晶碳化物中所含主要元素為Fe、Cr、C及W。結合涂層的XRD結果分析可知，共晶碳化物相結構較為復雜，主要由Cr7C3、Cr23C6及(Cr、Fe)7C3等物相構成。
2.3熔覆層的顯微硬度
圖5為WC顆粒增強Fe基熔覆層的顯微硬度。測量的是熔覆層在載荷為200g下的維氏硬度，從圖5中可以看出：未添加WC的熔覆層顯微硬度也要比基體45鋼的顯微硬度高得多。這是由于一方面熔覆層中含有大量的Cr元素，這些Cr元素固溶于Fe中起到了固溶強化的效果;另一方面WC顆粒熔解后的一部分在Fe313合金中生成了高硬度的碳化物，顯著提高了熔覆層的硬度。添加了WC顆粒的熔覆層的顯微硬度明顯大于未添加WC顆粒的熔覆層的顯微硬度。這主要是硬質相WC的貢獻，同時，由于熔池的溫度較高，添加的WC顆粒發生部分溶解，部分C、W元素擴散到Fe313合金中，并在后續凝固過程中生成了較多高硬度的硬質相，提高了熔覆層的硬度。
觀察圖5顯微硬度的變化曲線，可看出在熔覆層中部的硬度最高，在表面和底部的硬度偏低。由于WC顆粒密度大，易下沉到靠近熔合線的中下部位置，使得熔覆層中下部硬度較大，而靠近熔合線的熔覆層底部位置受到基體45鋼的稀釋影響較大，使得其硬度略低于熔覆層中部。多面體WC顆粒增強Fe313合金熔覆層的硬度大于球形WC顆粒增強Fe313合金熔覆層的硬度。前者的最高硬度為854HV0.2，后者最高硬度為799.9HV0.2。這是由于不規則多面體WC顆粒相對于球形WC顆粒更容易發生尖角處表面能高，易溶解，導致多面體WC顆粒溶解量增加，擴散進入基體的C、W元素更多，冷卻時生成更多的高硬度碳化物相，熔覆層的硬度較高。
3WC顆粒形狀對Fe基涂層電化學腐蝕性能的影響
3.1涂層在H2SO4溶液中的電化學行為
添加WC顆粒后涂層在H2SO4溶液中的Tafel曲線以及曲線擬合結果分別如圖6和表4所示。添加WC顆粒后涂層的Tafel曲線右移，自腐蝕電位得到提升，涂層的腐蝕傾向降低，涂層的腐蝕電流密度也明顯減小�？梢�，WC顆粒的加入有利于降低涂層的腐蝕傾向。出現這種現象是由于：涂層的表面微區成分不同，M7C3、M23C6以及WC顆粒等硬質相電位較高充當陰極，Fe基固溶體相電位較低充當陽極，兩者之間形成原電池。加入WC顆粒后，由于WC的溶解，涂層基體中形成更多新的析出相和溶入更多合金元素，提升了基體的電極電位，有利于減小涂層的電位差。從表4中可知，添加球形WC顆粒的涂層腐蝕電流密度最小，未添加WC顆粒的涂層腐蝕電流密度最大，這說明添加WC顆粒能有效地提升涂層在H2SO4溶液中的耐腐蝕性，并且添加球形WC顆粒效果要好于添加多面體WC顆粒的。
3.2涂層在NaCl溶液中的電化學行為
圖7為WC顆粒增強Fe基熔覆層在NaCl溶液中的Tafel曲線。由圖7可見，3種涂層在NaCl溶液中均未發生明顯鈍化現象，可見Cl對涂層表面鈍化膜的破壞作用。其中，添加WC顆粒后涂層的Tafel曲線右移，自腐蝕電位增加，涂層的腐蝕傾向減小。從表5中可以看出，添加WC顆粒后涂層的腐蝕電流密度也明顯減小，涂層的耐腐蝕性得到提升。其中添加球形WC顆粒后的涂層耐腐蝕性最佳，添加多面體WC顆粒后的涂層的耐腐蝕性表現次之，未添加WC顆粒的涂層的耐腐蝕性最差。由此可見，3種涂層在NaCl溶液中表現出的耐腐蝕性規律和涂層在H2SO4溶液中表現的耐腐蝕性規律一致。
3.3涂層在NaOH溶液中的電化學行為
圖8為WC顆粒增強Fe基熔覆層在NaOH溶液中的Tafel曲線，表6為WC顆粒增強Fe基熔覆層在NaOH溶液中Tafel曲線分析結果。由圖8和表6可見，添加WC顆粒使得涂層的Tafel曲線右移，涂層的腐蝕傾向降低。添加球形WC顆粒使得涂層的腐蝕電流密度略微降低，而添加多面體WC顆粒使得涂層的腐蝕電流密度得到明顯提升。這說明添加球形WC顆粒對涂層的耐腐蝕性提升不明顯，添加多面體WC顆粒對涂層的耐腐蝕性則有不利影響。同時，未添加WC顆粒的涂層在NaOH溶液中出現了明顯的鈍化現象，而添加WC顆粒的涂層并未出現此現象，說明WC顆粒的加入對涂層在NaOH溶液中的耐腐蝕性是不利的。
4結論
(1)添加WC顆粒能有效抑制等離子熔覆Fe313涂層中柱狀樹枝晶的發展。
(2)WC顆粒加入使得涂層硬度明顯提升，其中，添加多面體WC顆粒較球形WC對于涂層的硬度提升更為明顯。
(3)添加WC顆粒使得涂層在H2SO4溶液和NaCl溶液中的耐腐蝕性得到增強，其中，添加球形WC顆粒對涂層的耐腐蝕性能提升效果更佳。而在NaOH溶液中，添加球形WC顆粒對涂層的耐腐蝕性提升不明顯，添加多面體WC顆粒對涂層的耐腐蝕性不利。——論文作者：高萬東1,胡孔友1,張學軍1,時運2,王賽龍2,杜曉東2
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