烧结熔覆钢表面镍基合金涂层的组织和性能

李新星 ，王红侠 ，施剑峰 ，韩雨洋 ，姜秋彤 ，刘 缘

1) 宿迁学院材料科学与工程系, 宿迁 223800 2) 宿迁学院产业技术研究院, 宿迁 223800 3) 江苏丰东热技术有限公司, 盐城 224100

镍基自熔合金涂层具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性等优异性能，被广泛应用在各种模具、发动机阀座以及各类电器阀门上，对提高工件在高温、腐蚀、磨损等严酷环境下的使用寿命具有重要意义[1-2]。刘祥庆等[3]通过感应熔覆法在AISI 1045钢管内外壁上制备了Ni60合金涂层，涂层与基体之间形成了良好的冶金结合，对基体能够起到很好的抗腐蚀防护作用。杨理京等[4]通过超音速激光沉积技术在45钢表面制备出Ni60合金涂层，在Ni60涂层与45钢基体界面处，机械咬合与冶金结合共存，涂层的平均显微硬度为HV0.3867。肖逸锋等[5]通过真空烧结熔覆技术在Q235钢表面制备出Ni60合金涂层，涂层硬度和耐磨性均明显优于钢基体。徐峰等[6]采用热喷涂技术在钢基体表面制备出Ni60涂层和含质量分数20%金刚石颗粒的Ni60涂层，Ni60涂层的显微硬度约为HV 694.2，含金刚石颗粒的Ni60涂层的显微硬度约为HV 891.8。李朋洋等[7]采用火焰喷焊与等离子堆焊工艺在45钢基体表面制备了Ni60与Ni60-WC涂层，等离子堆焊层比相应的火焰喷焊层更加致密，孔隙率更低，WC颗粒的添加显著提高了的涂层硬度和耐磨性。

目前常用的镍基自熔合金涂层制备方法有热喷涂法、堆焊法、感应熔覆法、激光熔覆法等[8-13]。然而这些方法往往存在设备投资大、涂层厚度薄、工艺复杂等一系列固有缺点[14-15]。本文采用烧结熔覆法，在45钢基体表面制备镍基合金涂层，分析了不同成分合金涂层的相组成、组织形貌、界面结构和涂层剖面硬度分布特征，并研究了涂层的烧结熔覆工艺，为进一步拓展镍基合金涂层在工程领域的应用奠定理论和实践基础。

涂层原材料分别采用Ni25、Ni45及Ni60镍基自熔合金粉末，粒径为50～80 μm，化学成分如表1所示。基体材料选择45钢，尺寸为φ10 mm×15 mm。实验前将45钢用砂轮机打磨，去除表面铁锈和氧化皮，然后用丙酮清洗表面油污，并用电吹风吹干。

表1 Ni25、Ni45、Ni60合金粉末化学成分（质量分数）Table 1 Chemical compositions of the Ni25, Ni45, Ni60 alloy powders %

秤取一定量镍基自熔合金粉末放入研钵，加入少量聚乙烯醇（PVA）粘结剂并搅拌均匀，用压片机将混入粘结剂的合金粉末压制成圆柱形预制块，尺寸约为φ10 mm×2 mm。在45钢基体表面涂上粘结剂，然后将预制块粘贴于45钢基体表面，实验原理如图1所示。将粘贴好涂层的45钢试样放入烘箱，在90 ℃温度下干燥8 h。将干燥好的试样放入已升至设定温度的电阻炉中，进行烧结熔覆实验。烧结温度设定为1000 ℃和1100 ℃，保温时间设定为15、30、45 min。保温结束后关闭电阻炉，随炉冷至800 ℃左右，然后出炉空冷至室温。

图1 烧结熔覆实验原理图Fig.1 Schematic diagram of the sintering cladding experiment

采用D/Max-2500/PC型X射线衍射仪（X-ray diffraction，XRD）分析不同成分镍基合金涂层的物相组成，采用Cu靶的Kα射线，衍射角度为10°～90°。采用Lab1型蔡司金相显微镜观察并拍摄镍基合金涂层的微观形貌。采用HVS-1000型数字显微硬度仪测量镍基合金涂层和45钢基体的显微硬度值，施加载荷为0.49 N，加载时间为10 s。

2.1 涂层物相分析

图2给出了不同成分镍基合金涂层的X射线衍射分析结果。从图中可以看出，Ni25合金涂层的主要由γ-(Ni, Fe)奥氏体和Cr23C6碳化物组成。Ni45和Ni60合金涂层中除了γ-(Ni, Fe)奥氏体和Cr23C6碳化物之外，还出现了CrB硼化物，且Ni60合金涂层中Cr23C6和CrB较Ni45涂层中含量更多。可见，原料粉末从Ni25到Ni60，随着C、Cr、B等合金元素含量增加，涂层中的硬质相逐渐增多了。

图2 不同成分镍基合金涂层的X射线衍射图谱：（a）Ni25；
（b）Ni45；
（c）Ni60Fig.2 XRD patterns of the nickel-based alloy coatings with different compositions: (a) Ni25; (b) Ni45; (c) Ni60

2.2 涂层微观形貌

图3给出了不同成分镍基合金涂层的微观形貌。从图中可以看出，不同成分镍基合金涂层的微观组织均较为致密，孔隙数量较少。说明采用烧结熔覆法可以在45钢表面获得较为致密的镍基合金涂层。Ni25合金粉末中C、Cr、B等合金元素含量较低，Ni元素含量最高，结合图2中X射线衍射分析结果可知，Ni25合金涂层组织主要为比较粗大的γ-(Ni, Fe)奥氏体枝晶，以及少量的Cr23C6碳化物相分布于枝晶间。由于碳化物数量较少，尺寸也较小，在显微镜下几乎难以辨别，如图3（a）所示。与Ni25合金粉末相比，Ni45合金粉末中的C、B、Cr等合金元素含量相对较多。从图3（b）中可以看出，Ni45合金涂层中的γ-(Ni, Fe)奥氏体相枝晶细化，且在涂层组织中所占比例明显下降。在奥氏体枝晶间可以观察到一些颗粒状的硬质相，结合图2中X射线衍射分析结果可知，颗粒状硬质相主要为Cr23C6碳化物和CrB硼化物。Ni60合金粉末中的合金元素含量是三种成分合金粉末中最多的，因此Ni60合金涂层组织中硬质相含量最多。由图3（c）可见，大量的颗粒状Cr23C6碳化物和CrB硼化物弥散分布在γ-(Ni, Fe)枝晶间。

2.3 界面形貌

图4为45钢表面不同成分镍基合金涂层的界面形貌。从图中可以看出，界面主要包括基体、过渡层和合金涂层三个组成部分。上部区域为45钢基体，下部区域为镍基合金涂层，不同成分镍基合金涂层与45钢基体在界面处的结合均比较致密，几乎看不到孔隙和裂纹存在。在烧结熔覆过程中，由于镍基合金呈液态，有利于界面处各元素充分扩散。在基体和涂层之间的结合处存在明显的过渡区，说明涂层和基体之间形成了良好的冶金结合。

2.4 烧结工艺参数对涂层组织形貌的影响

图5为不同烧结温度及保温时间下Ni60合金涂层的微观形貌。由图5（a）至图5（c）可以看出，烧结温度1000 ℃时，不同保温时间下Ni60合金涂层相对密度均不高。由于烧结温度较低，该温度下主要以固相烧结为主，颗粒扩散速度慢，因而涂层中孔隙数量较多，且孔隙形状为不规则的圆形。随着保温时间由15 min增加至30 min，由于在高温下停留时间比较长，扩散变得更加充分，且烧结过程中形成的少量液相有足够时间充分流动，可以填充到涂层中的部分孔洞中，涂层中的孔隙尺寸略有减小，数量也略有减少。保温时间达到45 min，涂层中硬质相颗粒尺寸长大，相对密度变化不大。

图5（d）至图5（f）所示为1100 ℃下不同保温时间时Ni60合金涂层的微观形貌。由图可知，烧结温度1100 ℃时，由于烧结温度较高，涂层呈现出典型的铸态特征。由于形成较多的液相量，扩散速率加快，烧结比较充分。不同保温时间下涂层显微组织均较为致密，几乎没有孔隙存在。保温时间15 min时，涂层中硬质颗粒相尺寸较小，均匀弥散地分布在基体中；
保温时间30 min时，涂层中硬质相尺寸长大；
随着保温时间延长到45 min，涂层中硬质相进一步长大，尺寸变得不规则，部分CrB颗粒甚至发展成为粗大的针状[5]。这种粗大的针状第二相对材料的性能有害无益，很容易造成应力集中，使材料塑性降低，强度下降。

2.5 涂层硬度分析

图6给出了45钢表面不同成分镍基合金涂层剖面的显微硬度分布曲线。从Ni25到Ni60，合金涂层中碳化物和硼化物数量逐渐增多，弥散分布的硬质第二相能够起到较好的弥散强化作用，从而大幅度提高合金的强度、硬度和耐磨性。此外，部分B、Si元素固溶于γ-(Ni, Fe)奥氏体中，通过固溶强化机制对提高涂层的硬度同样可以起到积极的作用。由图可以看出，Ni45、Ni60合金涂层剖面显微硬度呈梯度分布趋势，表面硬度较高，随后逐渐降低到基体硬度值。Ni60合金涂层的硬度最高，约为HV 735；
Ni45合金涂层次之，约为HV 534；
而Ni25合金涂层硬度最低，只有HV 236，与45钢基体硬度相接近，因而剖面显微硬度分布曲线几乎呈一条水平线。这是因为Ni25合金涂层组织主要为韧性粗大的γ-(Ni, Fe)奥氏体枝晶，硬质相数量极少，所以涂层硬度较低，韧性相对较好。

（1）Ni25合金涂层组织主要为比较粗大的γ-(Ni, Fe)奥氏体，以及少量的Cr23C6碳化物相；
Ni45和Ni60合金涂层中除了γ-(Ni, Fe)和Cr23C6碳化物相之外，还出现了CrB硼化物相，Ni60合金涂层组织中硬质相含量最多。

（2）不同成分镍基合金涂层与45钢基体界面处的结合均比较致密，两者之间形成了良好的冶金结合。烧结温度1100 ℃、保温时间15 min时，涂层相对密度较高，硬质相颗粒尺寸较小，分布均匀。

（3）合金元素含量增加，镍基合金涂层的显微硬度提高。Ni60合金涂层的硬度最高，约为HV 735；
Ni45合金涂层次之，约为HV 534；
Ni25合金涂层硬度最低，为HV 236，接近45钢基体硬度值。