激光熔覆316L-陶瓷復(fù)合涂層的工藝和耐磨性能研究

前言

激光熔覆技術(shù)作為一種先進(jìn)的表面改性技術(shù)，能夠在基體材料表面形成具有優(yōu)異性能的涂層，廣泛應(yīng)用于航空航天、核能、石油化工等領(lǐng)域。本研究旨在通過激光熔覆技術(shù)在316L不銹鋼基體上制備Al2O3和ZrO2復(fù)合涂層，探究其顯微組織、硬度及耐磨性能的變化規(guī)律。

實驗材料

基體材料：316L不銹鋼

復(fù)合粉末：Al2O3和ZrO2粉末，按照不同比例混合

20%Al2O3+80%316L

40%Al2O3+60%316L

60%Al2O3+40%316L

80%Al2O3+20%316L

20%ZrO2+80%316L

40%ZrO2+60%316L

60%ZrO2+40%316L

80%ZrO2+20%316L

實驗方法

激光熔覆設(shè)備：采用XX型激光熔覆系統(tǒng)，設(shè)定適當(dāng)?shù)募す夤β?、掃描速度和送粉速率?/span>

涂層制備：將混合好的復(fù)合粉末通過載氣送入激光熔池，形成復(fù)合涂層。

顯微組織分析：采用掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS）對涂層顯微組織進(jìn)行觀察和分析。

硬度測試：使用洛氏硬度計測量涂層的硬度。

耐磨性能測試：通過對磨試驗評估涂層的耐磨性能，選用Stellite 6合金作為對磨材料。

結(jié)果與討論

顯微組織分析-

冶金結(jié)合

激光熔覆過程中，熔融態(tài)復(fù)合粉末與熔化的316L不銹鋼基體形成了良好的冶金結(jié)合（見圖3）。結(jié)合區(qū)域清晰可見，表明激光熔覆技術(shù)能夠有效實現(xiàn)涂層與基體的牢固結(jié)合。

顯微組織分析-

顯微組織特征

復(fù)合涂層中的Al2O3和ZrO2粉末經(jīng)過激光熔覆后，呈現(xiàn)細(xì)小的彌散分布，顆粒尺度整體在1μm以下，部分陶瓷顆粒甚至達(dá)到納米量級（見圖4）。熔覆區(qū)域組織呈現(xiàn)外延生長柱狀/胞狀枝晶，強(qiáng)化相在枝晶內(nèi)部與枝晶間均有分布。

成分分析

EDS掃描結(jié)果顯示，Al和Zr元素在復(fù)合涂層中局部位置富集，證實了Al2O3與ZrO2陶瓷以細(xì)小顆粒的方式彌散分布于復(fù)合涂層組織內(nèi)部（見上圖4）。

致密度分析

由于涂層打印厚度有限，采用排水法難以得到準(zhǔn)確致密度數(shù)據(jù)，因此通過微觀組織照片統(tǒng)計法計算致密度。結(jié)果顯示，所有涂層的致密度均大于99.99%，接近100%。

硬度變化分析

圖5展示了不同陶瓷成分復(fù)合涂層的硬度變化。對于Al2O3復(fù)合涂層，當(dāng)Al2O3含量在20%-60%之間時，硬度隨陶瓷強(qiáng)化相含量增加而提升；超過60%后，硬度提升不明顯。ZrO2復(fù)合涂層的硬度則基本保持在35-45 HRC范圍內(nèi)波動，除20% ZrO2涂層因硬度過低無法用洛氏硬度表示外。

硬度與強(qiáng)化相含量的關(guān)系

復(fù)合涂層硬度與內(nèi)部陶瓷強(qiáng)化相的體積分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系。Al2O3涂層中，陶瓷強(qiáng)化相體積從4.3%提升到9.6%，HRC硬度也相應(yīng)從10.2增長到33.6。ZrO2涂層由于強(qiáng)化相體積波動不大，硬度保持相對穩(wěn)定。

耐磨性能分析-對磨試驗

選取40%ZrO2、60%Al2O3、60%ZrO2復(fù)合涂層進(jìn)行對磨試驗。結(jié)果顯示，復(fù)合涂層側(cè)的磨損質(zhì)量損失明顯低于基材側(cè)（激光熔覆Stellite 6），證明了復(fù)合涂層具有優(yōu)異的耐磨性能（見圖6）。