鋁合金表面激光熔覆稀土+Ni60合金涂層的研究.pdf

1、鋁及鋁合金是有色金屬中應(yīng)用廣泛的一類材料，具有熱導(dǎo)率高、密度小、熱膨脹系數(shù)低、比強度和比剛度高、塑韌性好等良好的物理性能，在日常生產(chǎn)生活以及航空、汽車、高鐵、發(fā)動機活塞、光學(xué)儀器、導(dǎo)彈鑲嵌結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域有大量應(yīng)用。但是鋁合金的硬度低，易產(chǎn)生塑性變形，且耐磨性、耐腐蝕性等表面性能較差。通過激光熔覆Ni基合金涂層可以大幅度改善鋁合金表面性能，可被應(yīng)用于齒輪、渦輪、軸套、發(fā)動機缸體等零部件的表面強化加工中，從而既能滿足產(chǎn)品設(shè)計要求的輕量化，同時又

2、具有鋁合金表面Ni基熔覆涂層的高硬度、高耐磨性。由于Ni基、Al基合金物理和化學(xué)性能的差異，在鋁合金表面熔覆Ni基合金常不可避免地出現(xiàn)氣孔、裂紋等組織缺陷。稀土元素在鋁合金表面Ni基熔覆層中具有細(xì)化晶粒、除雜、凈化晶界和改善金屬組織結(jié)構(gòu)等作用，因而可以一定程度上減少熔覆層的組織缺陷，提高鋁合金的使用性能。
　　本文研究利用激光熔覆技術(shù)在6063鋁合金表面制備了添加不同含量稀土氧化物（La2O3、Y2O3、CeO2）的Ni60熔覆涂

3、層。探討稀土元素的作用效果和機制，研究不同稀土氧化物對6063鋁合金表面激光熔覆Ni基熔覆涂層的宏觀形貌、截面形貌、硬度、相結(jié)構(gòu)、元素成分分布、微觀組織、摩擦磨損性能和耐腐蝕性能的影響，并獲得了較佳的稀土配比。主要結(jié)論如下：
　　(1)在熔覆層宏觀形貌上，未加入稀土氧化物的Ni60熔覆層中出現(xiàn)大量的“團狀”或“根瘤狀”的熔凝組織和氣體濺射孔洞，添加La2O3、Y2O3、CeO2三種稀土氧化物的Ni60熔覆層表面形貌均有不同程度的改

4、善；其中，加入的稀土氧化物含量低于3％~4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）時，熔覆層仍然具有氣孔、組織脫落和表面不平整等缺陷，加入4%~10%稀土氧化物時，Ni60熔覆層表面平整，無脫落層，表面形貌良好；
　　(2)在熔覆層截面形貌上，熔覆層的平均厚度約800μm～1000μm，稀土氧化物L(fēng)a2O3、Y2O3、CeO2的添加量低于4%時，隨著稀土含量增加，熔覆層中氣孔、裂紋等缺陷得到改善；但當(dāng)稀土添加量大于5%時，熔覆層組織內(nèi)部的氣孔、裂紋反

5、而增多，Ni60熔覆層中稀土氧化物的添加量為4%~5%時可以獲得較好的截面形貌，氣孔、裂紋等組織缺陷較少；
　　(3)硬度方面，未加稀土氧化物的Ni60熔覆層的表層硬度值為1020 HV0.1，遠(yuǎn)高于6063鋁合金基體的硬度值147.2HV0.1，加入5%~10%的La2O3、Y2O3、CeO2可以提高Ni60熔覆層的表層硬度，最高可達1300HV0.1～1400HV0.1；在熔覆層底層，未加稀土氧化物的Ni60熔覆層硬度值為20

6、0HV0.1～400HV0.1，比加入稀土氧化物的Ni60熔覆層平均低約100HV0.1～400HV0.1；
　　(4)添加不同含量La2O3的Ni60熔覆層的主要相結(jié)構(gòu)為β-NiAl(Cr)和少量的Al3Ni、AlNi3、Al等，添加稀土La2O3以后，XRD圖中出現(xiàn)了微量的稀土化合物L(fēng)a2O3、Al4La,且NiAl相的(100)有序峰幾乎消失，晶粒取向偏向于(110)、(200)和(211)，而(110)有序峰出現(xiàn)不同程度的

7、偏移；
　　(5)添加不同含量Y2O3的熔覆層主要相結(jié)構(gòu)為β-NiAl(Cr)、Al3Ni、AlNi3、Al等，同時出現(xiàn)了Y2O3、YAl3、AlNiY、Ni17Y2等多種稀土化合物的衍射峰；
　　(6)加入CeO2的Ni60熔覆層主要相結(jié)構(gòu)為β-NiAl(Cr)、Al3Ni、AlNi3等，熔覆層中含有CeNi5、Ce3Ni6Si2，在CeO2含量較高時，存在明顯的硼化物NiB12的衍射峰；
　　(7)熔覆層的元素分布

8、表明：相比未添加稀土氧化物的Ni60熔覆層，添加La2O3、Y2O3、CeO2后的熔覆層中Ni、Al、Cr等成分隨深度的過渡較明顯，無Cr元素偏聚，表層Ni元素的含量由未添加稀土氧化物前的34.62%提高到60%以上，熔覆層的稀釋率降低，稀土元素的含量從表層的大于1.0%到底部逐漸降低；
　　(8)熔覆層的微觀組織中，添加La2O3、Y2O3、CeO2可以改善Ni60熔覆層的微觀結(jié)構(gòu)，促進熔覆層的晶粒細(xì)化，減少微觀氣孔，熔覆層主要

9、成分為NiAl-Cr共晶組織，稀土元素偏聚在晶界位置并形成了穩(wěn)定的Al4La等稀土化合物；
　　(9)在相同摩擦磨損條件下，添加不同含量 La2O3、Y2O3、CeO2的Ni60基熔覆層較Ni60熔覆層的磨損面崩損現(xiàn)象減少了，磨痕深度和寬度有不同程度減小，磨損量降低，摩擦系數(shù)較低且穩(wěn)定性較高；其中，未添加稀土的Ni60熔覆層磨損量為0.0974mm3，添加4%~10%的La2O3、Y2O3、CeO2分別使熔覆層的磨損體積降至0.0

10、016 mm3~0.0124 mm3，0.0128 mm3~0.0336mm3和0.0031 mm3~0.0090 mm3之間；5%La2O3+Ni60熔覆層的耐磨性是Ni60熔覆層的54.1倍，5%Y2O3+Ni60熔覆層的耐磨性是Ni60熔覆層的6.1倍，4%CeO2+Ni60熔覆層的耐磨性是Ni60熔覆層的31.4倍；
　　(10)在1mol/L H2SO4溶液中，5%La2O3+Ni60熔覆層耐腐蝕性是Ni60熔覆層的3.

11、79倍，是6063鋁合金基體的5.09倍；5%Y2O3+Ni60熔覆層耐腐蝕性是Ni60熔覆層的4.07倍，是6063鋁合金的5.46倍；4%CeO2+Ni60熔覆層耐腐蝕性是Ni60熔覆層的4.25倍，是6063鋁合金的5.71倍；
　　(11)在3.5%NaCl溶液中，5%La2O3+Ni60熔覆層的耐腐蝕性是Ni60熔覆層的2.15倍，是6063鋁合金的2.30倍；5%Y2O3+Ni60熔覆層的耐腐蝕性是Ni60熔覆層的4.

12、3倍，是6063鋁合金的4.59倍；4%CeO2+Ni60熔覆層的耐腐蝕性是Ni60熔覆層的1.4倍，是6063鋁合金試樣的1.49倍；
　　(12)在1mol/L NaOH溶液中，5%La2O3+Ni60熔覆層的耐腐蝕性是Ni60熔覆層的2.21倍，是6063鋁合金的4.88倍；5%Y2O3+Ni60熔覆層的耐腐蝕性是Ni60熔覆層的2.3倍，是6063鋁合金的5.09倍；4%CeO2+Ni60熔覆層的耐腐蝕性是Ni60熔覆層的