TiC_TiB_2颗粒增强Fe基激光熔覆层的组织与性能研究
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2010第4期总第197期现代制造技术与装备引言磨损作为工程构件的三大主要失效形式（疲劳、磨损、腐蚀）之一，在工程应用中十分常见，造成巨大的经济损失［１］。
鉴于材料承受磨损、腐蚀疲劳破坏等都是从零件表面开始的，在耐磨部件表面熔覆具有优异综合性能的金属基复合材料涂层成为这些领域修复部件、强化零件使用寿命的重要途径［２－３］。
激光熔覆技术是近２０年发展起来的一种新兴材料表面处理技术，尤其是进入２０世纪８０年代以来，发展迅速。
激光熔覆技术以其熔池具有快速凝固、涂层与基体呈冶金结合、稀释率低等特点，在耐磨、抗蚀、热障等涂层制备方面显示出良好的应用前景［４－６］。
ＴｉＣ、ＴｉＢ２颗粒具有高熔点和硬度、及良好的热稳定性，这使得制备含ＴｉＣ或ＴｉＢ２颗粒增强的金属基复合涂层成为近年来该领域的研究热点［７，８］。
Ａｇｒｗａｒ等［９］在低碳钢板上预置ＴｉＢ２粉末，采用激光合金化技术制备了ＴｉＢ２增强Ｆｅ复合熔覆层。
Ｄａｒａｂａｒａ等［１０］采用等离子堆焊技术，利用ＴｉＢ２和Ｂ粉末为堆焊材料制备了ＴｉＢ２＋Ｆｅ２Ｂ／Ｆｅ复合熔覆层。
研究结果表明制备的复合熔覆层具有良好的耐磨性能。
本研究以钛铁、碳化硼和铁粉为组分，利用激光熔覆技术，在Ｑ２３５钢表面合成ＴｉＣ＋ＴｉＢ２颗粒增强的Ｆｅ基熔覆层，并对熔覆层的组织和性能进行了研究。
1试验材料及方法试验用基体材料采用工业中最常用的Ｑ２３５钢，试样尺寸为：５０ｍｍ×２０ｍｍ×８ｍｍ。
熔覆用粉末由廉价的钛铁３０（１８０目）、铁粉（纯度９９％，２００目）及碳化硼（纯度９０％，２８０目）组成。
按照Ｂ：Ｔｉ摩尔比为１：１．２、１：３、１：４进行合金粉末配比设计。
钛铁３０的主要成分为（ｗｔ．％）Ｔｉ：２５－３０，Ａｌ＜８，Ｓｉ＜３，Ｃ＜０．１，Ｆｅ余量。
在熔覆试验前，将熔覆粉末用ＶＨ－６型Ｖ型混料机混合２４ｈ。
然后用由钠水玻璃调制的粘接剂将熔覆粉末调成糊状，并预置在经过处理的试板表面，试板晾干后经６０°Ｃ烘干１小时。
试验采用５ＫＷ横流ＣＯ２激光器，熔覆用功率为２．５ＫＷ，扫描速度２５０ｍｍ／ｍｉｎ，光斑直径３ｍｍ，利用氩气进行保护，流量为２０Ｌ／ｍｉｎ，厚度为１．２ｍｍ。
沿横截面制备金相试样，经研磨抛光后用３％硝酸酒精溶液腐蚀。
利用Ｘ射线衍射仪，对熔覆层的相结构进行分析；利用电子探针对熔覆层进行形貌和成分分析；利用显微硬度计对熔覆层的显微硬度进行了测试；利用摩擦磨损试验机进行磨损性能测试，磨损试样尺寸为３０ｍｍ×７ｍｍ×６ｍｍ，试样采用线切割，磨损面经细磨并抛光。
2试验结果与分析２．１熔覆层组织形貌与相分析图１（ａ）为Ｂ：Ｔｉ比为１：３典型试样熔覆层宏观形貌，由图可以看出采用合适的激光熔覆工艺参数可以制备表面成形良好的熔覆层。
观察熔覆层与基体的界面形貌（图１（ｂ）），由可以看出，熔覆层与基体形成了良好的冶金结合。
在熔覆层同基体交界处为平面晶带，在该区域之上枝晶以大致平行于沿熔池最大热流散热方向向熔覆层内部生长，这种组织特征保证了熔覆层和基体的冶金结合，可以极大提高熔覆层和基体的结合强度。
利用Ｄ／Ｍａｘ－Ｒｃ型Ｘ射线衍射仪（ＣｕＫα），对Ｂ：Ｔｉ摩尔比为１：３的熔覆层相结构进行分析，Ｘ射线衍射结果如图２所示。
在Ｘ射线衍射结果中，可以看到ＴｉＣ、ＴｉＢ２、Ｆｅ２Ｂ和α－Ｆｅ的衍射峰，表明利用激光熔覆技术，可以通过钛铁和碳化硼原位合成ＴｉＣ－ＴｉＢ２复合增强颗粒。
此外，TiC+TiB2颗粒增强Fe基激光熔覆层的组织与性能研究孔令海（济南大学土木建筑工程学院，济南250022）摘要：采用钛铁、碳化硼、铁粉等组分，利用激光熔覆技术制备原位自生TiC+TiB2颗粒增强Fe基熔覆层。
利用金相显微镜、X射线衍射仪、电子探针及显微硬度计，研究了熔覆层的显微组织与性能。
研究结果表明，激光熔覆层于低碳钢基体呈冶金结合，熔覆层致密、无孔隙。
原位生成的块状或花瓣状的TiC和条状TiB2均匀的分布在基体中，熔覆层具有较好的硬度和良好的耐磨性。
关键词：激光熔覆TiB2显微组织耐磨性能图1激光熔覆层宏观形貌和熔覆层与基体界面形貌10在熔覆层中还发现存在Ｆｅ２Ｂ，由此表明，部分Ｂ４Ｃ与Ｆｅ发生反应，但未发现ＦｅＴｉ、Ｂ４Ｃ和石墨，这表明在激光熔覆的条件下，生成ＴｉＣ、ＴｉＢ２的反应进行的比较完全，在氩气的保护作用下，合金元素很少被氧化烧损，未见ＴｉＯ２等氧化物，熔覆层成分达到了设计的预期要求。
图３为不同配比下熔覆层的组织形貌。
由图可见，观察试样的显微组织可知，熔覆层中呈长条状的为所生成的ＴｉＢ２晶须，而分布其间尺寸较小的花瓣或等轴状的为ＴｉＣ。
当合金粉末中加入Ｔｉ量较少时（Ｂ：Ｔｉ＝１：２），由于Ｔｉ含量较小，形成较少的ＴｉＣ及ＴｉＢ２，不容易联生长大，其组织比较细密。
随着Ｔｉ含量的增加，Ｔｉ与Ｂ４Ｃ的比例按３Ｔｉ＋Ｂ４Ｃ＝ＴｉＢ２＋２ＴｉＣ反应加入，可以观察到明显且致密的ＴｉＢ２晶须，以及ＴｉＣ均匀地分布在ＴｉＢ２晶须之间。
但当加入Ｔｉ过量时，即Ｂ：Ｔｉ＝１：４时，虽然可观察到较多的条状ＴｉＢ２，但已不如Ｂ：Ｔｉ＝１；３试样致密，且生成物量也相对较小。
２．３熔覆层的显微硬度与耐磨性分析采用ＤＨＶ－１０００型数显维氏硬度计测出所制备的熔覆层的显微硬度值如图４所示。
由图可以看出，熔覆层中经激光熔覆后显著提高了熔覆层的显微硬度。
熔覆层显微硬度的增加主要取决于熔覆层物相组织的改变。
在熔覆过程中原位生成的ＴｉＢ２和ＴｉＣ具有很高的硬度，它们的存在可以显著提高熔覆层的硬度。
另外，熔覆层在激光熔覆过程中经历快速冷凝过程，可以显著细化组织，从而提高组织硬度。
此外，由图还可以看出，熔覆层的硬度沿熔覆层厚度方向呈梯度分布。
这主要是由于原位形成的增强相ＴｉＢ２和ＴｉＣ具有较小的密度，因此在熔池中具有上浮的倾向，导致熔池上部增强相较多，而下部次之，因此造成了熔覆层硬度缓降的趋势。
为了评价熔覆层的耐磨性能，磨损试验采用Ｍ－２０００型滑动磨损试验机来进行，载荷１５０Ｎ，摩擦时间为２５ｍｉｎ。
并采用超声波清洗机清洗磨损试样，利用电子天平测量其磨损失重（精度１０－５ｇ），每间隔５ｍｉｎ测量一次。
图５（ａ）为在１５ｋｇ载荷下各个试样熔覆层的磨损失对比图。
由图可见，由图可以看出，所有熔覆层的磨损失重都随磨损时间的增加而增大。
可知，在２５ｍｉｎ内，Ｂ／Ｔｉ＝１：３试样的磨损失重最小，其耐磨性明显高于其他试样。
这主要是由于熔覆层中生成了致密的ＴｉＣ与ＴｉＢ２组织，故其耐磨性最好。
图５（ｂ）给出了同样磨损条件下基体金属与熔覆层磨损失重的对比柱形图。
在同样磨损条件下，基体母材的的磨损失重约为熔覆层的２０￣２８倍，即制备的熔覆层，其耐磨性约为母材的２１倍。
这说明了采用激光熔覆制备的含ＴｉＣ－ＴｉＢ２复合增强相的熔覆层具有优异的抗磨损性能。
3结论（１）利用激光熔覆技术，以钛铁、碳化硼、铁粉等墨为组分，在Ｑ２３５低碳钢基体表面制备ＴｉＣ＋ＴｉＢ２颗粒增强Ｆｅ基熔覆层，ＴｉＢ２以条状分布于基体中，ＴｉＣ主要以块状或花瓣状分布。
（２）熔覆层硬度得到明显提高，增强效果显著，且熔覆层硬度沿熔深方向呈梯度分布。
（下转第１４页）图2试样熔覆层表面X射线衍射图谱图3熔覆区域微观组织形貌（400×）图4熔覆层显微硬度分布（a）B:Ti=1:2（b）B:Ti=1:3（c）B:Ti=1:4设计与研究112010第4期总第197期现代制造技术与装备磨损时间／ｍｉｎ磨损失重／ｇ磨损失重／ｇ图5不同成分激光熔覆层磨损失重的对比（３）磨损试验制备的各种粉末的熔覆层都具有较好的耐磨性，且在同样载荷、相同磨损时间下，熔覆层的耐磨性能约为Ｑ２３５母材的２０－２８倍。
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