使用水雾化和水气复合雾化粉末制备的Fe-Cr-Ni-Mo-B激光熔覆涂层的微观结构与性能的比较研究

《Surface and Coatings Technology》：Comparative study on microstructure and properties of laser cladded Fe-Cr-Ni-Mo-B coatings using water-atomized and water-gas combined atomization powders

激光熔覆制备Fe-Cr-Ni-Mo-B涂层中，水雾雾化（WA）和水气联合雾化（WGA）粉末对涂层显微组织和性能的影响研究。结果表明：WA粉末形成更热熔池，增强溶质溶解，减少亚共晶结构；WGA粉末形成稳定熔池和连续亚共晶骨架。碳硼化合物提升磨损性能，但消耗基体Cr元素，导致WGA涂层腐蚀电位（0.47V）低于WA（0.7V），腐蚀抗力减弱。

　　本研究探讨了采用不同粉末制备方式对激光熔覆涂层微观结构和性能的影响，重点分析了水雾化（WA）和水-气体联合雾化（WGA）粉末在Fe-Cr-Ni-Mo-B合金涂层中的应用。通过比较这两种粉末在激光熔覆过程中的表现，揭示了粉末特性如何影响熔池行为、涂层微观结构以及其机械性能和耐腐蚀性。研究发现，WA粉末由于其不规则的形态，能够吸收更多的激光能量，形成温度更高的熔池，从而促进溶质的溶解并减少共晶结构。相比之下，WGA粉末具有更稳定的熔池形态，并形成了连续的共晶骨架结构。这种结构的差异直接影响了涂层的性能表现。

在实际工业应用中，激光熔覆技术被广泛用于提升材料表面性能，尤其是在航空航天、石油化学、海洋工程和汽车制造等领域。这种技术能够有效增强材料的耐磨性、耐腐蚀性和高温氧化性能，从而延长设备的使用寿命，提高生产效率和产品质量。特别是在连续退火冷却辊的制造中，激光熔覆涂层的应用能够显著改善辊面的性能，使其具备更高的耐磨性和耐腐蚀性，从而保障钢带生产过程的稳定性和可靠性。

连续退火冷却辊是工业生产中用于将高温钢带冷却至500-700℃的关键设备。这些辊子在运行过程中面临极端的工作条件，包括高温、高负载和高湿度，这些条件对辊面的耐磨性、抗冲击性和耐腐蚀性提出了更高的要求。在实际应用中，常见的失效模式包括磨粒磨损、粘着磨损、热疲劳裂纹、腐蚀和氧化。长期运行可能导致辊面剥落、裂纹扩展和断裂，从而严重影响钢带冷却的均匀性，缩短冷却辊的使用寿命。因此，提升冷却辊表面性能对于确保钢带质量具有重要意义。

研究表明，Fe-Cr-Ni-Mo-B合金因其优异的机械强度、耐腐蚀性和成本效益而被广泛应用于制造高性能轴承、阀门、辊子和涡轮叶片等关键部件。这种合金在高温条件下的表现尤为突出，其剪切强度在500℃以下保持稳定，在500-700℃之间略有下降，而在900℃时显著提升，表明其具有良好的高温性能和热循环稳定性。激光熔覆技术的应用为提升冷却辊的使用寿命提供了新的可能性，然而在熔覆过程中，涂层仍然面临诸如高裂纹敏感性和微结构不均匀性等挑战，这些因素影响了涂层的性能稳定性，并对工程应用提出了更高要求。

粉末的制备方式对熔覆涂层的性能具有重要影响。不同制备方法会导致粉末的形态、粒径分布、内部缺陷和化学成分均匀性产生显著差异，进而影响熔池行为、涂层的微观结构以及其机械性能和耐腐蚀性。例如，WA粉末虽然具有较低的生产成本，但其高冷却速率导致粉末形态不规则、表面粗糙以及氧含量较高。而GA粉末则在惰性气氛中制备，冷却速率较低，因此粉末具有更高的球形度和均匀性。然而，GA粉末的高成本限制了其大规模应用，通常用于对球形度要求较高的场景，如激光粉末床熔融（L-PBF）技术。

WGA粉末则采用高压力惰性气体或压缩空气将熔融金属破碎成100-300微米的液滴，再通过高压力水雾化进一步破碎成接近球形的粉末。这种方法结合了GA和WA的优点，不仅具有较高的冷却速率和较低的氧含量，还具备良好的成本效益，因此逐渐在精密制造行业中得到广泛应用。在相同的熔覆工艺条件下，初始粉末的粒径分布、流动性、形态、表面化学性质以及颗粒间作用力决定了熔覆行为。细颗粒能够填充相邻大颗粒之间的空隙，而粒径分布较宽的粉末则具有更高的堆积密度，有助于提升熔覆涂层的致密性。

通过本研究的实验分析，发现WGA粉末在熔覆过程中能够形成更加均匀的微观结构，其平均摩擦系数（COF）和磨损痕迹面积在600℃时分别降低至0.3474微米和0.0132平方毫米，相较于WA粉末分别减少了11.7%和40%。这表明WGA粉末在提升涂层耐磨性方面具有明显优势。然而，WGA粉末中碳硼化合物的形成也会消耗基体中的铬元素，导致其耐腐蚀电位降低，从而影响涂层的耐腐蚀性。与WA粉末相比，WGA粉末的耐腐蚀电位为0.47伏，而WA粉末为0.7伏。这种较低的耐腐蚀电位意味着WGA涂层更容易形成不稳定的钝化膜，从而在腐蚀环境中表现出较差的耐腐蚀性。

此外，本研究还探讨了粉末特性与熔池行为之间的耦合关系。粉末的流动性、粒径分布和形态直接影响熔池的形成和演化过程。例如，WA粉末由于其不规则的形态和较高的氧含量，导致熔池的流动性较差，容易产生不均匀的微观结构和较高的孔隙率。而WGA粉末由于其接近球形的形态和较低的氧含量，能够形成更加均匀的熔池，从而促进更稳定的微观结构演化。研究还发现，熔池中的马朗哥尼对流（Marangoni convection）在粉末特性与微观结构演化之间起到重要作用。不同粉末的粒径分布和形态会影响熔池中的对流行为，从而影响涂层的均匀性和性能表现。

在实验过程中，研究人员对WA和WGA粉末的粒径分布、流动性、形态、表面化学性质以及元素组成进行了系统分析。结果表明，WA粉末的粒径分布较宽，流动性较差，而WGA粉末的粒径分布较为均匀，流动性较好。这种差异直接影响了熔覆涂层的性能表现。例如，WGA粉末的均匀粒径分布有助于提高熔覆涂层的致密性，从而减少孔隙率并提升涂层的机械性能。而WA粉末的不规则形态和较高的氧含量则可能导致熔覆涂层的不均匀性和较低的致密性，从而影响其性能表现。

本研究的结论表明，粉末的制备方式对激光熔覆涂层的性能具有重要影响。通过优化粉末的制备工艺，可以有效提升涂层的微观结构均匀性和机械性能，从而改善其耐磨性和耐腐蚀性。此外，粉末特性与熔池行为之间的耦合关系也需要进一步研究，以更好地指导激光熔覆工艺的优化和应用。因此，针对不同粉末制备方式对激光熔覆涂层性能的影响进行系统研究，不仅具有重要的科学价值，也对提升工业生产中的设备性能和产品质量具有重要意义。

总之，激光熔覆技术在提升材料表面性能方面展现出巨大潜力，特别是在高要求的工业应用中。通过深入研究粉末的制备方式及其对熔覆涂层性能的影响，可以为优化涂层质量、提升设备性能和延长使用寿命提供理论支持和技术指导。未来的研究应进一步探讨不同粉末特性对熔池行为和涂层性能的综合影响，以实现更高效、更稳定和更可靠的激光熔覆涂层制备工艺。