激光熔覆原位（Ti,Cr）S颗粒增强型高温耐磨自润滑20CrNiMoBSiY合金的微观结构与强化机理

《Surface and Coatings Technology》：Microstructure and strengthening mechanism of laser cladding in-situ (Ti,Cr)S particle enhanced high temperature wear resistant and self-lubricating 20CrNiMoBSiY alloy

本研究通过添加WS?和Ti粉末至Fe基合金粉末，采用激光熔覆技术制备了具有高温耐磨和自润滑性能的复合涂层，优化含量9%时形成3.3% (Ti,Cr)S自润滑相和22.47%强化相，800℃磨损损失14.3mg，摩擦系数0.485，显著优于传统涂层。

　　在现代工业中，高温Fe基耐磨合金因其在冶金领域的广泛应用而受到高度重视，尤其是在激光再制造技术中。这些合金通常用于摩擦部件，如炉底辊、侧导板等，这些部件在热轧、连铸和热处理过程中承担着重要的功能。然而，当前的高温Fe基合金在高温环境下仍面临诸多挑战，例如耐磨性不足和润滑性能不佳，这可能导致表面堆积和服役稳定性下降。为了解决这些问题，本研究提出了一种新的思路，即通过激光冶金技术在原位形成高温硫化润滑相，从而提升合金的综合性能。

研究团队选择了20CrNiMoBSiY作为基础材料，并在此基础上引入了3%至11%的WS?和Ti粉末（质量比为5:2），制备出20CrNiMoBSiY + WS? + Ti复合Fe基合金粉末。通过激光熔覆技术，将这些复合粉末沉积在Q235基材上，成功形成了含有原位生成的(Ti, Cr)S高温自润滑相的合金层。实验结果表明，WS?和Ti的含量对熔覆样品的微观结构演化、耐磨性和自润滑性能具有显著影响。在优化的9% WS?和Ti含量下，样品不仅表现出优异的激光成型能力，还在800°C高温条件下展现出卓越的耐磨性和自润滑性能，磨损量仅为14.3毫克，摩擦系数最低为0.485。相比传统的20CrNiMoBSiY合金涂层，其耐磨性在800°C下提升了61%，这一性能的提升归因于增强相与自润滑相之间的协同作用。

为了进一步探讨这一现象，研究团队对不同WS? + Ti含量下的合金进行了系统的分析。通过模拟相图和热力学计算，明确了(Ti, Cr)S自润滑相的形成机制及其对合金性能的影响。结果表明，随着WS? + Ti含量的增加，MS和Laves相的质量分数显著上升，而M??C?相则表现出波动变化。此外，研究还发现，TiS在0至3000°C的温度范围内具有最低的吉布斯自由能，这表明它是最具热力学优势的硫化物相，能够有效降低摩擦系数并提升润滑性能。

在实际应用中，激光熔覆技术已成为制造高温耐磨合金涂层的重要手段。然而，目前的商业合金在面对复杂的“热-力-流”环境时，往往难以同时满足高温抗结瘤、耐腐蚀和耐磨性等多方面的需求。因此，开发一种能够在高温条件下同时具备优异耐磨性和自润滑性能的Fe基合金，成为冶金领域再制造技术发展的关键。本研究通过引入WS?和Ti粉末，成功实现了(Ti, Cr)S自润滑相的原位生成，为高温摩擦部件的再制造提供了新的思路和方法。

在实验过程中，研究团队采用了多种技术手段对合金的性能进行了全面评估。首先，对基材进行了预处理，包括打磨去除氧化层和杂质，以及使用丙酮和乙醇进行超声波清洗，以确保表面清洁。随后，将20CrNiMoBSiY合金粉末与WS?和Ti粉末按照一定比例混合，制备出复合粉末。激光熔覆过程中，通过精确控制工艺参数，如激光功率、扫描速度和送粉速率，确保了合金层的均匀性和致密性。熔覆完成后，对样品进行了微观结构分析，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS），以研究不同成分对相组成和微观结构的影响。

此外，研究团队还对样品的摩擦性能进行了测试，使用摩擦磨损试验机在不同温度下评估了其摩擦系数和磨损量。测试结果显示，随着WS? + Ti含量的增加，摩擦系数逐渐降低，而磨损量则呈现出先降低后升高的趋势。这表明，虽然适量的WS?和Ti能够提升自润滑性能，但过量的添加可能会导致材料的结构破坏，从而影响其整体性能。因此，研究团队通过实验确定了最佳的WS? + Ti含量，使得合金在高温条件下既能保持良好的耐磨性，又能有效降低摩擦系数。

在微观结构方面，研究团队发现，样品主要由基体（M）、残余奥氏体（A）、M?B、Laves相（M?W）、M??C?、M?C?等增强相以及原位形成的(Ti, Cr)S自润滑相组成。这些相的协同作用显著提升了合金的综合性能。其中，(Ti, Cr)S自润滑相在高温条件下表现出优异的润滑效果，能够有效减少摩擦接触面的磨损，同时增强材料的稳定性。而M?B、Laves相（M?W）、M??C?和M?C?等增强相则通过弥散强化和晶粒细化的方式，提升了合金的硬度和耐磨性。

研究团队还对不同WS? + Ti含量下的合金进行了热力学模拟，以分析其相变行为和形成机制。模拟结果表明，随着WS?和Ti含量的增加，MS和Laves相的质量分数显著上升，而M??C?相则表现出一定的波动。这一现象可能与WS?和Ti在高温熔融过程中的分解和反应有关。在高温环境下，WS?会分解为S和W元素，而Ti则在高温下保持稳定。这些元素在熔融池中发生反应，形成新的相结构，从而影响合金的性能。

为了验证这些理论，研究团队对样品进行了详细的微观结构分析。结果表明，适量的WS?和Ti粉末能够促进(Ti, Cr)S自润滑相的形成，而过量的添加则可能导致材料的结构破坏。因此，研究团队通过实验确定了最佳的WS? + Ti含量，使得合金在高温条件下既能保持良好的耐磨性，又能有效降低摩擦系数。此外，研究团队还发现，不同WS? + Ti含量对合金的热稳定性具有显著影响，适量的添加能够提升材料的抗高温氧化能力，从而延长其使用寿命。

在实际应用中，激光熔覆技术不仅能够提升合金的性能，还能有效延长其使用寿命。研究团队通过对不同成分的合金进行测试，发现适量的WS?和Ti粉末能够显著改善合金的耐磨性和自润滑性能，同时提升其热稳定性。这些改进使得合金在高温摩擦环境下表现出优异的性能，从而满足冶金领域对高温耐磨部件的需求。此外，研究团队还发现，通过激光熔覆技术，可以实现对合金层的精确控制，使其具有良好的致密性和均匀性，从而提升其综合性能。

综上所述，本研究通过引入WS?和Ti粉末，成功实现了高温Fe基合金的性能提升，特别是在耐磨性和自润滑性能方面。通过系统的实验和分析，研究团队明确了不同成分对合金性能的影响机制，并确定了最佳的WS? + Ti含量。这些成果不仅为高温摩擦部件的再制造提供了新的思路，也为相关领域的材料开发和应用提供了重要的参考。未来的研究可以进一步探索不同成分对合金性能的影响，以及如何优化工艺参数以实现更高效的性能提升。