激光熔覆扫描路径对Fe-0.3C-15Cr-1Ni合金涂层微观结构、磨损性能及耐腐蚀性的影响

《Surface and Coatings Technology》：Effects of laser cladding scanning paths on the microstructure, wear, and corrosion resistance of Fe-0.3C-15Cr-1Ni alloy coatings

基于Fe-0.3C-15Cr-1Ni合金的激光熔覆涂层在3Cr13不锈钢基体上制备，系统研究了单向扫描、分区扫描和垂直扫描三种路径对涂层微观结构、硬度及耐蚀/耐磨性能的影响。结果表明单向扫描形成"十字"晶枝结构，硬度达38.3 HV?（较其他路径高12.1 HV?），摩擦系数最低，腐蚀电流密度最低且电荷转移电阻最高，综合性能最优。

　　

郭铁明|姜一真|魏耀冰|梁泽芬|董康|张瑞华|任冠辉

中国兰州工业大学有色金属先进加工与回收国家重点实验室，兰州，730050

摘要

本研究采用激光熔覆技术在3Cr13不锈钢表面制备了Fe-0.3C-15Cr-1Ni双层多道涂层。通过系统研究三种不同扫描路径（分区扫描、单向扫描和垂直扫描）对涂层微观结构、耐磨性和耐腐蚀性的影响，最终确定了最佳的扫描策略。结果表明，单向扫描路径生成了最多的细小晶粒，且单向熔覆层的非重叠区域呈现出独特的“十字形”树枝状结构。该路径还获得了最高的平均显微硬度，其重叠区域的平均硬度分别比分区扫描和垂直扫描高出12.1 HV?和38.3 HV?。摩擦系数依次为：单向扫描 < 分区扫描 < 垂直扫描；单向扫描样品的磨损机制以氧化磨损为主，表现出最佳的耐磨性。在腐蚀性能方面，单向扫描样品的腐蚀电流密度最低，钝化区域最宽，开路电位最正。其电荷转移电阻分别比分区扫描和垂直扫描样品高出14.07%和13.67%，进一步证实了其优异的耐腐蚀性。综上所述，单向扫描路径在硬度、耐磨性和耐腐蚀性方面均表现出最佳性能，这归因于其有利的微观结构以及合金元素在碳化物和基体之间的有效分布。

引言

经过半个世纪的发展，激光熔覆技术已从实验室研究完全过渡到大规模工业应用，广泛应用于航空航天、油气、模具制造和机械动力等行业[1][2][3][4]。在这些领域中，尤其是油气行业，各种设备和机械的部件极易受到磨损和腐蚀的影响。与其他表面涂层制备方法相比，激光熔覆具有稀释率低、热影响区小以及基体材料选择范围广等显著优势[5][6][7][8][9][10]。因此，激光熔覆技术在提高设备及其部件的表面硬度（尤其是耐磨性和耐腐蚀性）方面具有巨大的潜力和广阔的应用前景。3Cr13不锈钢具有均衡的综合性能[11]。然而，其硬度[12]和耐腐蚀性不足，难以满足高应力、高腐蚀性环境的要求[13][14]。因此，使用具有类似成分但性能更优的Fe-0.3C-15Cr-1Ni合金粉末制备耐磨耐腐蚀涂层，对于延长其使用寿命和扩大应用范围至关重要[15][16]。

熔覆层的质量和性能受激光熔覆工艺参数的影响。调整这些参数对于优化熔覆层的质量和性能至关重要。关键工艺参数包括激光功率、扫描速度、重叠率和扫描路径[17][18][19]。已有大量研究探讨了前三个参数的影响，但其对耐腐蚀性的影响尚未得到系统报道。卢旭飞等人[20]在LSF过程中对退火后的TC4钛合金基底进行了原位测量，监测了整个过程中的温度和变形演变情况，并利用校准模型研究了不同扫描路径对成形部件热机械场演变的影响。研究表明，单向和双向扫描路径显著影响了残余应力和变形的大小和分布。刘浩等人[19]结合数值模拟和实验方法，研究了传统单向顺序扫描、分段导向扫描路径和实时温度反馈扫描路径对熔覆层瞬态温度场、微观结构和涂层性能的影响。研究发现，扫描路径显著影响了涂层内的显微硬度分布和温度梯度。此外，不同扫描方法下的涂层表面残余应力水平也有所不同。傅伟等人[21]研究了不同扫描路径对多层多道沉积激光熔覆过程中残余应力的影响，发现垂直交错层的分区扫描路径和垂直交替层的扫描路径均降低了熔覆层的残余应力，其中垂直交错层的分区扫描路径产生的残余应力最低。董摩翰等人[22]研究了扫描路径对多道激光熔覆层残余应力及摩擦学性能的影响，发现往复扫描路径导致的表面残余应力最低，而单向扫描路径的熔覆层磨损率最低。赵宇等人[23]系统研究了三种不同扫描策略对YCF104合金层微观结构和机械性能的影响，发现随着熔覆路径引起的重熔区的增加和温度分布均匀性的改善，微观结构更加均匀，晶粒进一步细化，材料的抗压强度和耐磨性显著提高，同时降低了孔隙率和裂纹形成。由此可见，现有研究尚未涉及熔覆层的耐腐蚀性。因此，在研究微观结构和机械性能的基础上，我们进一步探讨了不同扫描路径对熔覆层耐腐蚀性的影响。

本研究采用激光熔覆技术在3Cr13马氏体不锈钢基底上制备了Fe-0.3C-15Cr-1Ni铁基合金熔覆层。通过设计和比较不同的扫描路径，系统研究了扫描路径（一个关键工艺变量）对熔覆层“工艺-结构-性能”关系的调控作用，重点关注其在磨损和腐蚀条件下的综合性能。最终目的是阐明扫描路径对熔覆层整体性能的影响，并确定一种能够显著提高多层多道激光熔覆层硬度、耐磨性和耐腐蚀性的最佳扫描策略。本研究的结果旨在为实际生产中解决相关性能瓶颈提供直接的理论支持和实用工艺指导。在工业实践中，可根据具体服务条件和生产限制，根据这些结论合理规划扫描路径，以优化产品性能并确保经济效益。

章节摘录

材料

基底材料为经过热处理的3Cr13马氏体不锈钢，熔覆粉末为自主研发的基于不锈钢的合金。基底和熔覆粉末的化学成分见表1。熔融粉末的形态和粒径分布见图1，粒径范围为65至152 μm，D50为95 μm。

实验前，熔覆粉末在120°C的真空烘箱中进行了干燥处理

不同扫描路径制备的熔覆层宏观形态分析

图4(a₁–c₁)展示了经过染料渗透测试后不同扫描路径制备的激光熔覆层的宏观图。检测结果表明，所有双层多道Fe-0.3C-15Cr-1Ni熔覆层均无可见裂纹或缺陷，表明其结构完整。

图4(a₂–c₂, a₃, c₃)展示了不同扫描路径制备的熔覆层的横截面形态及相应的渗透深度测量结果

分析与讨论

基于上述分析，与分区扫描和垂直扫描相比，单向扫描制备的熔覆层呈现出“十字形”树枝状结构，碳化物含量最低，基体中的铬含量较高，铬在基体和碳化物之间的分布最为均匀。因此，单向扫描熔覆层具有最佳的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。

结论

本研究系统研究了不同扫描路径对3Cr13不锈钢基底上激光熔覆制备的Fe-0.3C-15Cr-1Ni双层多道合金涂层微观结构和综合性能的影响。通过比较三种扫描路径（分区扫描、垂直扫描和单向扫描），得出以下主要结论：

(1)

扫描路径通过改变热量分布显著调控了凝固微观结构

CRediT作者贡献声明

郭铁明：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、方法论设计、资金筹集、概念构思。姜一真：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、实验研究。魏耀冰：监督、资源协调、项目管理、资金筹集。梁泽芬：监督、实验研究。董康：数据分析。张瑞华：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金筹集。任冠辉：

未引用参考文献

[45]

利益冲突声明

我们声明与所提交的工作无关的任何商业或关联利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52161007）、甘肃省科技重大项目（编号：22ZD6GA008）、深圳市重大科技项目（编号：CJGJZD20240729113704006）以及深圳市关键技术研究项目（编号：JSGG20210420091802007）的财政支持。