不同转速摩擦堆焊制备的718高温合金涂层的微观组织、高温硬度与耐磨性

《Surface and Coatings Technology》：Microstructure, high-temperature hardness and wear resistance of superalloy 718 coatings fabricated at different rotational speeds via friction surfacing

　　

摘要

通过摩擦堆焊（FS）在三种转速（300 rpm、500 rpm 和 700 rpm）下成功制备了摩擦堆焊的 Inconel 718（FSed In718）涂层，以研究转速对微观组织、高温硬度和耐磨性的影响。随着转速的升高，产生的摩擦热也随之增加。该热量促进了材料流动，导致 FSed 涂层的厚度、宽度和表面粗糙度减小。电子背散射衍射（EBSD）分析表明，在 300 rpm 和 500 rpm 下制备的 FSed In718 涂层表现出相对均匀的微观组织，揭示了热输入与散热之间的平衡，而在 700 rpm 下制备的涂层则因冷却不均匀而呈现不均匀的微观组织。值得注意的是，在 500 rpm 下制备的 FSed In718 涂层在室温下达到了最高硬度（281.9±7.95 HB），这归因于其最小的晶粒尺寸和增加的高角度晶界。硬度和耐磨试验分别在 25 °C、400 °C、600 °C 和 700 °C 下进行。FSed In718 涂层的硬度随温度升高而逐渐降低，但在 700 °C 时呈现出明显的回升。FSed In718 涂层在宽温度范围内表现出优异的耐磨性。随着温度升高，磨耗率降低，这归因于致密氧化层的形成，该氧化层起润滑作用。在所考虑的所有温度下，500 rpm 制备的 FSed In718 涂层均表现出最低的磨耗率，这归因于其均匀的细晶微观组织和最高硬度。此外，对磨损区域的 X 射线光电子能谱（XPS）分析显示 Cr³⁺ 含量最高，表明保护性氧化层（Cr₂O₃ 和 NiFe₂O₄）进一步增强了耐磨性。

引言

基于摩擦的技术近年来因其固态特性而备受关注，该技术可在不熔化材料的情况下提高表面性能 [1]、[2]。搅拌摩擦加工、搅拌摩擦焊和摩擦堆焊已成功应用于铝、镁、镍基合金和不锈钢等多种合金，突显了其在表面改性应用中的广泛适用性 [3]、[4]。摩擦堆焊（FS）是一种近年来发展起来的基于摩擦的表面工程技术，用于制备高性能涂层。它可在相似材料和异种材料上实现表面增强，其优势在于难以通过熔化法沉积或涂覆的材料可通过 FS 有效加工 [5]。FS 是一种固态工艺，使用消耗型棒材在基体上制备沉积涂层而无需熔化。该方法可最大程度地减少凝固裂纹、气孔和其他缺陷的发生 [6]、[7]。该工艺涉及一根承受轴向力的旋转消耗型棒材与基体相互作用。这种相互作用在消耗型棒材与基体之间的界面产生摩擦热，导致消耗型棒材发生严重塑性变形（SPD）[8]。随后，沿基体横向运动流动的塑性材料被沉积为具有特定厚度的涂层。

镍基合金由于其优异的高温机械性能和耐腐蚀性能，常用于高温应用领域。Inconel 718（In718）是镍基合金之一，广泛用于航空航天工程，包括涡轮叶片、盘、轴和叶片等部件，使用温度高达 650 °C [9]、[10]。近年来，各种表面工程技术包括选择性激光熔化、激光熔覆和高压冷喷涂已被用于制备 In718 涂层或改性其表面 [11]、[12]、[13]。尽管这些方法改进了机械性能，但激光表面加工过程中由于熔化和凝固可能引入气孔和缺陷，而冷喷涂中相邻飞溅颗粒之间可能结合不充分。这些缺陷会促进应力集中和裂纹萌生，降低结构完整性，削弱耐腐蚀性并缩短使用寿命。

因此，FS 被认为是一种利用实心棒材作为消耗材料制备涂层或修复的可靠技术 [4]、[14]、[15]。近年来对 In718 合金的研究主要集中在机械性能和沉淀强化的影响上 [15]、[16]、[17]。然而，关于 FSed In718 涂层高温性能的研究明显不足，特别是在高温硬度和高温耐磨行为方面。Rai 等人 [16] 报道，FSed In718 涂层（300 HV_0.5）比 In718 基体（200 HV_0.5）更硬，且在时效处理后涂层和基体均增强至峰值硬度 472 HV_0.5，因为硬度主要由强化析出相控制。根据先前的研究，涂层的性能与 FS 参数直接相关，包括转速、进给速度、轴向力或进给率以及倾斜角 [6]、[18]。Daniel 及其同事 [17] 研究了轴向力（6–8 kN）、转速（1000–1400 rpm）和进给速度（24–36 mm/min）对 FSed In718 涂层剪切和拉伸强度的影响。结果表明，随着转速增加，晶粒尺寸增大，这归因于摩擦热增加促进了晶粒生长。

本研究展示了通过 FS 成功制备无缺陷涂层。与上述传统涂层技术通常仅限于薄沉积且容易产生缺陷不同，FS 可实现厚而宽的涂层沉积，并与基体形成牢固的金属冶金结合。它还提供了更高的材料利用率和效率。此外，在 FS 的各种加工参数中，转速起着关键作用，通常被选为研究参数，因为它强烈控制热输入和材料流动，从而决定涂层的微观组织和性能。而且，现有文献主要关注涂层的热处理过程或室温下的机械性能。然而，FS 制备 In718 涂层的主要目的是提供增强的表面服役性能，而 In718 的服役条件为高温应用，因此全面理解其在高温下的行为至关重要。因此，为填补这一研究空白，本研究旨在考察转速对 FSed In718 涂层微观组织、高温硬度和高温耐磨性的影响。本研究结果可为通过 FS 工艺优化 In718 涂层转速提供有价值的见解，提升 In718 涂层的性能和耐久性，特别是在高温条件下。

章节摘要

试样制备

采用 Inconel 718（In718）圆柱棒（直径 14 mm，长度 100 mm）和 AISI 304 奥氏体不锈钢板（50×100×6 mm）分别作为消耗棒材和基体。其化学成分列于表 1 中。用于 FS 的 In718 消耗棒材在 1066 °C 下退火 1 小时（标记为 SA718），并加工去除表面氧化层。沉积前，消耗棒材和基体均用乙醇脱脂。FS 制备 In718 的装置示意图如下。

表面形貌与热分析

通过三维光学显微镜（3D OM）在不同转速下制备的 FSed In718 涂层的横截面视图和顶视图，包括前进侧（AS）、中心（C）和回退侧（RS），分别如图 3 和图 4 所示。此外，相应 In718 消耗棒材的飞边形成外观如图 3 所示。FSed In718 涂层成功沉积在 304 基体上，无气孔或裂纹。涂层与基体结合良好，局部存在

结论

通过摩擦堆焊在三种转速（300 rpm、500 rpm 和 700 rpm）下成功制备了 FSed In718 涂层，关于微观组织和高温硬度及耐磨性的结果如下：

• (1)
  所有 FSed In718 涂层均表现出细化晶粒结构，其中 FSed In718-300 rpm 和 FSed In718–500 rpm 表现出均匀的微观组织，而 FSed In718-700 rpm 呈现不均匀的微观组织，具有粗晶和细晶交替分布的带状结构。这

作者贡献声明

Wai I. Lam： 撰写 – 初稿，调查研究，形式分析。Ka Kit Leong： 调查研究，形式分析。Qian Qiao： 方法论，调查研究，数据整理。Dawei Guo： 撰写 – 审稿与编辑，方法论，经费获取，概念构思。Hongchang Qian： 撰写 – 审稿与编辑，调查研究。Dawei Zhang： 数据整理。Zhixiong Zhu： 形式分析。Yongyong Lin： 形式分析。Lap Mou Tam： 监督，资源提供。Chi Tat Kwok： 撰写 – 审稿与编辑，

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益关系或个人关系。

致谢

作者感谢澳门特别行政区科技基金（FDCT）（0110/2023/AMJ）和国家重点研发计划（2023YFE0205300）提供的经费支持。

Wai I. Lam|Ka Kit Leong|Qian Qiao|Dawei Guo|Hongchang Qian|Dawei Zhang|Zhixiong Zhu|Yongyong Lin|Lap Mou Tam|Chi Tat Kwok

澳门大学机电工程学院，中国澳门，999078