1、序言
在復(fù)雜惡劣的工況下，金屬零部件表面由于摩擦磨損導(dǎo)致金屬零部件表面失效和使用壽命下降，造成不可挽回的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致一系列安全事故的產(chǎn)生 [1]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，等離子噴涂 [2]、物理氣相沉積(PVD) [3]、化學(xué)氣相沉積(CVD)[4]、堆焊 [5]、滲碳 [6]、滲氮 [7]與激光熔覆 [8]等表面改性技術(shù)已被廣泛應(yīng)用，用來(lái)增強(qiáng)金屬零部件的表面硬度和摩擦磨損性能。激光熔覆技術(shù)是通過(guò)高能激光束對(duì)粉末或絲材進(jìn)行熔化后沉積到金屬基體表面進(jìn)行修復(fù)和強(qiáng)化的一種表面改性技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)，激光熔覆具有熔覆材料來(lái)源廣泛，金屬、合金、陶瓷和復(fù)合材料都可作為熔覆材料使用，通過(guò)對(duì)參數(shù)的控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)熔覆層形貌和性能的精確控制，以制備高質(zhì)量的熔覆層，通過(guò)制備高性能熔覆層，延長(zhǎng)金屬零部件的使用壽命，對(duì)損壞的金屬零部件進(jìn)行修復(fù)，降低更換成本，成為現(xiàn)代工業(yè)中最為重要的表面改性技術(shù)之一，具有廣闊的應(yīng)用前景 [9-12]。
鎳基合金具有良好的潤(rùn)濕性、抗氧化性、摩擦磨損性能、耐腐蝕性和自溶性等綜合性能，以及合適的價(jià)格，是激光熔覆的首選材料 [13, 14]。隨著社會(huì)工業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用環(huán)境對(duì)金屬零部件表面摩擦磨損性能的要求增加，單一的鎳基合金熔覆層，在應(yīng)對(duì)不同惡劣工況時(shí)，性能有限，為提高鎳基合金熔覆層應(yīng)對(duì)不同惡劣環(huán)境摩擦磨損的適應(yīng)能力，可以通過(guò)在鎳基合金熔覆層的基礎(chǔ)上添加不同的物質(zhì)來(lái)進(jìn)一步提高熔覆層的摩擦磨損性能。因此，通過(guò)對(duì)鎳基合金熔覆層中引入不同的元素、陶瓷相、自潤(rùn)滑相和稀土，通過(guò)不同物質(zhì)的第二相強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等特殊性能對(duì)微觀組織進(jìn)行改善和內(nèi)部缺陷的減少優(yōu)化，從而對(duì)鎳基合金熔覆層摩擦磨損性能進(jìn)行優(yōu)化提升的現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，并對(duì)未來(lái)鎳基合金熔覆層摩擦磨損性能的發(fā)展方向進(jìn)行展望和總結(jié)。
2、元素添加對(duì)熔覆層摩擦磨損性能的影響
不同元素可利用其不同性能作用于熔覆層從而改善其摩擦磨損性能。WANG等[15]為提高Inconel 625熔覆層的性能，以0.5%SiC添加量為定值，改變Nb元素的添加量來(lái)進(jìn)一步提升熔覆層的性能，相比于Inconel625熔覆層，隨著Nb元素的提升，促進(jìn)了NbC和Cr23C6硬質(zhì)相的析出，晶粒得到了細(xì)化，磨損機(jī)制由基體嚴(yán)重的磨粒磨損、黏著磨損和氧化磨損轉(zhuǎn)變?yōu)橥繉虞p微的磨粒磨損和氧化磨損。圖1所示為涂層在摩擦磨損中生成氧化膜，硬質(zhì)相分散在晶間和晶界，在摩擦磨損過(guò)程中疲勞應(yīng)力的作用下，硬質(zhì)相脫落，產(chǎn)生磨粒磨損和氧化磨損現(xiàn)象。但過(guò)多的Nb元素添加不利于析出相的均勻分布，使摩擦磨損性能下降。HUANG等 [16]研究了Ta元素添加對(duì)Ni60A/WC熔覆層性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著Ta元素的添加，TaC含量提升，在熔覆過(guò)程中促進(jìn)了WC的分解，Ta是強(qiáng)碳化物元素，易于C元素結(jié)合，降低了WC含量，降低了裂紋敏感性，細(xì)化了晶粒，促進(jìn)碳化物的均勻分布，當(dāng)Ta元素添加量為10%時(shí)具有最優(yōu)的摩擦磨損性能。YAN等[17]在Ni60AA粉末基礎(chǔ)上添加不同元素，制備Ni60AACu、Ni60AACuMo、Ni60AACuMoW三種熔覆層，以研究元素添加對(duì)Ni60AA熔覆層性能的影響規(guī)律，元素的添加導(dǎo)致熔覆層硬度下降，但Ni60AACu在室溫和600℃下?lián)碛凶顑?yōu)的摩擦磨損性能，在摩擦磨損過(guò)程中Cu取代部分Ni形成CuMo固溶體具有良好的減摩性能，導(dǎo)致在硬度下降的情況下具有比Ni60AA熔覆層更優(yōu)異的常溫和高溫摩擦磨損性能。
LI等[18]研究了添加Mo元素在Ni60AA/WC中對(duì)熔覆層的性能改善，在摩擦過(guò)程中熔覆層表面形成致密的氧化膜，氧化膜憑借自身硬度作為球與熔覆層之間的接觸介質(zhì)，進(jìn)而優(yōu)化熔覆層耐磨性，隨著Mo元素添加量的提升，裂紋呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì)，高熔點(diǎn)Mo元素與其他元素生成碳化物，析出作為成核點(diǎn)，細(xì)化了晶粒，抑制了裂紋的產(chǎn)生，過(guò)量的Mo元素增加了熔覆層與O元素的親和力，引入雜質(zhì)和氧化物，引起裂紋數(shù)量的提升，提升了熔覆層中M23(C，B)。相的強(qiáng)度，促進(jìn)Mo2C新相的產(chǎn)生，當(dāng)Mo元素添加量為1%時(shí)，具有最小的摩擦系數(shù)和磨損量，提升了熔覆層的摩擦磨損性能。FENG等[19]通過(guò)在Inconel625中添加Al元素改善熔覆層的性能，Al元素的添加促進(jìn)BCC含量的提高，與固溶強(qiáng)化效應(yīng)協(xié)同作用，提升了熔覆層的硬度和摩擦磨損性能。HONG等[20]以20%WC陶瓷顆粒為添加定量，改變Nb元素的添加量，來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化Q550鋼表面Ni60熔覆層的性能，Nb元素的添加促進(jìn)了沉積到熔覆層底部的WC殘留顆粒的分解，抑制了Cr7C3相的產(chǎn)生，促進(jìn)了NbC相的析出，但熔覆層的硬度隨Nb元素的添加逐漸下降，適量的Nb元素添加有利于熔覆層性能的提高，NbC由粗條狀轉(zhuǎn)化為細(xì)針狀，組織分布更加均勻，強(qiáng)化了熔覆層與基體的結(jié)合，當(dāng)添加3%Nb時(shí)，有效防止摩擦過(guò)程中硬質(zhì)相的脫落，進(jìn)一步提升了熔覆層的摩擦磨損性能。在鎳基熔覆層中控制元素的含量和比例，通過(guò)硬質(zhì)相的引入、固溶強(qiáng)化和晶粒細(xì)化等，使熔覆層耐磨性能達(dá)到理想效果。
3、陶瓷相添加對(duì)熔覆層摩擦磨損性能的影響
鎳基合金粉末具有良好的韌性和濕潤(rùn)性，單一鎳基合金粉末對(duì)熔覆層性能的提升具有局限性，陶瓷相具有高硬度、耐磨性、耐高溫等優(yōu)良性能，但與基體熱物理性能差距較大，易出現(xiàn)裂紋、剝落等現(xiàn)象，將陶瓷相添加到鎳基合金粉末中，可結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，制備高性能的金屬陶瓷復(fù)合熔覆層，通過(guò)陶瓷相的生成方式可分為直接添加和原位生成。LI等[21]以Ti粉和鎳包石墨粉作為TiC原位合成的元素來(lái)源，增強(qiáng)U71Mn鋼上Ni45熔覆層的性能，隨著Ti粉和鎳包石墨粉含量的提高，熔覆層中TiC衍射峰增強(qiáng)，熔覆層顯微硬度相較于Ni45熔覆層得到顯著提高，摩擦磨損性能呈現(xiàn)先提高后減少的趨勢(shì)，過(guò)量的添加導(dǎo)致熔覆層脆性提高，韌性下降，摩擦過(guò)程中產(chǎn)生大面積剝離，不利于摩擦磨損性能的提升，當(dāng)Ti+C含量為15%時(shí)，具有最優(yōu)的摩擦磨損性能。HU等[22]在304上熔覆不同WC含量的鎳基合金熔覆層，圖2所示為不同WC含量的磨損機(jī)理示意。由圖2可知，WC的添加抑制了枝晶長(zhǎng)大，溶解產(chǎn)生的W和C元素固溶并促進(jìn)增強(qiáng)相的生成，在第二相強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的綜合作用下，隨著WC含量的提升，摩擦磨損性能呈線性關(guān)系得到提升。LIU等[23]研究了在Ni50涂層中添加WC陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳基合金熔覆層的摩擦磨損性能，WC的添加有助于熔覆層微觀組織的細(xì)化，顯微硬度得到提高，殘存的WC鑲嵌在熔覆層中，可有效提升熔覆層的摩擦磨損性能，當(dāng)WC添加量為20%時(shí)具有最優(yōu)異的摩擦磨損性能。ZHAO等[24]以不同比例的TiC-TiN-B4C作為增強(qiáng)相添加在Ni204中制備熔覆層，添加10%TiC-10%TiN-10%B4C的鎳基合金熔覆層，具有最高的顯微硬度，最低的摩擦系數(shù)，在陶瓷相和其促進(jìn)生成的增強(qiáng)相的共同作用下，熔覆層摩擦磨損性能得到增強(qiáng)。NING等[25]通過(guò)有限元仿真分析發(fā)現(xiàn)Inconel625/SiC熔覆層與基體結(jié)合處，出現(xiàn)應(yīng)力集中，影響熔覆層的成形質(zhì)量，通過(guò)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)熔覆層性能進(jìn)一步分析，試驗(yàn)表明，隨著SiC含量的增加，熔覆層殘余應(yīng)力呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，微觀組織得到了細(xì)化，碳化物析出變多，對(duì)熔覆層硬度和摩擦磨損性能的提高具有積極作用。原位合成碳化物相比于直接添加，有利于減少陶瓷相與基體粉末之間的熱物性能差距，提升陶瓷相在熔覆層中的結(jié)合強(qiáng)度，但陶瓷相不同的引入方式仍不可避免的帶來(lái)裂紋等內(nèi)部缺陷，從而影響熔覆層耐磨性的進(jìn)一步提升。
4稀土添加對(duì)熔覆層摩擦磨損性能的影響
稀土元素的添加可通過(guò)細(xì)化晶粒，凈化組織、促進(jìn)硬質(zhì)相析出、產(chǎn)生固溶強(qiáng)化等提升鎳基合金熔覆層的成形質(zhì)量和摩擦磨損性能。SHI等[26]通過(guò)在65Mn鋼表面Ni60A/SiC熔覆層中添加稀土氧化物L(fēng)a2O3來(lái)進(jìn)一步改善熔覆層的性能，La2O3的加入促進(jìn)了熔池的流動(dòng)，促進(jìn)了硬質(zhì)相的生成，使元素和硬質(zhì)相分布更加均勻，細(xì)化了熔覆層組織晶粒，使
Ni60A/SiC熔覆層硬度和摩擦磨損性能得到進(jìn)一步的提升。ZHANG等[27]通過(guò)添加CeO2對(duì)Ni60/WC熔覆層性能進(jìn)行改善，CeO2的添加減少了熔覆層的內(nèi)部缺陷，晶粒尺寸得到細(xì)化，促進(jìn)了組織和元素的均勻分布，當(dāng)CeO2含量為2%時(shí)硬度和摩擦磨損性能達(dá)到最優(yōu)。LIANG等[28]在Ni60中添加4%CeO2、5%Y2O3和5%La2O3制備熔覆層與Ni60對(duì)比，如圖3所示，稀土改性熔覆層氣孔和裂紋含量下降，韌性提高，晶粒得到細(xì)化，元素分布均勻，有利于摩擦磨損性能的提升。SU等[29]在60Si2Mn表面Ni60A/Cr2C3熔覆層中添加不同含量Y2O3，探究稀土氧化物對(duì)熔覆層性能的影響，隨著Y2O3的添加，Ni60A/Cr2C3熔覆層裂紋和孔隙等內(nèi)部缺陷得到有效減少，熔覆層和基體具有更好的冶金結(jié)合，提高熔覆層的韌性，使復(fù)合涂層不易脫落，促進(jìn)了硬質(zhì)相的析出和均勻分布，當(dāng)Y2O3添加量為1.5%時(shí)(見(jiàn)圖4中M5樣品)，具有最低摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)曲線更加平滑，磨損量低，表現(xiàn)出最優(yōu)的綜合摩擦磨損性能。
GAO等[30]通過(guò)添加不同含量La2O3來(lái)改善Ni60熔覆層的性能，隨著La2O3的添加，熔覆層表面裂紋減少，XRD衍射峰產(chǎn)生偏移，產(chǎn)生晶格畸變，熔覆層中硬質(zhì)相析出減少，顯微硬度降低，但元素組織分布更加均勻，當(dāng)La2O含量為1.6%時(shí)，硬度曲線最為平緩，具有最低的摩擦系數(shù)，磨損深度最低，相比于Ni60熔覆層展現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦磨損性能。稀土元素的添加對(duì)物相的組成無(wú)顯著改變，提升熔池的對(duì)流作用，通過(guò)吸附夾雜物凈化組織，細(xì)化晶粒來(lái)提升熔覆層的耐磨性能。
5、自潤(rùn)滑相添加對(duì)熔覆層摩擦磨損性能的影響
在鎳基合金熔覆層中添加固體潤(rùn)滑劑h-BN、石墨、WS2等，可通過(guò)在摩擦過(guò)程中減少摩擦過(guò)程中的摩擦系數(shù)，提升熔覆層的摩擦磨損性能。LUO等[31]對(duì)激光熔覆制備Ni60/CNTs與Ni60作對(duì)比(見(jiàn)圖5)，CNTs在高能激光束的作用下分解，生成的C元素與Ni60中其他元素形成的碳化物，使Ni60/CNTs熔覆層硬度得到提高，CNTs具有良好的自潤(rùn)滑性能，且細(xì)化了晶粒尺寸，與碳化物協(xié)同作用，使Ni60/CNTs熔覆層摩擦磨損性能得到提高。ZHAO等[32]制備h-BN/Ni60和Nano-Cu/h-BN/Ni60兩種自潤(rùn)滑熔覆層與Ni60對(duì)比，固體潤(rùn)滑劑的添加，使自潤(rùn)滑熔覆層在25~600℃下發(fā)生高溫軟化，顯微硬度均低于Ni60熔覆層，h-BN具有優(yōu)良潤(rùn)滑性能，Cu包h-BN可減少熔覆過(guò)程中高能激光束對(duì)h-BN的燒損，Cu具有一定的潤(rùn)滑效能，高溫可生成CuO固體潤(rùn)滑劑，與h-BN共同作用，使熔覆層在25~600℃下摩擦系數(shù)得到明顯下降，提升熔覆層的摩擦磨損性能。ZHANG等[33]探究了不同含量NbC對(duì)Ni60/NbC熔覆層性能的影響，在最優(yōu)NbC含量熔覆層的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加固體潤(rùn)滑劑石墨烯來(lái)進(jìn)一步提升熔覆層的質(zhì)量，當(dāng)石墨烯添加量為10%時(shí)，熔覆層
與基體呈現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋和孔洞，石墨烯提高了熔覆層中C元素含量，促進(jìn)了硬質(zhì)相的析出，石墨烯的高導(dǎo)熱性提高了熔池的流動(dòng)性，細(xì)小NbC顆粒熔化重新凝結(jié)形成花瓣和棒狀大顆粒，和熔覆層其他硬質(zhì)相共同作用抑制了晶粒的生長(zhǎng)，提高了熔覆層的顯微硬度，有利于熔覆層摩擦磨損性能的提升。FENG等[34]制備NiCrBSi、單層NiCrBSi-30%WS2，雙層NiCrBSi-30%WS2三種熔覆層，WS2的添加，使熔覆層硬度得到下降，但在摩擦過(guò)程中形成硫化物潤(rùn)滑膜，有效減少了摩擦系數(shù)，摩擦磨損性能得到提升，雙層NiCrBSi-30%WS2具有最優(yōu)的摩擦磨損性能。固體潤(rùn)滑劑的添加可均勻分布于熔覆層中，在摩擦磨損中起潤(rùn)滑介質(zhì)作用，也形成潤(rùn)滑保護(hù)膜以減少摩擦過(guò)程中的磨損減少，激光熔覆過(guò)程中固體潤(rùn)滑劑受熱分解，一方面分解后元素與熔覆層一系列反應(yīng)有助于性能的提升，另一方面導(dǎo)致潤(rùn)滑相含量的減少，可通過(guò)在固體潤(rùn)滑相表面鍍Ni、Cu等減少和激光的直接接觸進(jìn)而減少潤(rùn)滑相的損失，因此在高溫條件下自潤(rùn)滑性能有待進(jìn)一步研究。
6、結(jié)束語(yǔ)
對(duì)于鎳基合金熔覆層成分調(diào)控，通過(guò)添加稀土、自潤(rùn)滑相、元素、陶瓷相來(lái)改善熔覆層摩擦磨損性能，但當(dāng)前鎳基合金體系不夠豐富，集中于常見(jiàn)的添加物，未來(lái)可進(jìn)一步拓展不同添加物質(zhì)的研究范圍。對(duì)金屬零部件表面激光熔覆鎳基合金熔覆層局限于零部件形狀，金屬基體形狀多為平面或圓軸基體，缺乏對(duì)于曲面、弧形等不規(guī)則形狀表面鎳基合金熔覆層摩擦磨損性能的研究，且對(duì)于鎳基涂層摩擦磨損性能應(yīng)用環(huán)境的研究，多集中于干摩擦方面，實(shí)際鎳基合金耐磨熔覆層，應(yīng)用在更為惡劣復(fù)雜的環(huán)境中，缺乏對(duì)于高溫高壓環(huán)境，強(qiáng)酸腐蝕等極端環(huán)境下的摩擦磨損性能研究,且研究成果轉(zhuǎn)換率低。不同的物質(zhì)添加對(duì)鎳基涂層的摩擦磨損性能的影響具有差異性,當(dāng)前對(duì)各類常見(jiàn)鎳基合金熔覆層體系摩擦磨損性能的提升具有大量的研究,但缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)和相關(guān)軟件對(duì)其進(jìn)行歸納總結(jié)，為激光熔覆鎳基合金的進(jìn)一步研究和實(shí)際工業(yè)修復(fù)使用提供方便的查詢支持，從而進(jìn)一步推動(dòng)鎳基合金熔覆層的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。
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（注，原文標(biāo)題：激光熔覆鎳基合金摩擦磨損性能的研究進(jìn)展）
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