-
0 前言
-
激光熔覆技术是以高能密度（104～106 W / cm2） 的激光束为热源，在惰性气体的保护下，按照设定扫描轨迹，将激光束照射于同步送出或预先涂覆在基体表面的材料上，使熔覆材料和基体表层迅速熔化，快速凝固，最终形成与基体具有冶金结合特性的功能性涂层，从而显著改善基体表层性能[1-2]。相比于其他表面强化技术（堆焊、热喷涂、电镀等），激光熔覆技术具有冷却速度快（102～106℃ / s）、能量利用率高、对基材损害程度低和熔覆材料选择种类多等优点[3-5]，受到了广大研究者的关注。WU 等[6]采用激光熔覆技术在 316L 不锈钢表面制备 TiC 增强的 FeNiCoCr 高熵合金涂层，并研究其电化学腐蚀和气蚀行为。曹佳俊等[7]在 AISI 1045 钢表面通过激光熔覆 FeCoCrNiAl0.5Ti0.5涂层，并研究了熔覆层的微观结构、物相组成、界面特性和摩擦磨损性能。王权等[8] 在 45 钢表面利用激光熔覆技术制备 Ni60、 Ni60-10%Cu、Ni60-20%Cu（wt.%）三种耐磨复合涂层，并对三种涂层的耐磨性进行对比分析。
-
根据熔覆材料的类型，激光熔覆可分为粉末熔覆（Laser cladding with powder，LCP）和丝材熔覆 （Laser cladding with wire，LCW）两大类。近年来，热丝激光熔覆技术（Laser hot wire cladding，LHWC） 受到广泛关注。该技术是将熔覆丝材在进入熔池前通过加热装置进行连续稳定加热，再利用高能激光能量，将丝材与基材表面同时熔化、凝固与沉积的一种增材制造技术[9-10]。表1 列出了热丝激光熔覆与传统的丝材熔覆及粉末熔覆的特性[11-13]，对比可以看出热丝激光熔覆技术具有材料利用率高、熔覆效率高、能量利用率高、稀释率低和环保性好等优点，在机械装备自动化生产再制造过程中具有极大优势和发展空间[14-20]。方裕存等[12]采用热丝激光熔覆技术在垃圾焚烧炉的膜式壁受热面上熔覆 Inconel625 镍基合金。ZHANG 等[14]采用热丝激光熔覆的方法沉积钴基金属芯线，并研究送丝速度和扫描速度等工艺参数对熔覆层几何特性 （高度、润湿角和稀释率）的影响。ZHAO 等[21] 采用热丝激光熔覆技术制备高耐磨的 Ni / WC 涂层。张安琪等[22]研究热丝激光熔覆 17-4PH 涂层组织与腐蚀磨损性能。
-
W6Mo5Cr4V2（M2）高速钢碳化物细小均匀、韧性高、热塑性好，具有良好的高温力学性能、热疲劳性、导热性和耐磨耐蚀性能等，是一种优良的模具和高速切削用钢，常用于制作热成形刀具和承受冲击、结构薄弱的刀具，也是一种重要的表面涂层材料体系。BENYOUNIS 等[23]研究了激光表面熔凝和快速凝固对 M2 高速钢组织的影响，发现激光表面熔凝可使碳化物完全溶解，并形成极细尺度的胞状 / 枝晶结构，周围为连续的枝晶间（或胞状间） 共晶网络。激光表面熔凝使组织细化，改变了相的形貌和分布，但显微硬度没有提高。CANDEL 等[24] 利用激光熔覆技术在中碳 AISI1045 钢表面制备了 M2 高速钢涂层，并对熔覆层进行热处理以消除残余奥氏体和促进二次碳化物的沉淀，以提高涂层硬度。许明三等[25]研究了 40Cr 基材表面激光熔覆 W6Mo5Cr4V2涂层，发现显微组织的结晶形态从结合区到熔覆层顶部由平面晶向树状晶发展，熔覆层与基材呈冶金结合。ZHANG [26]采用超高速激光熔覆技术在42CrMo钢基材表面制备了厚度为0.3 mm无缺陷的 M2 钢涂层。目前激光熔覆 M2 钢的报道主要集中在直接成形态的组织表征、热处理对组织和力学性能的影响等方面，对其在腐蚀环境下的摩擦学性能报道较少。
-
本文采用热丝激光熔覆技术在 20 钢基材表面制备 Cr-W-Mo-V 钢涂层，研究涂层的组织结构、摩擦磨损性能、电化学腐蚀性能及在 3.5 wt.% NaCl 溶液中的腐蚀磨损行为。本文不仅可为材料表面改性提供新的思路和方法，还可为 Cr-W-Mo-V 钢涂层在磨损腐蚀等苛刻环境下使用提供基础数据。
-
1 材料及方法
-
1.1 样品制备
-
基材选用 80 mm×160 mm×20 mm 的 20 钢板材。熔覆材料选用 Cr-W-Mo-V 绞股焊丝，直径1.6 mm，化学成分（质量分数）如表2 所示。
-
采用陕西天元智能再制造股份有限公司研发的 ProLC-3000MT 高速丝材激光熔覆设备制备涂层，激光波长 1 064 nm，光斑直径 3 mm，工作原理如图1 所示。结合王强等[27]的研究工作，采用优化后的工艺参数为：激光功率 2 600 W，扫描速度 50 mm / s；采用侧向 45°送丝，送丝方向平行于扫描方向，送丝速度 10 mm / s，搭接率 30%，采用氩气保护，气体流量 20 L / min。丝材加热采用直流电源，电源负极连接工件，电源正极连接导电嘴，丝材穿过导电嘴与其形成电性接触，利用丝材自身电阻对其预热，预热温度 800℃。
-
图1 热丝激光熔覆示意图
-
Fig.1 Schematic diagram of laser hot wire cladding
-
1.2 结构表征及性能测试
-
利用 XRD-7000 型 X 射线衍射仪（Cu 靶 λ=1.5406 Å）对涂层进行物相分析，操作电压 40 kV，工作电流 30 mA，扫描速度 2（°） / min，扫描范围 20°～100°。采用光学显微镜、扫描电子显微镜观察分析涂层的微观形貌和组织。金相制备样品尺寸 10 mm×10 mm×3 mm，腐蚀液为王水（浓盐酸：浓硝酸=3∶1），腐蚀时间 30 s。采用维氏显微硬度计分析涂层到基材的硬度变化，加载载荷 100 g，保载时间 15 s。采用 MFT-EC4000 往复电化学腐蚀摩擦磨损试验仪，测试涂层与基材干摩擦条件下的摩擦因数以及在 3.5 wt.% NaCl 溶液中的极化曲线、电化学阻抗谱和不同滑动摩擦载荷下的开路电位、极化曲线和恒电位电流密度，其测试原理如图2 所示。摩擦副为直径 5 mm 的 Al2O3 球，电化学测试采用三电极体系，参比电极为 Ag / AgCl（饱和 KCl），辅助电极为石墨电极。测试样品规格为 20 mm×10 mm×3 mm，试验前采用砂纸进行打磨，采用酒精和丙酮清洗去油。测试采用开路电位稳定 10 min，加载滑动摩擦 40 min，卸载后再钝化 10 min，测试时间共 60 min。
-
图2 磨损腐蚀装置示意图
-
Fig.2 Schematic diagram of tribocorrosion test
-
2 结果与讨论
-
2.1 热丝激光熔覆涂层组织与物相
-
热丝激光熔覆过程稳定，烟尘、飞溅小，熔覆层表面平整、光滑、无金属颗粒和宏观裂纹等缺陷，具有金属光泽，成形质量良好，热丝激光熔覆涂层宏观形貌如图3 所示。图4 所示为涂层截面金相组织，分为熔覆层、结合区和基材三部分。熔覆层厚度约 1 350 μm，热影响区极小。从中可以明显看出，熔覆层与基材的熔合线较为平直（4a），稀释率只有 2%，远远小于普通熔覆，结合区主要为柱状晶（4d），保证了熔覆层与基材的冶金结合。熔覆层中部和上部主要为胞状晶（4b、4c）。熔覆层显微组织与热丝激光熔覆凝固过程密切相关。熔覆丝在电阻热及高能激光束的照射下急速熔融，表面熔化层通过冷态基材的热传导作用快速凝固，使熔池的凝固生长界面明显偏离平衡态。生长形态主要受现状控制因子 （温度梯度 G / 凝固速率 R）控制。一般情况下，在界面结合区，温度梯度 G 最大，凝固速率 R 最小，首先以无晶核直接在基材上通过外延方式生长出一层平面晶。但由于热丝熔覆极快速凝固特征，平界面失稳，形成柱状晶。随着固 / 液界面的推进，温度梯度减小，生长速率增大，发生柱状晶向胞状晶转变，在熔覆层中部和上部形成胞状晶组织。
-
图3 热丝激光熔覆涂层宏观形貌
-
Fig.3 Macro-morphology of the LHWC coating
-
图4 热丝激光熔覆涂层横截面的金相组织
-
Fig.4 Microstructure of the cross section of LHWC coating
-
图5 为熔覆丝和热丝激光熔覆涂层的 X 射线衍射图谱。从图中可以看出，熔覆丝主要是单相 BCC 结构，而涂层主要由马氏体、碳化物和残余奥氏体等物相组成。单相 BCC 的熔覆丝，经预热及高能激光加热熔化，由于基材的急冷作用，凝固过程发生马氏体相变，同时由于 V、W、Mo 等元素与 C 之间有较强的亲和力，凝固过程也析出了大量碳化物。 W、Mo、V、Cr 都是提高奥氏体稳定性和降低马氏体转变点 Ms和 Mf的元素，所以快冷发生马氏体转变后的组织也含有较多的残余奥氏体。
-
图5 热丝激光熔覆 Cr-W-Mo-V 涂层及熔覆丝的 XRD 图谱
-
Fig.5 XRD of Cr-W-Mo-V cladding wire and LHWC coating
-
2.2 热丝激光熔覆涂层显微硬度
-
图6为热丝激光熔覆Cr-W-Mo-V钢涂层的显微硬度分布图。沿 Cr-W-Mo-V 涂层横截面熔深方向由表面至基材每隔 100 μm 测试显微硬度，从图中可以看出，硬度从激光熔覆区到基材有明显的下降，涂层硬度变化不大，约为 780 HV0.1，基材的硬度约为 120 HV0.1，涂层硬度约为基材硬度的 6.5 倍。这主要是涂层中马氏体和碳化物决定的。
-
图6 激光热丝熔覆 Cr-W-Mo-V 涂层的显微硬度
-
Fig.6 Microhardness of LHWC Cr-W-Mo-V coating
-
2.3 热丝激光熔覆涂层的摩擦磨损
-
图7 为热丝激光熔覆涂层与基材干摩擦条件下摩擦因数随摩擦时间变化曲线和磨损量。可以看出， 20 钢基材的摩擦因数为 0.18～0.23，而涂层的摩擦因数为 0.15～0.18。涂层的摩擦因数较基材低，且磨损量远小于基材。这主要是由于涂层富含马氏体组织，较基材的亚共析钢组织具有更高的硬度和更好的耐磨性。较低的摩擦因数也说明在干摩擦过程中涂层表面状态改变较小，磨屑不易产生，从而导致较小的表面粗糙度变化。
-
图8 为热丝激光熔覆涂层在干摩擦条件下施加不同载荷的摩擦因数变化曲线。可以看出，随摩擦进行，摩擦因数逐渐趋于稳定，且摩擦因数随着载荷增大而下降。这是由于随载荷增大，局部应力迅速升高，使涂层表面出现微凸峰，并破碎形成磨屑。这些碎屑在摩擦过程中具有一定润滑作用，使得摩擦因数有所下降。图9 为涂层在干摩擦条件下施加不同载荷时的磨损形貌图，从图中可以看出随载荷的增大，磨损宽度逐渐增大，这与载荷的增加造成摩擦副接触面积的增大有关。图9b、9d 显示在加载 5 N、10 N 时，磨痕主要呈犁沟形貌，这是因为涂层硬度高，当载荷较小时，摩擦副之间的接触面积小、应力大，硬凸起物和粗糙峰在摩擦过程中被挤压、剪切，产生磨粒，对接触面产生“犁削”作用，此时主要发生磨粒磨损。图9f、9h 中犁沟痕迹变浅，并出现大量白色的磨损颗粒残留。这是因为摩擦载荷增大使得微凸体之间的“犁削”作用增强，产生更多的磨屑颗粒，同时摩擦副接触区域局部温度升高，发生黏着，产生局部剥落，此时发生磨粒磨损和黏着磨损。图10 为 20 N 条件下磨痕表面残留物的 EDS 电子图像，表3 给出了图中各点的元素分析结果。可以看出，点 2 和点 3 处的磨屑颗粒 O 元素的原子百分比分别为 40.2%和 44.2%，而 Fe 元素含量分别为 34.5%和 31.1%，即点 2 和点 3 中 Fe：O 约为 3：4，故可以推断磨屑颗粒主要为 Fe 的氧化物，说明摩擦过程也发生了氧化磨损。各载荷条件下都可能存在氧化磨损[28]。但摩擦载荷越大，引起的接触界面温度升高越大，促进了氧化过程，从而磨痕表面残留的氧化颗粒越多。因此，高摩擦载荷作用下主要发生了磨粒磨损、黏着磨损和氧化磨损。
-
图7 热丝激光熔覆涂层与基材的摩擦因数随时间变化的曲线及磨损量
-
Fig.7 Friction factor and wear loss of the LHWC coating and substrate
-
图8 不同载荷下热丝激光熔覆涂层的摩擦因数
-
Fig.8 Friction factor of the LHWC coating at various loads
-
图9 不同载荷下热丝激光熔覆涂层的磨痕形貌
-
Fig.9 Wear morphology of the LHWC coating at various loads
-
图10 热丝激光熔覆涂层磨痕表面 EDS 图
-
Fig.10 EDS image of LHWC coating after wear
-
图11 为不同载荷下热丝激光熔覆涂层的磨损体积，随载荷增加，涂层的磨损体积不断增大。图12 是涂层在不同载荷下的磨痕轮廓，可以明显看出，当载荷为 5 N、10 N 时磨痕轮廓相差不大，而当载荷增加到 15 N、20 N 时，磨痕在深度和宽度上均有明显增大。这是由于当载荷较小时，氧化铝球与高硬度的涂层的摩擦接触面积也较小，在摩擦过程中磨损表面的破坏较轻，磨屑的产生较少，磨损量也较少。而当施加大载荷时，涂层局部所受应力骤增，导致温度升高，硬度下降，促进磨屑产生与局部剥落，从而导致材料损失增加，使得摩擦副接触面积增大，磨痕宽度增加。随摩擦进行，涂层表面粗糙度增加，加速磨损，导致磨痕深度增大。
-
图11 不同载荷下热丝激光熔覆涂层的磨损体积
-
Fig.11 Wear volume of LHWC coatings at various loads
-
图12 不同载荷下热丝激光熔覆涂层的磨痕轮廓
-
Fig.12 Profile and size of LHWC coatings at various loads
-
2.4 热丝激光熔覆涂层的电化学腐蚀
-
热丝激光熔覆涂层与基材在 3.5 wt.% NaCl 溶液中的极化曲线如图13 所示，自腐蚀电位和自腐蚀电流密度如表4 所示。从图中可以看出，与基材相比，涂层的自腐蚀电位 Ecorr更正，自腐蚀电流密度 Icorr更小，且钝化响应比基材快，钝化膜维持时间也比基材长，所以涂层具有更好的耐蚀性能。这是由于涂层材料中含有 Cr、V 等易钝化元素，而且热丝激光熔覆后涂层中马氏体中固溶大量的易钝化元素，并与基材之间形成良好的冶金结合，组织更加致密，从而呈现比基材更加优异的耐蚀性。
-
图13 热丝激光熔覆涂层与基材极化曲线
-
Fig.13 Polarization curves of the LHWC coating and substrate
-
热丝熔覆涂层与基材在 3.5 wt.% NaCl 溶液中的电化学阻抗谱如图14 所示。图14a 为涂层与基材的 Nyquist 曲线，对比可以看出，二者在高频区域均表现为单一的容抗弧特征，但涂层容抗弧半径远大于基材，这说明涂层的腐蚀阻力更大。图14b 为涂层与基材的 Bode 图。Bode 图中，阻抗模值反映材料耐蚀阻力的大小，相位角反映膜层阻挡介质的作用。从阻抗模值随频率变化关系可知，在低频区熔覆层的阻抗模值大于基材，从相位角随频率变化关系可知，涂层的最大相位角大于基材、最大相位角频率范围也更宽。说明涂层具有更高的腐蚀阻力和更强的表面钝化膜阻挡介质能力。这是由于涂层和基材在 NaCl 溶液中的腐蚀相当于一个电解池反应。涂层中的 W、Mo、Cr、V 等元素极易在涂层表面生成一层致密、稳定的钝化膜，使涂层表面与溶液隔离，阻挡溶液中 Cl− 的迁移，降低膜层的溶解速率。同时，钝化膜中 Cr、Mo 等可形成 Cr2O3、MoO2 等稳定致密的氧化物，能抑制钝化膜的破裂，减缓 Cl− 在钝化膜中的渗透作用，抑制腐蚀进程，从而使得涂层具有优异的耐蚀性。交流阻抗结果与动电位极化曲线结果一致，涂层耐蚀性明显优于基材。
-
图14 热丝激光熔覆涂层与基材的电化学阻抗谱
-
Fig.14 Electrochemical impedance spectroscopy of the LHWC coating and substrate
-
3 热丝激光熔覆涂层的腐蚀磨损行为
-
3.1 开路电位
-
开路电位（OCP）是无外接电流时，工作电极与参比电极的电势差，反映金属产生腐蚀的趋势。图15 为热丝激光熔覆涂层在 3.5 wt.% NaCl 溶液环境中，开路电位在腐蚀磨损测试前后和测试过程中的变化曲线。开路电位的大小反映了材料的表面钝化状态。从图中可以看出，试验前 10 min 样品在溶液中静置，随着浸泡时间延长，涂层表面状态逐渐稳定，开路电位稳定在−0.22 V 左右；在加载瞬间，开路电位急速下降，这是由于涂层表面的钝化膜因机械滑动而破坏，涂层表面状态瞬间失稳，新鲜金属暴露在溶液中，形成电位差，腐蚀程度增大； 中间进行 40 min 摩擦，随摩擦的进行，开路电位逐渐趋于稳定，到达稳定腐蚀磨损阶段。此时加载摩擦对保护膜的破坏作用与保护膜的自修复作用处于动态平衡之中，系统中钝化 / 去钝化平衡恢复[29]。随着载荷的增大，腐蚀磨损表面变得更加活跃，未磨损区域和磨损区域电位差增大，涂层修复能力减弱，开路电位负移幅度增大。最后 10 min 卸载摩擦载荷，涂层表面再次生成稳定致密的钝化膜，开路电位逐渐回升。5 N、10 N 和 15 N 载荷下，开路电位可以迅速恢复到摩擦前的水平，但 20 N 载荷下由于对涂层表面摩擦损伤较大，恢复速度较慢。
-
图15 热丝激光熔覆涂层在不同载荷下的摩擦腐蚀开路电位
-
Fig.15 OCP of the LHWC coating at various friction loads in 3.5 wt.% NaCl solution
-
图16 为涂层在 3.5 wt.% NaCl 溶液中不同摩擦载荷作用下摩擦因数随时间的变化曲线。在腐蚀磨损的初期，涂层表面钝化膜破碎，出现微观上的凹凸不平和磨屑，导致表面粗糙度增大，同时也增大了对磨副与磨痕的接触面积，使得摩擦因数增大，此时钝化膜的破坏比新生成的钝化膜快，主要表现为机械划伤。随着摩擦的进行，接触面上同时存在塑性变形和氧的扩散，促进涂层中 Cr、V 等元素氧化物的生成，即加快钝化膜的生成。当钝化膜的生成与破坏达到动态平衡，磨痕表面摩擦状态趋于稳定，摩擦因数趋于稳定，进入稳定腐蚀磨损阶段。另外，从图中可以看出腐蚀磨损稳定阶段，随摩擦载荷的增大，摩擦因数减小。这是因为载荷增大，摩擦表面颗粒状磨屑逐渐增多，其中部分残留在摩擦副之间与溶液混合起到润滑剂作用，使得摩擦因数减小。
-
图16 热丝激光熔覆涂层在 3.5 wt.% NaCl 溶液中不同摩擦载荷下的摩擦因数
-
Fig.16 Friction factors of LHWC coating at various friction loads in 3.5 wt.% NaCl solution
-
图17 为腐蚀磨损后磨痕的 EDS 图像，表5 所示为腐蚀磨损磨痕各点的 EDS 元素分析结果。从电子图像可以看出，磨痕较为平滑，表面有少量腐蚀坑出现，这与干摩擦有较大差异，这主要是与腐蚀液的润滑作用及熔覆层表面钝化膜的形成与去除的动态平衡有关。磨痕表面也有少量的白色颗粒。经 EDS 分析发现，白色颗粒主要含 O、Fe、W、Mo、 Cr、V 等元素。点 1 位于电化学腐蚀的凹坑处，为耗氧腐蚀的氧滞留区域，O 元素含量为 17.7%，远高于点 2 的腐蚀产物堆积层。点 3 中 Fe、Mo、Cr 含量较高，可以判断白色颗粒为 Fe、Mo、Cr 的氧化物。相较于图10 中干摩擦的磨痕 EDS 各点元素占比，发现 W、Mo、Cr、V 元素的相对含量均有所增加。说明腐蚀改变了涂层的元素分布，尤其是 Mo 和 Cr 元素，它们聚集在涂层表面生成致密的 MoO2、Cr2O3 钝化膜，提高了涂层的耐腐蚀性。随着腐蚀磨损进行，钝化膜沿滑动磨损轨迹被减薄，甚至破裂，导致腐蚀电位下降，随后又生成新的钝化膜，直至钝化 / 去钝化过程动态平衡，其钝化机制如图18 所示[30-31]。
-
图17 热丝激光熔覆涂层腐蚀磨损后磨痕表面的 EDS 图
-
Fig.17 EDS of LHWC coating surface after tribocorrosion
-
图18 腐蚀磨损钝化机制图
-
Fig.18 Schematic diagram of the tribocorrosion mechanism
-
3.2 动态极化曲线
-
图19 为热丝激光熔覆涂层在不同摩擦载荷下测得的动态极化曲线。可以看出，摩擦载荷使得腐蚀电位负移、腐蚀电流密度增大，这是由于摩擦载荷使涂层表面状态发生了变化。在开路电位下形成的钝化膜，由于滑动摩擦载荷的切应力作用减薄、甚至破裂，裸露出新鲜的熔覆层，致使腐蚀加剧，腐蚀电位下降，腐蚀电流密度增加。滑动摩擦载荷越大，切应力越大，钝化膜变形、破坏越严重，致使暴露面积增大，腐蚀电位负移和腐蚀电流密度增大。这表明摩擦加快涂层的腐蚀速率，即摩擦促进腐蚀。
-
图19 热丝激光熔覆涂层在不同载荷下的极化曲线
-
Fig.19 Polarization curves of LHWC coating at various loads
-
3.3 恒电位极化
-
涂层在不同载荷下分别外加−0.2 V、0 V、 +0.2 V、+0.4 V（VS.OCP）时的恒电位电流密度和相应的摩擦因数随时间变化曲线如图20 所示。从图中可以看出，同一载荷下，涂层的腐蚀电流密度随外加电位的增加而增加。当外加电位为−0.2 V（VS. OCP）时，腐蚀进程被抑制，腐蚀电流密度为负值，涂层不发生腐蚀。开路条件（0 V），腐蚀电流密度接近零，说明自然状态下涂层耐蚀性较好。当外加 +0.2 V、+0.4 V 时，腐蚀进程被加速，腐蚀电流密度增大，尤其外加+0.4 V 时，腐蚀电流密度急剧增大，涂层受腐蚀损伤严重。从摩擦因数图可以看出，同一载荷下摩擦因数有随外加电位的增加而降低的趋势，且载荷越大趋势越明显。这可能是由于随腐蚀的加速，涂层表面形成的腐蚀产物膜具有一定的润滑作用。
-
图20 不同载荷外加电位下电流密度和摩擦因数随时间变化曲线
-
Fig.20 Current density and friction factor at various potential under different loads
-
4 结论
-
（1）热丝激光熔覆 Cr-W-Mo-V 钢涂层表面平整、光滑、无宏观裂纹等缺陷，主要由马氏体、碳化物和残余奥氏体组成，显微组织主要为柱状晶和胞状晶。涂层的平均硬度约为 750 HV0.1，约是基材硬度的 6.5 倍。
-
（2）热丝激光熔覆 Cr-W-Mo-V 钢涂层的摩擦因数在 0.15 和 0.18 之间，磨损体积随摩擦载荷增大而增大，主要为磨粒磨损、黏着磨损和氧化磨损。涂层自腐蚀电位−0.386 V，自腐蚀电流密度为 3.45× 10−6 A / cm2，具有优异的耐蚀性。
-
（3）在 3.5 wt.% NaCl 溶液中，随摩擦载荷的增大，热丝激光熔覆 Cr-W-Mo-V 钢涂层的开路电位下降，摩擦因数下降，腐蚀电流密度增大，摩擦促进腐蚀。随外加电位增加，涂层腐蚀电流密度增大，摩擦因数降低。
-
（4）热丝激光熔覆技术制备 Cr-W-Mo-V 钢涂层，材料利用率高，组织结构致密，具有优异的腐蚀磨损性能，可用于海洋油气钻采装备在腐蚀磨损苛刻环境下零部件的表面改性。
-
参考文献
-
[1] CHI Y,GU G,YU H,et al.Laser surface alloying on aluminum and its alloys:A review[J].Optics and Lasers in Engineering,2018,100:23-37.
-
[2] ZHU L D,XUE P S,LAN Q,et al.Recent research and development status of laser cladding:A review[J].Optics & Laser Technology,2021,138:106915.
-
[3] LIU Y A,DING Y,YANG L J,et al.Research and progress of laser cladding on engineering alloys:A review[J].Journal of Manufacturing Processes,2021,66:341-363.
-
[4] LIU Jianli,YU Huijun,CHEN Chuangzhong,et al.Research and development status of laser cladding on magnesium alloys:A review[J].Optics and Lasers in Engineering,2017,93:195-210.
-
[5] LI C,SUN R W,LI Y L,et al.Wear mechanism of a laser cladded Fe-based self-lubricating composite coating for protecting counter-abrasive parts[J].Surface and Coatings Technology,2023,459:129402.
-
[6] WU H,WANG L,ZHANG S,et al.Corrosion and cavitation erosion behaviors of laser clad FeNiCoCr high-entropy alloy coatings with different types of TiC reinforcement[J].Surface and Coatings Technology,2023,471:129910.
-
[7] 曹佳俊,常成,邱兆国,等.AISI 1045 钢表面激光熔覆 FeCoCrNiAl0.5Ti0.5 涂层的界面特性及摩擦性能[J].中国表面工程,2023,36(2):54-64.CAO Jiajun,CHANG Cheng,QIU Zhaoguo,et al.Interface characteristics and tribological properties of laser cladded FeCoCrNiAl0.5Ti0.5 coating on AISI 1045 steel[J].China Surface Engineering,2023,36(2):54-64.(in Chinese)
-
[8] 王权,刘秀波,刘庆帅,等.45#钢激光熔覆 Ni60/Cu 自润滑复合涂层组织演变及摩擦学性能[J].中国表面工程,2022,35(6):232-243.WANG Quan,LIU Xiubo,LIU Qingshuai,et al.Microstructure evolution and tribological properties of laser cladding Ni60/Cu self-lubricating composite coating on 45# steel[J].China Surface Engineering,2019,35(6):232-243.(in Chinese)
-
[9] NURMINEN J,RIIHIMÄKI J,NÄKKI J,et al.Comparison of laser cladding with powder and hot and cold wire techniques[C]//Laser Institute of America.25th International Congress on Laser Materials Processing and Laser Microfabrication.March 23-25,2010,Wuhan,China.October 01,2006,Scottsdale.https://doi.org/10.2351/1.5060747.
-
[10] NURMINEN J,RIIHIMÄKI J,NÄKKI J,et al.Hot-Wire cladding process studies[C].International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics,2007,1702:948-952.
-
[11] MARKUS B,IRINA S,FABIAN K,et al.Directed energy deposition of Inconel 718 powder,cold and hot wire using a six-beam direct diode laser set-up[J].Additive Manufacturing,2021,47:102269.
-
[12] 方裕存,余宁,李振伟.热丝激光熔覆技术在垃圾处理行业的应用[J].电焊机,2020,50(7):127-133.FANG Yucun,YU Ning,LI Zhenwei.Application of hot wire laser cladding technology in waste treatment industry[J].Electric Welding Machine,2020,50(7):127-133.(in Chinese)
-
[13] SU Guoxing,SHI Yu,LI Guang,et al.High-efficiency fabrication of Inconel 625 coating for AISI 1045 carbon steel through laser cladding with hot wire:Microstructure and wear resistance[J].Journal of Manufacturing Processes,2023,102:622-631.
-
[14] ZHANG Z,KONG F R,KOVACEVIC Radovan.Laser hot-wire cladding of Co-Cr-W metal cored wire[J].Optics and Lasers in Engineering,2020,128:105998.
-
[15] 张津超,石世宏,龚燕琪,等.激光熔覆技术研究进展 [J].表面技术,2020,49(10):1-11.ZHANG Jinchao,SHI Shihong,GONG Yanqi,et al.Research progress of laser cladding technology[J].Surface Technology,2020,49(10):1-11.(in Chinese)
-
[16] WEN P,FENG Z H,ZHENG S Q.Form ation quality optimization of laser hot wire cladding for repairing martensite precipitation hardening stainless steel[J].Optics & Laser Technology,2015,65:180-188.
-
[17] WEN P,CAI Z P,FENG Z H,et al.Microstructure and mechanical properties of hot wire laser clad layers for repairing precipitation hardening martensitic stainless steel[J].Optics & Laser Technology,2015,75:207-213.
-
[18] KÄSTNER C,NEUGEBAUER M,SCHRICKER K,et al.Strategies for increasing the productivity of pulsed laser cladding of hot-crack susceptible Nickel-base superalloy inconel 738 LC[J].Journal of Manufacturing and Materials Processing,2020,4(3):84.
-
[19] MUNRO C,CHEN J.Direct comparison of cold metal transfer to laser hot-wire cladding for AISI 4340 structural steel repair[J].Science and Technology of Welding and Joining,2021,26(1):11-19.
-
[20] LIU S,LIU W,HAROONI M,et al.Real-time monitoring of laser hot-wire cladding of Inconel 625[J].Optics & Laser Technology,2014,62:124-134.
-
[21] ZHAO S B,XU S,HUANG Y M,et al.Laser hot-wire cladding of Ni/WC composite coatings with a tubular cored wire[J].Journal of Materials Processing Technology,2021,298:117273.
-
[22] 张安琪,王彦芳,牛德文,等.热丝激光熔覆 17-4PH 涂层组织与腐蚀磨损性能[J].表面技术,2022,51(9):379-386.ZHANG Anqi,WANG Yanfang,NIU Dewen,et al.Microstructure and corrosion wear properties of 17-4pH coatings by hot wire laser cladding[J].Surface Technology,202,51(9):379-386.(in Chinese)
-
[23] BENVOUNIS K Y,FAKRON O M,ABBOUD J H.Rapid solidification of M2 high-speed steel by laser melting[J].Materials & Design,2009,30(3):674-678.
-
[24] CANDEL J J,AMIGO V,RAMOS J A,et al.Sliding wear resistance of TiCp reinforced titanium composite coating produced by laser cladding[J].Surface & Coatings Technology,2010,204(20):3161-3166.
-
[25] 许明三,王涛,李剑峰,等.40Cr 曲面基体激光熔覆 W6Mo5Cr4V2性能[J].山东大学学报(工学版),2018,48(1):57-64.XU Mingsan,WANG Tao,LI Jianfeng,et al.Properties of 40Cr curved matrix laser cladding W6Mo5Cr4V2[J].Journal of Shandong University(Engineering and Technology Edition),2018,48(1):57-64.(in Chinese)
-
[26] ZHANG N,XU Y F,WANG M H,et al.M2 coating prepared by ultra-high speed laser cladding:microstructure and interfacial residual stress[J].Materials Today Communications,2023,35:105638.
-
[27] 王强,李洋洋,杨洪波,等.激光功率对 17-4PH 丝材激光熔覆组织及硬度的影响[J].表面技术,2021,50(3):191-197.WANG Qiang,LI Yangyang,YANG Hongbo,et al.Effect of laser power on laser cladding structure and hardness of 17-4PH wire[J].Surface Technology,2021,50(3):191-197.(in Chinese)
-
[28] 王成,王伟,丁士杰,等.激光熔覆铁基耐磨涂层的制备及摩擦学性能研究[J].中国激光,2022,49(22):2202011.WANG Cheng,WANG Wei,DING Shijie,et al.Preparation and tribological properties of Fe-based wear-resistant coating by laser cladding[J].Chinese Journal of Lasers,2022,49(22):2202011.(in Chinese)
-
[29] LIU Y,LIU L,LI S,et al.Accelerated deterioration mechanism of 316L stainless steel in NaCl solution under the intermittent tribocorrosion process[J].Journal of Materials Science & Technology,2022,121(26):67-79.
-
[30] CAO S,MISCHLER S.Modeling tribocorrosion of passive metals:A review[J].Current Opinion in Solid State & Materials Science,2018,22(4):127-141.
-
[31] 孙士斌,赵子铭,高珍鹏,等.317L/FH40 复合板在不同温度下摩擦-腐蚀耦合作用机理研究[J].中国腐蚀与防护学报,2023,43(1):69-76.SUN Shibin,ZHAO Ziming,GAO Zhenpeng,et al.Research on friction-corrosion coupling mechanism of 317L/FH40 composite plate at different temperatures[J].Chinese Journal of Corrosion and Protection,2023,43(1):69-76.(in Chinese)
-
摘要
随着海洋油气资源的开发，钻采装备面临腐蚀与磨损的耦合损伤。开发耐磨耐蚀涂层材料及制备技术是海洋装备安全、可靠运行的保障。利用热丝激光熔覆技术在 20 钢基材表面制备 Cr-W-Mo-V 钢涂层，通过光学显微镜（OM）、X 射线衍射仪 （XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等分析涂层的显微组织和相组成，采用往复电化学腐蚀摩擦磨损试验仪分析涂层的干摩擦、电化学腐蚀及在 3.5 wt.% NaCl 溶液中的腐蚀磨损行为。制备的涂层组织均匀、致密，无裂纹、气孔等缺陷，主要由碳化物、马氏体和残余奥氏体组成，显微组织主要为柱状晶和胞状晶。涂层的平均硬度约为 780 HV0.1，约是基材硬度的 6.5 倍，自腐蚀电位为−0.386 V，自腐蚀电流密度为 3.45×10−6 A / cm2 ，具有优异的耐蚀性。在 3.5 wt.% NaCl 溶液中，随摩擦载荷的增大，涂层的开路电位下降，摩擦因数下降，腐蚀电流密度增大，摩擦对腐蚀有明显促进作用。随外加电位增加，涂层腐蚀电流密度增大，摩擦因数降低。热丝激光熔覆技术制备的 Cr-W-Mo-V 钢涂层结构致密、组织均匀，具有优异的腐蚀磨损性能，可用于海洋油气钻采装备在腐蚀磨损苛刻环境下零部件的表面改性。
Abstract
Owing to the development of marine oil and gas resources, drilling and exploitation equipment are affected by coupled damage from corrosion and wear. The development of wear- and corrosion-resistant coating materials as well as preparation technologies guarantees the safe and reliable operation of marine equipment. Laser cladding is a promising surface modification technology that is widely used in machine-component repair and functional coatings. However, the limitations of the deposition and material-utilization rates of the conventional laser cladding technology restrict its widespread use. Laser hot-wire cladding (LHWC) is a promising, efficient, and energy-saving coating-deposition process. In this study, Cr-W-Mo-V steel coating is prepared on the surface of a 20 steel substrate using LHWC technology. The microstructure and phase composition of the coating are analyzed using a ZEISS optical microscope, an XRD-7000 X-ray diffractometer, and a JSM-7200F scanning electron microscope. The microhardness of the coating is measured using an HV-100A microhardness tester. The dry friction factor, polarization curve, and electrochemical impedance of the coating are measured using a reciprocating electrochemical corrosion friction and wear tester (MFT-EC4000, HUAHUI). The loss of wear marks is measured using three-dimensional morphometry, and the microscopic morphology and elemental distribution of the wear marks are observed using scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy. The open potential, dynamic polarization curve, and constant-potential polarization curve of the coating at various friction load in 3.5 wt.% NaCl solution are analyzed and the tribocorrosion mechanism is discussed. The prepared Cr-W-Mo-V steel coating is uniform and compact-without cracks, pores, or other defects-and is primarily composed of carbide, martensite, and residual austenite phases. The microstructures are primarily columnar and cellular crystals. The average hardness of the cladding layer is 780 HV0.1, which is approximately 6.5 times the hardness of the substrate. The friction factor of the coating is between 0.15 and 0.18, and the friction factor and wear amount of the coating are smaller than those of the substrate. The wear volume of the coating increases from 2.36× 10−3 to 1.33×10−2 mm3 as the friction load increases; meanwhile, the wear mechanism changes from abrasive wear to abrasive wear, and from adhesive wear and oxidation wear. The free-corrosion potential of the cladding coating is −0.386 V and the free-corrosion current density is 3.45×10−6 A / cm2 , both of which are higher than those of the substrate. Additionally, the impedance arc radius of the coating is much larger than that of the substrate, thus indicating that the coating possesses excellent corrosion resistance compared with the substrate. In the 3.5 wt.% NaCl solution, as the friction load increases, the open-circuit potential of the coating decreases from −0.22 to −0.35 V, the friction factor decreases from 0.2 to approximately 0.13, the corrosion potential of the coating decreases from −0.4 to −0.45 V, and the corrosion current density increases slightly, thus indicating that the friction significantly promotes corrosion. As the applied potential increases, the corrosion current density of the cladding layer increases and the friction factor decreases, thus indicating that corrosion clearly promotes wear. A synergistic effect is indicated between corrosion and wear. In conclusion, Cr-W-Mo-V steel coating with a compact structure, a uniform microstructure, and excellent tribocorrosion performance is successfully prepared via hot-wire laser cladding. It can be used for the surface modification of components used in oil and gas drilling as well as in exploitation equipment used in harsh tribocorrosion environments.
关键词
热丝激光熔覆 ； Cr-W-Mo-V 钢涂层 ； 显微组织 ； 腐蚀磨损
