铁基合金与稀土金属元素的等离子堆焊特性

1、本文为翻译文章Characteristics of plasma cladding Fe-based alloy coatings with rare earth metal elements铁基合金与稀土金属元素的等离子堆焊特性张利民 孙东白 宇红英Beijing Corrosion and Protection Center, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China Received 7 September 2006; received in revised form 22 October 20

2、06; accepted 26 October 2006摘要本文研究了稀土（RE）的氧化物CeO2和La2O3等离子堆焊铁基合金涂层的特点。钢基体上堆焊铁基合金粉末与CeO2和La2O3的不同内容。堆焊层微观结构特征，化学成分，相结构和堆焊层的硬度检查和测试。采用配备了能量色散的扫描电子显微镜（SEM）和X射线能量色散谱（EDS）分析观察的微观结构和堆焊层的化学成分分析。等离子堆焊过程中形成的结晶相由X射线衍射仪进行了表征分析。显微硬度由 HVS 1000 数字显微硬度测试仪测试，结果表明，当CeO2和La2O3含量为0.5 时，涂层的微观结构，可以提炼和纯化，减少和稀释从基材的复合材料。此外

3、，形成了一些新的化合物，如LaNi4Si和Ce2Ni22C3和硬晶体阶段，Cr3Si，涂层的硬度值均高于其他涂料。本文对稀土氧化物涂层的影响机理进行了讨论。关键词：等离子堆焊 稀土 稀释 显微组织1引言镧，铈和稀土（RE）元素，已成功地应用在许多领域，如冶金1，化工工程2,3，当前利率的一个领域是稀土表面工程, 以往的研究表明在火焰喷涂可再生能源的积极影响，表面化学处理，激光合金化和激光堆焊。阿里纳斯等4推广了镧系元素的使用，提高使用质量分析离子注入电层的抗腐蚀特性。Sun等人5发现了利用电沉积方法，使稀土与铬氧化铝颗粒沉积成为可能。Haugsrud6研究了镍和镍的氧化行为与涂层表面的氧化膜，

4、其中包括二氧化硅，氧化铈和镧在773-1473K范围在10-4到1个大气压的氧气，温度，氧化反应动力学和表面动力学被确定。王等人 7研究了稀土氧化物CeO2和La2O3对组织和耐磨性的激光堆焊镍基合金涂层。易伊特尔等人8表明，采用铁基熔性合金粉末应用土（RE）为喷焊材料是因为其较低的价格和良好的耐磨性。但是，仍然发表一些关于等离子堆焊稀土应用的文章。等离子堆焊是一种有效的材料加工方法，具有许多独特的优点，如效率高，涂层和基体之间的良好融合粘接，精细的微观结构和低孔隙度，改善涂层的工件表面性能9。等离子堆焊技术还允许更广泛的成分沉积金属和堆焊层的频谱，因为使用的涂层材料是粉末状的，而不是在电线或

5、铸杆形式10。在本文中，CeO2和La2O3对等离子堆焊铁基合金涂层的微观结构的影响进行了研究，以便提供一个实验的基础上扩大了再更广阔的应用领域。2实验过程作为成本较低的低碳钢，钢样品制成100mm×100mm×10mm。实验前钢的表面要求没有表面处理。铁基自熔性合金粉末，被选为等离子堆焊材料的粒度为106-180um，粉末的化学成分百分含量：2C，18Cr，30Ni，1B和0.8Si与铁的其余部分。分别加入不同比例的铁基合金粉末与CeO2和La2O3的混合，含量分别为0，0.15，0.3，0.5和1。利用山东科技大学的自送粉等离子堆焊设备进行了等离子堆焊。大量实验已表明等

6、离子堆焊参数，即厚度，粉包效率，体积稀释口粮和裂缝形成对涂层微观尺度上的性能影响。能获得最佳效果的等离子体参数范围如表1所示。表一 等离子堆焊参数等离子堆焊后，金相试样沿着等离子喷焊方向的纵向切割，用体积比为3的HNO3/HCl混合溶液腐蚀试样，然后观察堆焊层的显微组织。通过多种技术对等离子堆焊涂层的结构和形态的性质进行了表征分析。在Rigaku DMAX- RB X射线衍射仪使用铜的K层射线，以每分钟2度的速度进行了X射线衍射，使用Cambridge S-360扫描电子显微镜（SEM）观察涂层的形貌。用Tracor Northern TN550设备做能量色散谱（EDS）来分析堆焊涂层的组成。

7、用0.98N测试负载，加载时间为20秒，在HVS-1000数字显微硬度计上测量硬度值。3.结果与讨论3.1 显微观察涂层的微观结构如图1，可以看出，涂层的微观组织主要是以枝晶形式存在。此形态受到CeO2和La2O3的影响。从图1d中可以观察到，当稀土成分很理想时，堆焊层的显微组织比无稀土时要细。然而，同时也发现，当稀土浓度过高时，例如，在CeO2和La2O3含量为1，稀土含量高于0.5，堆焊涂层晶粒尺寸变大如图1e。当稀土浓度太低和在无稀土元素时，对晶粒尺寸和形状的变化影响不明显，如图1B所示。因此，本文选用了稀土氧化物浓度为0.5，其涂层显微组织比其它成分的要细。许多颗粒状沉淀晶粒边界析出，

8、这有利于堆焊涂层的性能。图1 等离子堆焊层的微观结构（a-e）的内容是CeO2和La2O3的含量，分别为0 ，0.15，0.3，0.5和13.2 堆焊层的化学成分分析通过EDS分析了堆焊涂层与基体之间结合区附显示了硅，铬，铁，镍，镧和铈的含量，如表2所示。在镍和铬的涂层中的所含CeO2和La2O重量百分比含，高于无稀土元素的堆焊层，而铁敲好相反。这表明，铈或镧减少基体金属堆焊材料稀释的独特效果。这是有利于保证堆焊涂层的成份和性能。随着稀土氧化物浓度的增加，铬涂层重量百分比增长较高，而镍是相反的，硅重量百分比是不规则的。如表2所示，硅重量百分比为高时，CeO2和La2O3浓度是1或0.3，硅硅重

9、量百分比时，CeO2和La2O3浓度是0.5或0.15。因此，它可以被称为硅涂层必须分类。理想的的情况下，以尽量减少从在等离子堆焊基体金属材料的稀释。由于稀释作用，涂层的化学成分会发生改变以及涂层的性能会受到影响。除了可以增加Ce和La合金熔化潜热，从而导致液相线温度降低和固相线温度的升高。凝固范围会变得狭窄和凝固时间缩短。因此，涂层和基体之间的扩散被削弱。因此，从堆焊层的镍和铬的扩散被削弱以及从堆焊层的稀释减少。此外，Ce和La的晶界上吸收也会妨碍其他元素的扩散，这也能够减少稀释。表2 复等离子堆焊层的结合区附近的EDS测试结果3.3 等离子堆焊涂层的相结构X-射线衍射结果如图2。此外CeO

10、2和La2O3结果中形成的化合物，如涂层LaNi4Si和Ce2Ni22C3 。当加入CeO2和La2O3是0.3或0.5时，涂层里形成的化合物为Cr3Si。Cr3Si为金属间化合物，是一种硅铬合金，具有比纯铬高得多硬度（11.8 GPa）和弹性模量（350 GPa）的。Cr3Si有关方面已研究作为一个潜在的耐高温材料，耐磨材料11。在没有添加稀土氧化物时，在堆焊层中未出现Cr3Si，当增加0.5CeO2或0.3La2O3时，在堆焊层里出现了Cr3Si。此外当CeO2和La2O3的含量低于0.3 ，堆焊层里的Cr3Si消失。实验表明，除了适当的CeO2和La2O3能够促进硅铬合金的生成，还能增加

11、堆焊层的高温性能和磨损性能。表3 X射线衍射峰的衍射角堆焊层2衍射角较强的衍射峰如表3所示。由此可以看出，CeO2和La2O3含量小于0.5时，堆焊层的2衍射角峰值大于无CeO2和La2O3。CeO2和La2O3含量超过1%时，堆焊层的2衍射角峰值小于无稀土元素的堆焊层。据布拉格的X射线衍射法：2dhkl·sin=其中是X射线的波长，在一定的衍射条件下为常数，dhkl l为H K L的晶面间距，为衍射角，dhkl可以认为是晶面间距随衍射角2的增加而减小。立方晶系晶面间距公式如下：a为晶格常数，随着HKL晶面间距dhkl减小而减小。简言之，此外，当CeO2和La2O3的浓度低于0.5，

12、可以提高衍射角和减少晶面间距和晶格常数。3.4 等离子堆焊层的硬度图3给出了等离子堆焊层的硬度值分布图。硬度值呈现梯度分布，对涂层的表面，硬度值在500至700 HV0.1 。在等离子堆焊过程中，由于熔池的对流作用，杂质漂浮在熔池表面，使得表面的显微组织发生恶化，显微硬度相对较低。在中间涂层的硬度值是最高的。在堆焊层与基材的粘合处，显微硬度值下降。在涂层与基材的粘合处，因涂层被稀释使得显微硬度值降低。图2。等离子堆焊涂层的X射线衍射谱。图2 等离子堆焊层的X射线衍射谱数据还显示，CeO2和La2O3的加入会导致堆焊涂层有不同的显微硬度值。当CeO2和La2O3加入量为0.15 时，在不加入Ce

13、O2和La2O3的情况下，显微硬度没有什么变化。随着CeO2和La2O3增加，平均显微硬度值高于无CeO2和La2O3。堆焊层中含有0.5 CeO2和La2O3时，涂层的平均显微硬度是最高的。但是，当CeO2和La2O3含量增加到1 时，硬度值比无稀土氧化物要低。从X射线衍射谱可知，涂层中有一种Cr3Si的化合物，其硬度的比纯铬高得多，当等离子堆焊涂层中含有0.3 CeO2和0.5%La2O3 ，便形成Cr3Si，该组织还比其它组织更细，所有这些因素使得堆焊层的硬度值增加。图3 等离子堆焊层的硬度分布。4结论（1）获得光滑，没有裂纹和气孔的等离子堆焊涂层。此外，稀土氧化物CeO2和La2O3是

14、对等离子堆焊铁基合金涂层具有十分重要的意义。（2）在该项研究中添加为0.5 CeO2和La2O3时，获得的效果最好，能够得到纯度较好的显微组织，堆焊层在基材的稀释也得到减小。（3）LaNi4Si和Ce2Ni22C3出现在一些新的阶段，含Ce和La可能会导致堆焊层的结构发生变化。CeO2和La2O3的含量为0.3和0.5时，在堆焊层中出现了Cr3Si硬晶体。（4）根据布拉格的X射线衍射法，可以发现，当CeO2和La2O3的浓度不超过0.5 时，晶面间距和晶格常数随着衍射角的增大而减少。（5）堆焊层中CeO2和La2O3的含量为0.3%和0.5时，其硬度高于没有CeO2和La2O3的堆焊层。堆焊层

15、中CeO2和La2O3的含量为0.5时，涂层的平均硬度值最高。但是，当加入CeO2和La2O3含量为1时，平均显微硬度低于其他涂层。致谢作者们感谢中国政府北京基金对这项工作的财政支持，同时也感谢北京科技大学腐蚀与防护中心在实验过程中提供的帮助。参考文献1 R. Van Deun, K. Binnemans, Mater. Sci. Eng. C18(2001)211215.2 S.Y. Zhang, F.M. Gao, C.X. Wu, J. Alloys Compd. 275277 (1998)835837.3 Y.-H. Huang, Z.-G. Xu, C.-H. Yan, et al.

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