【摘要】 结果表明，在激光辐照下，AISI 1045钢表面形成了一层包覆层，包覆层中包裹着CP和AP。

为了提高 AISI 1045钢的摩擦磨损性能和表面硬度，扩大其应用范围，对 AISI 1045钢表面激光熔覆 Zr65Al7.5 Ni10Cu17.5晶粉和非晶粉后的摩擦磨损性能和表面硬度进行了研究。结果表明，在激光辐照下，AISI 1045钢表面形成了一层包覆层，包覆层中包裹着CP和AP。熔覆层的厚度约为400μm，AP熔覆层的厚度略大于CP熔覆层的厚度。

 

结果表明，AP熔覆层中存在大量孔洞，在与基体的结合处可以观察到孔洞，而CP熔覆层与基体结合良好，未观察到孔洞。CP复合层的摩擦性能优于AP复合层。在AP熔覆层的磨损痕迹中，存在着结合区，而CP熔覆层的磨损痕迹呈现出沟槽状的形态，部分基体暴露出来。AP熔覆层的表面显微硬度和平均显微硬度分别比CP熔覆层高49%和94%。硬度变化具有明显的优势。分析和讨论了AP复合层摩擦实验孔隙率大、摩擦系数大、稳定性差的原因。提出了提高激光辐照强度以获得高耐磨性和高强度AP熔覆层的思路和方法。

 

采用激光发生器(XL-1000WF，广州兴莱激光技术有限公司)制备了Zr-Cu-Ni-Al复合涂层和AP复合涂层。首先，用线切割机采集AISI 1045钢样品(中国广州钢铁集团AISI 1045)，切割出两个尺寸为14mm×14mm×2mm的钢基体样品。然后用240目砂纸磨削AISI 1045钢表面的氧化层。

 

然后用铣床从两个铣槽中加工出基板，铣槽的宽度为4毫米，深度为0.4毫米。此外，在AISI 1045钢基体的凹槽中分别铺设预先制备的CP和AP，设置表3所示的脉冲激光发生器的参数，并将激光打在粉末上熔化粉末。自激冷却后，熔融粉末凝固并与基体结合。

 

从该步骤制备的样品中切出三块，便于后续试验。用2mm×14mm×2mm的试件进行硬度试验和OM试验，用10mm×14mm×2mm的试件进行摩擦磨损试验。将样品放置在一个软塑料模具中，模具的横截面朝下，然后将环氧树脂和乙二胺(按照2:1的比例)倒入模具中。将模具放入烘箱，直到环氧树脂完全固化。试样表面分别用240#、600#、1000#和1500#砂纸打磨抛光。然后用二氧化硅抛光粉(粒度:0.25μm)和抛光机对试样进行抛光。最后的表面粗糙度达到了Ra0.02。样品制备过程的示意图如图1所示。

 

图1样品制备过程的示意图

 

用德国Zeiss公司的高倍光学显微镜观察了两个样品的形貌。图2显示了AP熔覆层和CP熔覆层摩擦磨损后磨痕的微观形貌，其中图2a为非晶熔覆层的磨痕，图2b为CP熔覆层的磨痕。非晶态粉末熔覆层的磨痕宽度约为330μm，合金粉末熔覆层的磨痕宽度约为740μm。在相同试验条件下，磨痕越宽，磨损量越大。

 

因此，在本试验中，非晶粉末包覆层的磨损量较小。从图2a可以看出，非晶态熔覆层磨痕边缘部分剥落，这与高能激光束能量密度下AP的快速剧烈熔化和熔覆层部分区域结合不足有关，结合区域出现在磨痕中。在摩擦试验过程中，GCr15钢球与覆层表面之间的单独接触区产生的压力引起了局部焊接和随后的滑动剪切，从而产生了结合区。在图2b中，CP涂层的磨损疤痕中没有观察到结合区，但有碎屑和剥落区。在滑动摩擦过程中，GCr15钢球与覆层发生轻微咬合，然后表层被撕裂，形成剥落区。与AP熔覆层的磨损痕迹相比，CP熔覆层的磨损痕迹表现出明显的沟槽形态，熔覆层的严重磨损使部分基体暴露出来，这可能是CP熔覆层摩擦系数在摩擦磨损试验后期急剧上升的原因。

 

图2 (a)非晶态粉末包覆层的磨损标志；(b)晶体粉末包覆层的磨损标志

 

结果表明:熔覆层的厚度约为400μm，非晶粉末熔覆层的厚度略大于晶粉熔覆层的厚度。AP熔覆层中存在大量孔洞，在与基体的结合处可以观察到孔洞，而CP熔覆层与基体结合良好，未观察到孔洞。CP复合层的摩擦性能优于AP复合层。AP熔覆层的磨损疤痕有一个结合区，而CP熔覆层的磨损疤痕有一个沟槽形态，没有结合区，在暴露的磨损疤痕中有一部分基体。

 

1.Chen, Y.; Tao, P.; Zhang, W.; Zhang, C.; Zhu, K. Study on Friction and Wear Properties of Zr–Cu–Ni–Al Crystalline Powder Cladding and Amorphous Composite Powder Cladding by Laser. Coatings 2021, 11, 103. https://doi.org/10.3390/coatings11010103.

 

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