【摩擦磨损与润滑】华北理工大学龙海洋等：Si含量对激光熔覆FeCrNiCSix涂层组织结构及高温摩擦性能的影响
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2024-10-23 17:04
重庆
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设备对冶金产业至关重要，其工况条件复杂，常在高温（500 ℃）、重载等环境下服役，高温磨损、高温氧化容易导致设备表面损伤，进而影响其服役安全和使用寿命。表面涂层技术是保护冶金部件的重要手段，采用激光熔覆技术制备的涂层具有冶金结合、稀释率低、热影响区小、组织致密等优点，所以通过激光熔覆技术制备防护涂层成为冶金部件的有效防护手段。涂层材料是影响冶金部件表面激光熔覆涂层防护效果的关键。其中，Fe-Cr-Si系合金涂层在高温环境下能够保护基材不受高温气体、氧化物和腐蚀介质的侵蚀，具有良好的抗氧化性和耐腐蚀性，同时具有较高的硬度和耐磨性，被广泛应用于高温、高腐蚀、高磨损环境下服役部件的表面防护。华北理工大学龙海洋团队采用激光熔覆技术制备FeCrNiCSix涂层，研究高Si含量（质量分数为5%、10%、15%）下，Si含量的变化对FeCrNiCSix涂层显微组织、硬度和高温耐磨性的影响规律，为高Si含量合金涂层的相关研究提供理论依据，为冶金部件的表面防护提供一定技术支持。5Si、10Si、15Si涂层的显微组织和元素分布如图4所示。5Si涂层的显微组织如图4a所示，可以看出，其显微组织主要由树枝晶和等轴晶组成。10Si、15Si涂层的显微组织分别如图4b~c所示，其显微组织主要由等轴晶组成。10Si、15Si涂层的晶粒无明显差别，但二者比5Si涂层的晶粒更加细小。Si元素促进了等轴晶的产生，在一定程度上起到了细化晶粒的作用。![]()
5Si、10Si、15Si涂层的平均显微硬度分布如图5所示。其中，5Si涂层的平均显微硬度为304.3HV0.5，10Si涂层为576.6HV0.5，15Si涂层为598.5HV0.5。随着Si元素含量的升高，涂层的显微硬度逐渐升高。结合XRD可知，涂层硬度的提高是因5Si涂层中Si元素的含量较低，涂层以硬度较低的γ-Fe相为主，随着Si元素含量的升高，10Si、15Si涂层中产生具有高硬度的金属硅化物Fe3Si相，使得其硬度明显高于5Si涂层。![]()
如图8所示，5Si、10Si、15Si涂层试样的磨损率分别为3.10×10−5、5.90×10−5、7.39×10−5g/m。由此可以看出，5Si涂层的耐磨性最佳，随着Si元素含量的提高，涂层的磨损率随之提高。由图5可知，10Si、15Si涂层的硬度高于5Si涂层的硬度，但其磨损率大于5Si涂层的磨损率。主要原因：虽然Fe3Si的硬度较高，但是其脆性较大，导致涂层在磨损试验中大量剥落。同样，在高温条件的氧化和腐蚀作用下，涂层中的Si元素可能与氧气或其他化合物发生反应，导致涂层降解和磨损加剧。![]()
1）通过激光熔覆制备的5Si、10Si、15Si涂层中，5Si涂层显微组织主要为树枝晶和等轴晶结构，物相组成主要由γ-Fe和Fe-Cr固溶体组成。10Si、15Si涂层显微组织主要为等轴晶结构，物相组成主要由Fe3Si和Fe-Cr固溶体组成。2）随着Si元素含量的提高，涂层的硬度和磨损率都逐渐升高。这是由于Fe3Si相在具有较高硬度的同时具有一定脆性，在磨损过程中会发生严重剥落现象，涂层的磨损率随之升高。3）5Si涂层主要以黏着磨损和氧化磨损为主，在高温下其耐磨性能最佳，但其抗氧化性较差，硬度较低。10Si、15Si涂层以磨粒磨损为主，且磨损率逐渐升高。三者相比，综合判定10Si涂层为最佳Si含量涂层。该文章发表在《表面技术》第53卷第17期。
引文格式：龙海洋, 史海江, 卢冰文, 等. Si 含量对激光熔覆 FeCrNiCSix 涂层组织结构及高温摩擦性能的影响[J]. 表面技术, 2024, 53(17): 62-70.
LONG Haiyang, SHI
Haijiang, LU Bingwen, et al. Effect of Si Content on Microstructure and High
Temperature Friction Properties of FeCrNiCSix Coating by Laser Cladding[J].
Surface Technology, 2024, 53(17): 62-70.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.005
