资源描述：
第6 0 卷第4 期 2008 年l1 月 有色金属 N o l f e Z T O U M e m L s V 0 1 ．6 0 ．N o ．4 N o v e m b e r2 00 8 强碳化物形成元素N b 和T i 对激光 熔覆N i 3 S i 性能的影H 向 樊丁8 ，v ，王晓梅8 ，孙耀宁8 ，张建斌8 兰州理工大学a ．甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室 b ．有色金属合金及加工教育部重点实验室，兰州7 3 0 0 5 0 摘要以N i 和S i 元素粉末为原料，利用1 0 k W C 0 2 连续激光器在G H 8 6 4 表面激光熔覆制得了N i ．s i 金属硅化物涂层，并 分别加入N b ，T i 等合金元素，对涂层性能进行改善。用扫描电镜、能谱仪、x 射线衍射和显微硬度计等手段分析涂覆层的微观组 织、相组成和显微硬度，并对涂层在l m o l ／L 的H 2 S 0 4 溶液中的耐蚀性能进行评价。结果表明，涂层和基体呈良好的冶金结合。涂 层宏观质量完好，无裂纹、气孔等缺陷。合金元素N b 的添加可以提高涂层的硬度，T i 使涂层硬度有所下降，但涂层整体硬度比基 体高2 3 倍。添加合金元素后的涂层均具有良好的耐蚀性。 关键词金属材辩；N i ．S j 合金；激光熔覆；显微硬度；耐蚀性 中图分类号T G l 4 6 ．1 5 ；T G l 7 4 ．4 4文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 4 0 0 4 0 0 4 N h S i 金属间化合物具有优异的抗二氧化硫腐 蚀性能以及良好的高温抗氧化性能【卜2 I ，是一种潜 在的高温结构材料。目前，阻碍N i ，S i 金属间化合 物实际应用的瓶颈是其低的室温韧性。因此，通过 多组元合金化、复合化和改善材料制备方法对其增 韧补强成为N i 3 S i 金属问化合物材料研究的重 点[ 3 - 6 ] 。就目前的研究而言，添加C r 元素合金化， N i ，S i 的高温性能有所提高，耐蚀性能也得以提 高L7 | ，提高N i 含量或是添加T i 可以提高N i ，S i 合金 的室温塑性【8 _ 9 ] ，T i 元素能明显提高N i ，S i 室温塑 性和屈服强度，添加N b 可以提高室温塑性和强 度[ 1 0 l l | 。 采用1 0 k W 横流C q 激光器，以预置粉末方 式，激光熔覆制得了加入N b 和T i 等合金元素的 N i ．S i 金属硅化物涂层，从涂层相组成、微观组织、显 微硬度以及腐蚀试验方面对合金涂层进行了研究。 1实验方法 1 ．1 试验用材料 试样基材选用G H 8 6 4 高温合金，化学成分 收稿日期2 0 0 6 1 1 1 7 基金项目甘肃省科技攻关项目 2 G S 0 5 7 一A 5 2 0 0 1 0 3 作者简介樊丁 1 9 6 1 一 ，男，甘肃合水县人，教授。博士生导师 主要从事材料激光加工及数值模拟等方匾研究。 叫f ／％ 为c r1 9 ．5 ～1 9 ．8 ，C o1 3 ．1 8 ～1 3 ．5 ，T i3 ．O ～3 ．0 5 ，M o4 ．0 1 ～4 ．3 ，砧1 ．3 ～1 ．3 5 ，Z r0 ．0 5 ，F e 0 ．0 5 ，C0 ．0 3 ，S i0 ．0 9 ，M n0 ．0 6 ，余量为N i 。试样尺 寸规格为2 0 m mX1 5 m mx1 0 m m ，待熔覆表面经磨 削加工，熔覆前用丙酮清洗。熔覆材料以N i 粉 纯 度为N i C o 含量≥9 9 ．5 ％，其中C o 的含量≤ O ．5 ％ 、S i 粉 纯度为≥9 0 ％ 、C r 粉 分析纯 、N b 纯度为≥9 9 ．9 ％ 、T i 纯度为≥9 9 ．9 ％ 作为原料， 按照N i S i 7 5 2 5 摩尔比 混合N i ／s i 粉，记为 [ N i ，S i ] 粉，再按[ N i ，S i ] 和N b T i 不同质量比配制 粉末，粉末的粒度范围为7 4 ～1 4 7 t a m 。 1 ．2 试验步骤 激光熔覆试验在G S T F L 一1 0 K 型1 0 k w 横 流C O ，激光加工成套设备上进行，采用激光多层多 道扫描，获得厚度大于l m m 的激光熔覆层。熔覆过 程中吹氩气保护溶池避免氧化。采用的熔覆工艺参 数如表1 所示。 表1 激光熔覆工艺参数 T a b l e1 P r o c e s s i n gP a r a m e t e r si nL a s e rC l a d d i n gE x p e r i m e n t s 1 ．3 组织表征 用R i g a k uD m a x 一2 4 4 0 型X 射线衍射仪 X R D 对熔覆层进行物相鉴定，衍射条件为C u 靶K 。线， 万方数据 第4 期樊 丁等强碳化物形成元素N b 和T i 对激光熔覆N i 3 S i 性能的影响 4 l 加速电压3 5 k v ，电流2 0 m A ，扫描速度4 。／m i n ，步长 0 ．0 2 。。金相试样沿熔覆层横向截取，经研磨抛光后 用H C I C H 3 C O O H H N O s H 2 0 4 l 1 1 体积比 的腐蚀液腐蚀，用H i t a c h iS 一5 2 0 型扫描电镜 S E M 并结合能谱仪 E D A X 对激光熔覆层进行组 织及成分检测。采用H V S 一1 0 0 0 型显微硬度计对 熔覆层的显微硬度进行测量，载荷砝码为1 0 0 0 9 ，加 载保持时间为1 5 s 。腐蚀试验采用室温下I m o l ／L 的H 2 S 0 4 溶液对熔覆层进行浸泡腐蚀，浸泡一定的 时间后，取出试样在型号为S t a t o r i u sB P 2 1 1 D 的电 子分析天平 精度0 ．1 i n g 上测量其质量变化，并且 精确计算腐蚀面积，计算腐蚀速率。 2 试验结果与讨论 图1 是部分激光熔覆层的X R D 图谱，当T i 的 含量小于4 ％时，N i 7 5 S i 2 5 一T i 合金涂层的组织主要为 N i 固溶体，N i 3 S i 和N i 3 1 S i l 2 。T i 的含量等于5 ％涂 层的主要成分为N i 固溶体和N i 3 S i ，T i 。 图1 激光熔覆层的X R D 图谱 F i g ．1X R Dp a t t e r n sf o rl a , ．s e rc l a d d i n gl a y e r s 对于N i 7 5 S i 2 s - N b 体系，除N i 7 5 S i 2 5 5 ％N b 合金 涂层由N i s S i 金属间化合物、N i S i 固溶体、 N b 3 N i 2 S i 、N i 5 S i 2 相组成外，N i 7 5S i 2 5 2 ％N b 和N i 7 5 S i 2 5 4 ％N b 合金熔覆层相组成基本相同，即均由 N i 3 S i 金属间化合物和N i S i 固溶体组成。 ．图2 是各种不同合金涂层的显微组织照片。图 2 a 为N i 7 5 S i 2 5 合金粉末涂层的S E M 照片，组织表 现为粗大枝状晶和类似于网状的连续相。图2 b 为N i 7 5 S i 2 s 一5 ％N b 涂层区微观组织，对其中的A ，B ， C 点组织作了能谱分析，并结合X R D 结果可以可 知，白色颗粒状组织A 为N b N i 2s i 相，它弥散分布 在枝晶间，B 点代表的深灰色组织为涂层的基体相 7 ．N i ，C 点条状组织是7 ．N i 和N i ，S i 的混合体。枝 晶间所形成的富N b 相N b ，N i S i 一方面增强熔覆层 的强度，另一方面还阻止晶粒长大使熔覆层组织细 化，这使熔覆层的强度及韧性都得到大幅度的提高。 图2 c 为N i 7 5 S i 2 5 5 ％T i 涂层区微观组织，可见大 片粗大枝晶已经消失，而呈现均匀分布的网状。这 是因为，加入T i 将有利于从液相中直接形成单相的 岛一N i 3 S i ，T i ，而呈现网状【1 2 J 。．对图2 c 的A 和 B 点组织作了能谱分析结合X R D 分析，当T i 含量 达到5 ％时，涂层的主要成分为N i 固溶体和N i 3 S i ，T i 。 图3 是熔覆层显微硬度沿层深方向的分布曲 线。如图3 所示，对于N i S i 。N b 合金系随N b 含量 从0 增加到5 ％，涂层最大硬度可达7 8 0 H V 。这主 要有两个方面的原因 1 激光熔覆后溶池快速凝固 使N b 溶入枝晶形成过饱和固溶体，提高了固溶强 化的效果； 2 在熔覆层基体枝晶间生成了弥散分布 的富N b 增强相。当在N i T s S i 2 5 中加入T i 后，其显微 硬度降低，并且显微硬度随着T i 含量从0 到5 ％的 a 一N b 5 S i 2 5 ； b 一N i 7 5 S i 2 s 一5 ％N b ； c 一N i 7 5 S i 2 5 5 ％T i 图2 激光熔覆层显微组织 F i g ．2S E Mp h o t o g r a p h so fl a s e rc l a d d i n gl a y e r s 万方数据 4 2有色金属 第6 0 卷 增加而逐渐降低，同时发现，熔覆层的显微硬度呈梯 度分布，在0 ．3 ～0 ．8 m m 范围内达到最大值，它们的 显微硬度值分别为7 9 2 ，6 9 2 和6 1 7 H V 。此外，两组 涂层的显微硬度值几乎都在1 ．4 m m 处相遇，最终基 体的显微硬度约为3 5 0 H V 。这说明激光熔覆制备 涂层可达1 ．4 m m 左右，并且涂层的显微硬度大大提 高，是基体材料显微硬度的两倍多。 图3 激光熔覆层显微硬度图 F i g ．3 M i c r o h a r d n e s sd i s t r i b u t i o no fc l a d d e dl a y e r s 图4 是N i S i N b 和N i S i ．T i 在l m o l 几H 2 S 0 4 溶液中浸泡腐蚀9 7 h 后的腐蚀曲线，显然对于N i ． S i N b 合金涂层来说，在最初的1 3 h ，单位面积上的 质量增加明显。在约3 5 h 处，增重达到最大，之后腐 蚀曲线趋于平缓。N i 。S i ．T i 合金在前1 0 h ，试样增重 很快，在约3 4 h 处，增重达到最大，之后随着时间的 继续增加，增重趋于平缓。 参考文献 叮 量 E ∞ 、 苣 02 04 0f j l ’l j 【l1 0 0 时间，h 图4 激光熔覆层腐蚀曲线 F i g ．4 C o r r o s i o np l o t so fc l a d d e dl a y e r s 3结论 激光熔覆N i S i N b T i 预合金粉末可以获得呈 冶金结合、组织致密的N i 3 S i 基复合涂层。N b 或T i 元素的添加对合金涂层的组织有所影响，N i 7 5 S i 2 5 5 ％N b 合金涂层由N i 3 S i 金属间化合物、N i S i 固溶 体、N b 3 N i 2 S i 和N i s S i 2 组成，N i T 5 S i 2 5 5 ％T i 涂层的 主要成分为N i 固溶体和N i 3 S i ，T i 。N i 7 5 S i 2 5 合金 涂层的硬度为7 0 4 H V 。对于N i S i N b 合金系随N b 含量从0 增加到5 ％，涂层最大硬度可达7 8 0 H V 。 N i ．S i T i 合金系中，T i 含量为4 ％和5 ％时，涂层硬 度分别为6 4 0 和5 6 1 H V 。N i ．S i N b ，N i ．S i T i 合金 涂层较N i T 5 S i 2 5 合金涂层具有良好的耐蚀性能。 [ 1 ] 刘永长，薛玉芳，宋广生，等．．激光熔覆技术的研究现状[ J ] ．粉末冶金技术，1 9 9 8 ，1 6 3 2 0 9 2 1 2 ． [ 2 ] V i l a rR ．Ia s e rc l a d d i n g [ J ] ．T h eI n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fP o w d e rM e t a l l u r g y ，2 0 0 1 ，3 7 2 3 1 4 8 ． [ 3 ] W a r n e sBM ，P e r t i tFS ，M e i e rGH ．H o t ．c o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fN i 。C r ．～．Ya n dN i ．1 8 ％S ia l l o y si ns u l f a t ee u t e e X Ca n ds u l f a t e p l u sv a n a d a t eM e l t sa t9 7 3 K [ J ] ．O x i d a t i o no fM e t a l s ，2 0 0 2 ，5 8 5 ／6 4 8 7 4 9 8 ． [ 4 ] S u k i d iN ，K o c hCC ，L i uCT ．O x i d a t i o no fN i 3 S i b a s ea l l o y s [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，1 9 9 5 ，A 1 9 1 1 ／2 2 2 3 2 3 1 ． [ 5 ] w a r dC l o s eCM ，M i n o rR ．I n t e r m e t a l l i c - m a t r i xc o m p o s i t e s - ar e v i e w [ J ] ．I n t e r m e t a l l i c s ，1 9 9 6 ，4 3 2 1 7 2 2 ． [ 6 ] “uCT ，G e o r g eEP ，O l i v e rWC ．G r a i n ．b o u n d a r yf r a c t u r ea n db o r o ne f f e c ti nN i 3 S ia l l o y s [ J ] ．I n t e r m e t a l l i c s ，1 9 9 6 ，4 1 7 7 8 3 ． [ 7 ] T a k a s u g iT ，K a w a iH ，K a n e n oY ．T h ee f f e c to fC ra d d i t i o no nm e c h a n i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fN i 3 S ia l l o y s [ J ] ．M a t e r i a l s S c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gA ，2 0 0 2 ， 3 2 9 3 3 1 4 4 6 4 5 4 ． [ 8 ] T a k a s u g iT ，N a g a s h i m aM ，h u m i0 ．S t r e n g t h e n i n ga n dd u c t i l i z a t i o no fN i 3 S ib yt h ea d d i t i o no fT ie l e m e n t s [ J ] ．A c t sM e t a l l u r g i c ae tM a t e r i a l i a ，1 9 9 0 ，3 8 5 7 4 7 7 5 5 ． [ 9 ] T a k a s u g iT ，S h i n d oD ，I z u m iO 。e ts 1 ．M e t a l l o g r a p h i ca n ds t r u c t u r a lo b s e r v a t i o n si nt h ep s e u d o - b i n a r ys e c t i o nN i 3 S i N i 3 T io f t h eN i ．S i ．T is y s t e m [ J ] ．A c t sM e t a l l u r g i c ae tM a t e r i a l i a ，1 9 9 0 ，3 8 5 7 3 9 7 4 5 ． [ 1 0 ] T a k a s u g iT ，H a n a d aS ．T h ed f e c to fN ba d d i t i o no ne n v i r o n m e n t a le m b r i t f l e m e n to faN i 3 S i ，T i a l l o y [ J ] ．I n t e r m e t s l l i e s ， 2 0 0 0 ，8 I 4 7 5 2 ． [ 1 1 ] T a k a s u g iT ．M i e r o s t r u c t u r a lc o n t r o la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fn i c k e ls i l i c i d e s [ J ] ．I n t e r m e t a l l i c s ，2 0 0 0 ，8 5 ／6 万方数据 第4 期 樊 丁等强碳化物形成元素N b 和T i 对激光熔覆N i 3 S i 性能的影响 4 3 5 7 5 5 8 4 ． [ 1 2 ] 严新炎，孙国雄，张树格．T i 对燃烧合成N i 3 S i 基金属问化合物组织结构的影响[ J ] ．特种铸造及有色合金，1 9 9 5 ，1 1 1 4 ． E f f e c to fC a r b o n i z a t i o n - e a s i l y - f o r mE l e m e n t sN ba n dT i o nP r o p e r t i e so fL a s e rC l a d d i n gN i 3 S iC o a t i n g s F A ND i n g a 6 。W A N GX i a o - m e i “，S U NY a o - n i n 9 4 ，Z H A N GJ i a n b i n 4 ． a ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fG a n s uA d v a n c e dN o n f e r r o u sM e t a lM a t e r i a l s ，b ．K e yL a b o r a t o r yo fN o n - f e r r o u sM e t a l A l l o y sa n dP r o c e s s i n go fM i n i s t r yo { E d u c a t i o n ．L a n z h o uU n i v e r s i t yo tT e c h n o l o g y ．L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ．C h i n a A b s t r a e t T h ei n s i t us y n t h e s i so fN b C ／N i 3 S ic o m p o s i t ec o a t i n go nt h en i c k e l m a t r i xs u p e r a l l o ys u b s t r a t ei sp r e p a r e d b y1 0 k WC 0 2c o n t i n u o u sc l a d d i n gl a s e rw i t hS ia n dN ip o w d e r sa sr a wm a t e r i a l ．A n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e c o a t i n gi si m p r o v e db ya d d i t i o no ft h eN ba n dT ia sa d d i t i v e s ．T h em i c r o s t r u c t u r e s 。p h r a s ec o m p o s i t i o na n d m i c r o h a r d n e s so ft h ec l a d d i n gz o n ea r ea n a l y z e db yu s i n gS E M ，E D S ，X R Da n dm i c r o h a r d n e s st e s t e r ，a n dt h e p r o p e r t i e so fc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h ec l a d d i n gl a y e r sa r et e s t e di n1m o l ／LH 2 s 0 4s o l u t i o n ．T h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a ta ne x c e l l e n tb o n d i n gb e t w e e nt h ec o a t i n ga n dt h es u b s t r a t ei se n s u r e db yt h es t r o n g m e t a l l u r g i c a li n t e r f a c e ．T h eq u a l i t yo fc o a t i n gi sv e r yw e l la n df r e ef r o mc r a c k sa n dp o r e s ．T h eh a r d n e s so ft h e c l a d d i n gi si m p r o v e db yN ba d d i t i o n ，a n dd e c r e a s e db yT ia d d i t i o n ，b u tt h ew h o l eh a r d n e s si s2 3t i m e sm o r e t h a nt h a tt h es u b s t r a t e ．T h ec l a d d i n gl a y e r sw i t ht h ea l l o ye l e m e n t sp o s s e s sg o o dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；N i S ia l l o y ；l a s e rc l a d d i n g ；m i c r o h a r d n e s s ；c o r r o s i o n r e s i s t a n c e 上接第2 9 页，C o n t i n u e df r o mP ．2 9 P r e p a r a t i o no fM o d i f i e dT i 0 2P h o t o c a t a l y s tS u p p o r t e d o nN i C u Z nF e r r i t ea n dI t sD e g r a d a t i o nP r o p e r t y S H UJ u a n 4 u a n ，Y A N GJ i a - k u a n ，H U A N GW e n ，X I A O1 3 0 C o l l e g eo fE n v i r o n m e n t a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，H u a z h o n gU n i v e r s i t yo f S c i e n c e ＆T e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 7 4 ，C h i n a A b s t r a c t 。 T h em o d i f i e d ’T i 0 2p h o t o c a t a l y s ts u p p o r t e do nN i C u Z nf e r r i t ei sp r e p a r e db yt h ec o m b i n a t i o no fs e l f p r o p a g a t i n gs y n t h e s i s ，s o l g e lp r o c e s s ，p o w d e r g e lp r o c e s sa n dc o - p r e c i p i t a t i o n ，a n di t i si n v e s t i g a t e db yX R D a n dS E M ．T h ec a t a l y t i cp e r f o r m a n c eo ft h em o d i f i e dT i 0 2p h o t o c a t a l y s ti st e s t e di nt h ed e g r a d a t i o np r o c e s so f m e t h y lo r a n g es o l u t i o n ．F o rt h em o d i f i e dT i 0 2p h o t o c a t a l y s t ，t h em a g n e t i cc a r r i e rw i t hZ n F e 2 0 4a n dN i F e 2 0 4a s m a i nc r y s t a li st h eb a s i cm a t e r i a l 。s i l i c o ns o la c t sa st h ef i r s tt r a n s i t i o nl a y e r ，l o wc o n c e n t r a t i o nT i 0 2l a y e rm a d e b yT i C l 3i st h ef o l l o w i n gi s o l a t i o nl a y e r ，a n dt h es u r f a c el a y e ri si m p r o v e db yt h em e t h o do fp o w e r - g e l ．T h et e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h ed e g r a d a t i o nr a t eo fm e t h y lo r a n g ew i t ht h i sm o d i f i e dc o m p o s i t ep h o t o c a t a l y s tc f l nr e a c ht o 9 0 ％． K e y w o r d s i n o r g a n i cn o n ．m e t a lm a t e r i a l ；T i 0 2p h o t o c a t a l y s t ；s e l f - p r o p a g a t i n gs y n t h e s i s ；s o l g e lp r o c e s s ； m a g n e t i cc a r r i e r 万方数据
展开阅读全文
