摘　要：研究了送粉激光熔覆添加Ce的可能性和對組織、性能的影響。結(jié)果表明，Ce可以細(xì)化組織，提高熔覆層的顯微硬度和耐磨性。
關(guān)鍵詞：稀土元素；顯微組織；顯微硬度；耐磨性

1　前言

激光熔覆技術(shù)作為新興的表面技術(shù)，具有熱變形小、稀釋率可控、組織極細(xì)、孔隙率小、界面為冶金結(jié)合和過程易實(shí)現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到迅速的發(fā)展[1～3]。利用這一高新技術(shù)，可在低成本基材上得到優(yōu)異的耐磨、耐蝕、高溫以及光、電、磁等性能；也可以對零部件表面進(jìn)行局部修復(fù)，具有廣闊的發(fā)展前景，越來越引起人們的關(guān)注。
稀土元素在金屬材料中的研究和應(yīng)用已有80多年的歷史。稀土在金屬材料中具有凈化、變質(zhì)和合金化的作用，可以不同程度改善金屬材料的一系列性能，如冶金、鑄造、熱加工性能，力學(xué)性能(韌性、低溫脆性)，表面性能，耐磨、耐蝕、抗氧化性能，焊接和高溫性能等，被譽(yù)為“鋼中的青霉素”。近20多年來，美、日、西歐等國把稀土研究開發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向高新技術(shù)應(yīng)用的新材料?，F(xiàn)在國際上把稀土譽(yù)為新技術(shù)革命中的戰(zhàn)略元素，高技術(shù)的生長點(diǎn)，新材料的寶庫[4]。稀土Ce在鋼中和化學(xué)熱處理、火焰噴涂、擴(kuò)散熱處理、電鍍等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，但在激光表面改性技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用得較少，雖有過報道[5]，但都停留在激光預(yù)置熔覆法和采用柱狀光源的階段，而且稀土元素的加入方式，主要以氧化物的形式，在寬帶送粉激光熔覆方面尤其稀土以單質(zhì)的形式加入，還未見報道。本文研究稀土送粉激光熔覆對組織和性能的影響。

2　試驗材料和方法

2.1　試驗材料

基底材料、熔覆材料分別為球墨鑄鐵(QT-50)和鐵基305粉(Fe5Cr4B4Si30Ni＋25WC)成分見表1。稀土Ce采用分析純粉末，添加量8，基體材料為鑄態(tài)組織，表面經(jīng)過銑床加工。表1　基體和熔覆材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))w()
　CMnCrNiBSiPSFe305　53044　余量QT-503．60．62　2．83＜0．1＜0．1余量2.2　試驗方法

激光熔覆采用中科院上海激光所研制的5kW　CO2激光器和JKF-6型寬帶涂覆送粉器。熔覆工藝：激光實(shí)際輸出功率P＝3.5kW，光斑尺寸為25mm×2mm，光束相對基體的掃描速度V＝1.65mm/s，送粉速率F＝450mg/s，噴嘴尺寸20mm×2mm，噴嘴距離試樣表面40mm，采用側(cè)送粉的方式。

采用JXA-840型(配有OxFord　ISS300能譜系統(tǒng))的掃描電鏡和德國MM6型金相顯微鏡，X射線衍射儀對熔覆層橫斷面的成分、組織和相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，掃描電鏡和金相試樣沿熔覆層橫向截取，經(jīng)研磨拋光后用腐蝕液腐蝕；用LETTZ顯微硬度計對熔覆層橫斷面進(jìn)行硬度測量；磨損試驗在SKODA快速磨損機(jī)上進(jìn)行，載荷砝碼15kg，轉(zhuǎn)速675r/min，總轉(zhuǎn)數(shù)3000r。

3　試驗結(jié)果和分析

3.1　顯微組織和相結(jié)構(gòu)

圖1給出兩種材料的激光熔覆層沿橫截面的顯微組織變化結(jié)果。Fe5Cr4B4Si30Ni＋25WC的熔化區(qū)由粗大的樹枝晶和分布在枝晶間的共晶體、分布于界面附近的塊狀WC硬質(zhì)相組成(圖1a)，并且枝晶的方向性并不明顯；而添加8稀土Fe5Cr4B4Si30Ni＋25WC粉末的熔覆層組織得到了明顯的細(xì)化(圖1b)，失去晶體生長的方向性，枝晶間共晶組織數(shù)量明顯增多，未熔碳化物的數(shù)量減少且偏聚于界面附近。上述兩種組織具有的共同特征是層狀結(jié)構(gòu)明顯，未熔碳化物分布于界面附近，添加稀土元素的組織得到明顯的細(xì)化。形成上述組織特征的原因可歸納為：①激光照射形成的熔池，在由溫度梯度引起的表面張力作用下，形成強(qiáng)烈的對流；熔覆材料尤其未熔碳化物的沖擊作用加劇了對流攪拌作用，改變了熔池的熱量分布，從而改變了枝晶的生長方向沿垂直于結(jié)合界面與散熱方向大致平行的相反方向生長，具有定向凝固特征的生長方式；②稀土Ce是表面活性物質(zhì)，可以降低表面張力，降低臨界晶核的形成功，提高了形核率，減少了二次枝晶間距；同時微量稀土元素吸附在晶核表面又阻礙晶粒長大，有效地細(xì)化激光熔覆層組織