激光熔覆高強(qiáng)韌鐵基合金涂層的組織及其軸承滾道服役性能

來(lái)源：機(jī)械工程材料

采用激光熔覆技術(shù)在42CrMo鋼表面制備出厚度超過(guò)3mm的含硼高強(qiáng)韌鐵基合金涂層(S1涂層)，研究了該涂層的顯微組織及其軸承滾道服役性能，并與商用高硬度M2涂層進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：S1涂層與基體之間結(jié)合良好，組織由馬氏體基體相和島狀共晶強(qiáng)化相M3C型碳化物組成；S1涂層的平均硬度約為883HV,是 M2涂層的1.1倍。在許用接觸應(yīng)力試驗(yàn)中，S1涂層表面的壓痕深度均小于滾動(dòng)元件直徑的10-4，表現(xiàn)出穩(wěn)定且優(yōu)異的抗塑性變形能力；S1涂層軸承心部的理論最大剪切應(yīng)力為377.38MPa，低于M2涂層軸承心部(392.03MPa)，遠(yuǎn)低于軸承材料的剪切屈服應(yīng)力(459MPa)，表現(xiàn)出較好的靜載荷承載能力。S1涂層的滾動(dòng)接觸疲勞壽命為2.66×107周次，是M2涂層的2倍。

1、試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)原料為采用真空氣霧化法自制的 Fe-C-B-X合金粉末以及M2粉末，其中 M2粉末的化學(xué)成分與M2高速鋼相似。2種粉末的粒徑均為53~150μm，形貌近似球形，如圖1所示。試驗(yàn)用基板為風(fēng)電軸承中常用的調(diào)質(zhì)態(tài)42CrMo低合金高強(qiáng)鋼，尺寸為150mm×70mm×15mm，使用前進(jìn)行精磨，酒精清洗并吹干。激光熔覆前，將粉末放入100℃烘箱中保溫2h。將采用激光熔覆制備的Fe-C-B-X合金涂層記作S1涂層，對(duì)比涂層為采用相同工藝制備的商用M2涂層。

采用大功率半導(dǎo)體激光熔覆系統(tǒng)進(jìn)行多層多道激光熔覆試驗(yàn)，設(shè)計(jì)涂層厚度大于3mm。該系統(tǒng)的主要設(shè)備包括半導(dǎo)體激光器、六軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械臂、氣動(dòng)送粉器及自主研發(fā)的同軸送粉噴嘴。經(jīng)工藝優(yōu)化后S1涂層與 M2涂層的激光熔覆工藝參數(shù)為激光功率 2kW、掃 描 速 度 3mm·s-1、送粉速率10g·min-1、離焦量0、激光光斑直徑7.2mm、搭接率40%，原料粉末通過(guò)載流氣氬氣吹入熔池，且采用氬氣對(duì)熔池進(jìn)行保護(hù)，氣體流量為9L·min-1。


1.2 試驗(yàn)方法
采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)及 透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)涂層截面的微觀形貌進(jìn)行觀察，TEM測(cè)試試樣制備步驟如下：沿涂層水平方向切取尺寸為10mm×10mm×0.7mm的薄片，通過(guò)機(jī)械磨拋使其厚度減薄至70μm以下，然后采用沖片機(jī)獲得直徑為3mm的薄片，并對(duì)其進(jìn)行電解雙噴及離子減薄從而制備出厚度小于100nm的薄區(qū)。在SEM圖像中測(cè)量涂層的高度H，基體熔深h，計(jì)算涂層的稀釋率η，計(jì)算公式為

采用維氏硬度計(jì)對(duì)涂層截面的顯微硬度進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試間距為0.2mm，試驗(yàn)載荷為4.9N，保載時(shí)間為15s。按照GB/T 7314—2017，采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)涂層的壓縮性能進(jìn)行表征，試樣取自涂層，取樣方向沿激光熔覆方向，試樣尺寸為ϕ2mm×4mm，壓縮方向與熔覆方向平行，加載速度為0.5mm·min-1。采用滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)涂層試樣進(jìn)行室溫滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)，試樣為外徑40mm、內(nèi)徑16mm、寬5mm的圓環(huán)，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為200r·min-1，外加載荷為3000N，冷卻方式為油冷，對(duì)磨材料為淬火態(tài)GCr15鋼。采用液壓式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)涂層試樣進(jìn)行許用接觸應(yīng)力測(cè)試，試樣尺寸為75mm×45mm×30mm，其中涂層厚度超過(guò)3mm，試驗(yàn)過(guò)程中采用尺寸為ϕ35mm×35mm滾柱對(duì)試樣進(jìn)行加載，根據(jù)GB/T 4662—2012，滾子軸承的最大許用接觸應(yīng)力Smax為4000MPa，則可計(jì)算得到滾柱最大負(fù)載，即許用接觸應(yīng)力測(cè)試最大加載載荷為260kN；滾柱最大負(fù)載Q的計(jì)算公式為

每個(gè)試樣進(jìn)行5次靜載荷許用接觸應(yīng)力測(cè)試，采用白光干涉儀對(duì)涂層表面壓痕深度進(jìn)行測(cè)量，并采用掃描電鏡對(duì)試樣的橫截面進(jìn)行觀察。若涂層的壓痕深度小于0.0001D(3.5μm)，則涂層滿足軸承靜載荷承載要求。

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 宏觀形貌與顯微組織

由圖2可知，S1涂層和M2涂層均與基體結(jié)合良好，且涂層的厚度都超過(guò)了3mm，分別為3.54，3.44mm。S1涂層與基體結(jié)合界面平滑，稀釋率小于5%，而M2涂層與基體結(jié)合界面呈波浪狀，稀釋率大于20%。

由圖3可見(jiàn)，S1涂層和M2涂層的顯微組織都由馬氏體基體和晶間強(qiáng)化相組成，其中S1涂層中的晶間強(qiáng)化相與基體組織形成了島狀共晶組織。由TEM明場(chǎng)像及相應(yīng)的選區(qū)電子衍射花樣可知，S1涂層中的晶間強(qiáng)化相主要為M3C型碳化物。M2涂層中晶間強(qiáng)化相的形貌與S1涂層相似，也與基體之間形成共晶結(jié)構(gòu)，共晶形貌為花瓣?duì)睿瑥?qiáng)化相類(lèi)型為M2C型碳化物。與S1涂層相比，M2涂層中的共晶強(qiáng)化相尺寸明顯減小。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要是在S1涂層中添加了少量的硼元素。硼元素在鐵液中的固/液兩相分配系數(shù)遠(yuǎn)小于1，在凝固過(guò)程中硼元素在晶界處發(fā)生偏析，提高了碳元素在鐵液中的活度，使得碳化物更易在晶界處析出，因此S1涂層中共晶強(qiáng)化相尺寸較大，含量較高。

2.2 靜載荷承載能力

2.2.1 涂層表面塑性變形

由圖4可知，S1涂層和M2涂層的平均壓痕深度分別為3.12，3.29μm，滿足軸承的靜載荷承載能力。然而，在第3次和第4次測(cè)試過(guò)程中，M2涂層的壓痕深度均超過(guò)3.5μm，分別為3.57，3.51μm。S1涂層的壓痕深度都低于3.5μm，說(shuō)明與M2涂層相比，S1涂層表現(xiàn)出更加穩(wěn)定且優(yōu)異的抗塑性變形能力。一般只有當(dāng)靜載荷超過(guò)軸承表面的屈服強(qiáng)度時(shí)，其表面才會(huì)發(fā)生塑性變形，從而留下永久壓痕。LAI等通過(guò)有限元模擬等方法建立了軸承表面塑性壓痕深度的預(yù)測(cè)模型，如下：

由式(4)可知，在最大許用接觸應(yīng)力相同的條件下，涂層的塑性壓痕深度取決于涂層的屈服強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度越高則涂層的塑性壓痕深度越淺。S1涂層的壓縮屈服強(qiáng)度較高，超過(guò)了3500MPa，大于M2涂層的壓縮屈服強(qiáng)度(3000MPa左右)，因此S1涂層的平均塑性壓痕深度低于M2涂層。

由圖5可見(jiàn)，許用接觸應(yīng)力試驗(yàn)后，S1涂層中不存在裂紋，而M2涂層中存在橫向裂紋和邊緣裂紋，且裂紋主要沿晶界擴(kuò)展并止于馬氏體之中。這是由于施加的靜載荷超過(guò)M2涂層的屈服強(qiáng)度，使涂層產(chǎn)生塑性流動(dòng)，而塑性流動(dòng)一般以拉應(yīng)力的形式對(duì)靠近基體處涂層的亞表面及涂層的邊緣造成損傷，從而產(chǎn)生裂紋。M2涂層的屈服強(qiáng)度與塑性均低于S1涂層，因此僅在M2涂層中發(fā)現(xiàn)裂紋。在接觸應(yīng)力的作用下，M2涂層的表面出現(xiàn)由塑性變形引起的層狀撕裂，其中塑性變形區(qū)域的深度超過(guò)3μm。然而S1涂層表面未觀察到明顯的塑性變形，這主要是由于S1涂層中含有大量尺寸較大的共晶碳化物，當(dāng)承受較大的接觸應(yīng)力時(shí)，大塊的共晶碳化物可以有效支撐涂層基體組織，從而防止其發(fā)生塑性變形。與S1涂層相比，M2涂層中共晶碳化物的含量較低，且尺寸細(xì)小，不能有效抵御涂層基體的塑性變形，因此涂層表面發(fā)生層狀撕裂。

2.2.2 軸承心部損傷
軸承的靜載荷承載能力除了需要考慮軸承表面的塑性變形外，還需要考慮軸承的心部損傷。前者是為了保證軸承的平穩(wěn)運(yùn)行，而后者則是確保軸承滾道的完整性，避免形成心部擠壓故障。靜載荷會(huì)使殼心界面處產(chǎn)生較高的剪切應(yīng)力，當(dāng)界面處硬化層的最大剪切應(yīng)力超過(guò)心部材料的剪切屈服應(yīng)力時(shí)，心部材料會(huì)產(chǎn)生塑性流動(dòng)，從而引起心部材料的損傷。一般軸承的靜載荷承載能力取決于硬化層的深度，硬化層深度不足會(huì)導(dǎo)致軸承心部損傷。當(dāng)軸承表面硬化層的硬度低于58HRC(660HV)時(shí)，隨著軸承表面硬度的降低，軸承的靜載荷承載能力下降。因此，一般軸承的硬化層表面硬度應(yīng)超過(guò)660HV。隨著硬化層深度的增加，其硬度逐漸降低至510HV，然后迅速降至心部材料的硬度，一般將硬度超過(guò)510HV區(qū)域的深度稱為軸承的有效硬化深度；心部損傷可能發(fā)生的部位通常位于有效硬化深度的110%處，即心部材料硬度的起始位置。由圖6可知，S1涂層的平均硬度約為883HV，是M2涂層(785HV)的1.1倍。由于S1涂層與M2涂層的硬度均超過(guò)660HV，滿足表面硬化層硬度要求。S1涂層與M2涂層的有效硬化深度分別為5.16，4.92mm。

為了預(yù)測(cè)軸承心部的承載能力，對(duì)最大許用靜載荷條件下軸承心部承受的最大剪切應(yīng)力τ進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為

式中：ζ為與無(wú)量綱深度z/b有關(guān)的函數(shù)；z為有效硬化深度的110%；b為接觸面的半寬，接觸面近似為矩形。

式(5)中∑ρ取0.05726，le取35mm，Q為260kN，對(duì)于S1涂層和M2涂層，z分別為5.68，5.41mm，計(jì)算得到z/b分別為4.73，4.51，則ζ分別為0.103，0.107。將上述參數(shù)代入式(5)，計(jì)算得到S1涂層和M2涂層軸承心部的理論最大剪切應(yīng)力分別為377.38，392.03MPa。根 據(jù)JB/T 10705—2007，軸承套圈一般采用符合GB/T3077—1999規(guī)定的42CrMo鋼制造，其抗拉強(qiáng)度約為1080MPa。研究表明，材料的剪切屈服應(yīng)力約等于抗拉強(qiáng)度的0.425倍，因此42CrMo鋼的剪切屈服應(yīng)力為459MPa，遠(yuǎn)高于最大許用靜載荷在激光熔覆S1和M2涂層軸承心部產(chǎn)生的理論最大剪切應(yīng)力。因此，激光熔覆表面強(qiáng)化的軸承不會(huì)因靜載荷作用而發(fā)生心部損傷，且激光熔覆S1涂層軸承心部的理論最大剪切應(yīng)力較小，因此表現(xiàn)出較好的靜載荷承載能力。

2.3 滾動(dòng)接觸疲勞性能

S1涂層的平均滾動(dòng)接觸疲勞壽命為 2.66×107周次，是M2涂層(1.30×107周次)的2倍。由圖7可知，S1涂層和M2涂層的疲勞失效形式均主要為整體分層，大面積的涂層從基體表面剝落，其中剝落區(qū)域呈近橢圓形狀，其長(zhǎng)軸平行于滾動(dòng)方向，而短軸垂直于滾動(dòng)方向。該現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于在循環(huán)載荷的作用下涂層與基體界面處產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力，造成裂紋在界面處萌生與擴(kuò)展，最后導(dǎo)致涂層與基體分離。S1涂層表面非整體分層區(qū)域還存在輕微的磨損，表面發(fā)現(xiàn)少量淺磨痕，未觀察到麻點(diǎn)、剝落坑等疲勞失效特征。與S1涂層相比，M2涂層表面存在明顯的塑性變形痕跡以及剝落坑，表明M2涂層除了發(fā)生整體分層失效外，還發(fā)生點(diǎn)蝕及剝落失效。

由圖8可見(jiàn)：M2涂層整體分層區(qū)域底部的基體表面相對(duì)平坦，存在少量表面裂紋及較淺的起皮，表明在剪切應(yīng)力作用下大塊的涂層從基體表面直接剝落，涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度相對(duì)較低；S1涂層整體分層區(qū)域底部的基體表面存在大量的黏附剝離塊，形成層狀形貌，表明涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度較高。S1涂層非整體分層區(qū)域相對(duì)光滑，表面只有少量輕微的磨削紋理。與S1涂層相比，M2涂層表面磨削紋理數(shù)量增多，深度增大，同時(shí)表面存在明顯的塑性變形痕跡。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要與涂層表面的硬度有關(guān)。S1涂層表面的硬度接近900HV，M2涂層的表面硬度約為800HV，而滾動(dòng)接觸疲勞的對(duì)磨試樣的表面硬度約為830HV，因此試驗(yàn)后M2涂層表面存在較深的磨削紋理，而S1涂層表面的磨削紋理較淺。

涂層表面的高硬度可以有效地抵抗疲勞循環(huán)造成的表面損傷，并在疲勞載荷的重載下改善涂層的滾動(dòng)接觸疲勞性能。由圖9可知，S1涂層剝落坑中僅發(fā)現(xiàn)基體組織，表明涂層與基體之間發(fā)生整體分層，而未從基體表面剝落的涂層中沒(méi)有出現(xiàn)表面塌陷及疲勞裂紋。M2涂層剝落坑的微觀形貌與S1涂層相似，在剝落坑中僅存在基體組織，說(shuō)明涂層與基體間發(fā)生整體分層；在未完全剝落的M2涂層中出現(xiàn)涂層壓碎、表面坍塌及疲勞裂紋等現(xiàn)象。M2涂層中增強(qiáng)相含量較少、尺寸較小，不能作為強(qiáng)化骨架有效支撐馬氏體基體，因此涂層在疲勞重載下發(fā)生塌陷。此外，由于滾動(dòng)接觸疲勞的接觸應(yīng)力較大，而M2涂層的硬度較低，因此滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)后涂層截面中存在明顯的塑性變形、表面裂紋和起皮以及剝落損傷。與M2涂層相比，S1涂層中大量的大尺寸共晶增強(qiáng)相能夠有效支撐馬氏體基體，防止其在疲勞載荷下發(fā)生坍塌，因此S1涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的滾動(dòng)接觸疲勞性能，未觀察到明顯的塑性變形、裂紋及剝落等現(xiàn)象。

結(jié) 論

(1)激光熔覆自主研發(fā)的Fe-C-B-X 合金粉末制備的高強(qiáng)韌鐵基合金涂層(S1涂層)的厚度為3.54mm，涂層與基體間結(jié)合良好，結(jié)合界面平滑，稀釋率小于5%，而激光熔覆商用M2粉末制備的M2涂層與基體結(jié)合界面呈波浪狀，稀釋率大于20%；S1涂層的顯微組織由馬氏體基體相和島狀共晶強(qiáng)化相組成，其中共晶強(qiáng)化相主要為M3C型碳化物，而M2涂層則由馬氏體基體相和花瓣?duì)罟簿��?qiáng)化相組成，強(qiáng)化相類(lèi)型為M2C型碳化物，且S1涂層的共晶強(qiáng)化相尺寸較大，數(shù)量較多。


(2)S1涂層的平均硬度約為883HV，是M2涂層的1.1倍。在最大接觸應(yīng)力為4000MPa的許用接觸應(yīng)力試驗(yàn)中，S1涂層表面的壓痕深度均小于滾動(dòng)元件直徑的10-4，表現(xiàn)出穩(wěn)定且優(yōu)異的抗塑性變形能力；激光熔覆S1涂層軸承心部的理論最大剪切應(yīng)力為377.38MPa，低于激光熔覆M2涂層軸承心部(392.03MPa)，遠(yuǎn)低于軸承材料40CrMo鋼的剪切屈服應(yīng)力(459MPa)，S1涂層表現(xiàn)出更好的靜載荷承載能力。

(3)S1涂層具有優(yōu)異的滾動(dòng)接觸疲勞性能，其疲勞壽命(2.66×107周次)是M2涂層的2倍，失效形式主要為整體分層失效。S1涂層的高硬度以及其中存在的大量大尺寸共晶強(qiáng)化相可以有效地防止其在疲勞載荷下發(fā)生坍塌，從而提升滾動(dòng)接觸疲勞性能。