激光功率对镍铝青铜合金上激光熔覆镍基复合涂层微观结构及性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Effect of laser power on microstructure and properties of laser cladding Ni-based composite coating on Nickel Aluminum Bronze alloy

激光熔覆镍基合金涂层在NAB合金上的应用研究。采用等离子喷涂预处理NAB基体，再通过激光熔覆形成复合涂层，分析其显微组织、硬度及耐腐蚀性。结果表明：激光熔覆涂层由Ni3B、M7C3、Cr5B3和M23C6等强化相组成，表层细等轴晶或颗粒状结构，中间层柱状晶，过渡区富集γ-Ni3Al和Cu3Al相。2000W激光功率下涂层硬度达基体4.5倍（913.13HV0.5），腐蚀电位-0.604V，电流密度2.899×10^-7A·cm^-2，耐蚀性最佳。

　　

刘坤|王立翔|黄丽金|荆乐|李杰

江苏科技大学材料科学与工程学院，镇江212100，中国

摘要

由于镍铝青铜（NAB）合金对红外激光具有高反射率和高导热性，直接通过激光熔覆在NAB合金上制备涂层既困难又具有挑战性。在本研究中，首先通过等离子喷涂在NAB基底上沉积Ni60A涂层，然后采用激光熔覆Ni60A粉末形成复合涂层。系统地研究了涂层的微观结构、显微硬度和耐腐蚀性。结果表明，激光熔覆涂层中的强化相主要由Ni₃B、M₇C₃、Cr₅B₃和M₂₃C₆组成。激光熔覆涂层的表层呈现细小的等轴树枝晶或颗粒状晶粒。M₃C₂相作为成核点，CrB₄作为主要相在过冷度较高的方向优先生长，最终形成十字形树枝晶。中间层特征为粗大的柱状树枝晶，而过渡层则以γ-Ni₃Al和Cu₃Al相为主。当激光功率为2000 W时，激光熔覆涂层的底部获得了最大的显微硬度，约为913.13 HV_0.5，是NAB基底硬度的4.5倍。此外，腐蚀电位达到最高值?0.604 V，腐蚀电流密度最低为2.899×10^?7 A·cm^?2，表明在2000 W功率下获得了最佳的耐腐蚀性。

引言

镍铝青铜（NAB）合金因其优异的耐腐蚀性、良好的机械强度和高抗疲劳性而被广泛用于船舶螺旋桨叶片等海洋部件[1]、[2]。此外，NAB合金的低密度有助于减轻海洋结构的整体重量，从而提高螺旋桨的推进效率。然而，由于NAB合金的材料特性与恶劣的海洋环境相互作用，它容易在海水中发生电化学腐蚀和空化侵蚀[3]、[4]、[5]。腐蚀主要发生在与腐蚀介质直接接触的材料表面，不会影响螺旋桨的内部微观结构[6]、[7]。因此，可以通过表面改性技术有效改变NAB合金的表面形态和成分[8]，从而提高其抗侵蚀和耐腐蚀性。

近年来，研究人员对NAB合金的表面改性技术进行了大量研究，包括热喷涂[9]、激光熔覆[10]、[11]、摩擦搅拌加工[12]、[13]和喷丸处理[14]、[15]。其中，热喷涂涂层容易脱落，与基底的结合强度较低；而摩擦搅拌加工无法产生表面强化相。相比之下，激光熔覆作为一种高效的表面改性技术，可以在NAB表面制备含有细小强化相的耐腐蚀复合涂层[16]、[17]、[18]，从而显著延长螺旋桨材料的使用寿命。然而，由于铜合金对红外激光具有极高的反射率和导热性，激光熔覆在这些材料上常常面临涂层形成不良和加工不稳定的问题[19]、[20]。具体来说，低激光能量吸收效率导致能量输入不足，而快速的热量散发使得难以在表面达到熔化温度，从而导致涂层与基底的结合力弱[21]。这些问题使得直接通过激光熔覆在NAB上制备复合涂层变得非常具有挑战性。激光功率对激光熔覆制备的涂层的微观结构和性能有显著影响[22]。通过调整激光功率来改善涂层与基底的结合力是一个有趣的方法。当前的研究表明，在对铜合金进行激光处理时，研究人员通常采用几种策略：使用较短波长的激光（蓝光激光或绿光激光）或改进传统的红外激光方法[23]、[24]、[25]。后者通常涉及表面预处理或粉末预放置，在铜合金表面沉积一层中间层，以提高润湿性并降低红外反射率。例如，Tang等人[26]通过在铜合金表面预先放置铝粉层，然后进行激光表面处理，获得了无裂纹缺陷的均匀合金层。该合金层由β相组成，其抗空化能力是基体材料的30倍。同样，Tam等人在铜合金表面沉积了约100 μm厚的Ni-Cr-Fe-WC粉末，并在合理条件下成功实施了激光熔覆工艺。由于存在富镍强化相，材料的耐腐蚀性提高了约9倍。目前，最常用的激光熔覆材料是基于Fe和Ni的合金粉末。基于Ni的合金粉末因其高强度和优异的耐腐蚀性而受到青睐。此外，Cu和Ni之间的无限互溶性以及它们在热膨胀系数上的小差异有助于减少激光熔覆和冷却过程中由热应力引起的裂纹风险。因此，考虑到它们与NAB基底的良好兼容性，基于Ni的合金粉末被广泛用于镍铝青铜合金的激光熔覆。

在本研究中，使用Ni60A合金粉末作为激光熔覆材料，并通过等离子喷涂在NAB合金表面预先沉积Ni60涂层。然后利用激光熔覆在NAB基底上制备高质量的基于Ni的复合涂层。通过改变激光功率，研究了工艺参数变化对涂层微观结构和性能的影响。应用多种表征技术系统分析了原位强化相的类型、涂层微观结构和耐腐蚀性。这项工作旨在充分利用NAB合金的潜力，进一步提高NAB螺旋桨叶片的耐腐蚀性。这对于通过激光熔覆在NAB合金表面制备基于Ni的复合涂层的理论研究具有重要意义。

材料与预处理

本研究选择了镍铝青铜（NAB）合金（CuAl9Fe4Ni4Mn2）作为激光熔覆的基底材料，该合金因其优异的耐腐蚀性和抗空化性而常用于海洋螺旋桨应用。基底尺寸为100 mm × 80 mm × 10 mm。铸态合金的微观结构由α相基体、β′马氏体相和κ相沉淀物组成。选择基于Ni的合金粉末（Ni60A）作为激光熔覆材料。

激光熔覆涂层的微观结构

为了研究激光熔覆涂层的相组成及工艺参数对相形成的影响，图3(a)展示了涂层的XRD图谱。涂层主要由γ-(Cu, Ni)、Cr₅B₃、Ni₃B、M₂₃C₆（Cr₂₃C₆）和M₇C₃（Cr₇C₃）组成。其中，Cr₅B₃、M₂₃C₆和M₇C₃是涂层中的主要强化相。

结论

镍铝青铜（NAB）合金在复杂的海洋环境中容易受到各种类型的腐蚀。在其表面制备激光熔覆涂层是提高耐腐蚀性的有效方法。由于镍铝青铜（NAB）合金对红外激光的高反射率和高导热性，直接制备激光熔覆涂层具有挑战性。在本研究中，首先通过等离子喷涂在NAB基底上沉积Ni60A涂层，

作者贡献声明

王立翔：撰写——初稿，研究，正式分析，方法论。黄丽金：撰写——审稿与编辑，概念化，数据管理，方法论。刘坤：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，项目管理，方法论，研究，概念化，资金获取，验证。李杰：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理，研究。荆乐：研究，正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52105351）、江苏省高等教育机构自然科学基金（项目编号24KJA460002）以及江苏科技大学“沈兰人才计划”（项目编号2023）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。