扫描速度对激光熔覆Fe-Al合金熔覆层组织及性能的影响

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.02.003

摘要/Abstract

摘要：

为提高工程用高强钢的耐蚀性并降低使用材料成本，采用光纤激光器在Q960E高强钢表面以同轴送粉工艺制备Fe-Al合金熔覆层，研究不同扫描速度对组织及耐蚀性的影响.结果表明，熔覆层的晶粒形态与元素分布及含量都受到扫描速度的影响.物相主要由DO₃结构的Fe₃Al相和B₂结构的FeAl相以共晶形式组成.熔覆层的硬度随扫描速度增加受晶粒细化的影响逐渐提高.3种扫描速度下的熔覆层自腐蚀电位随扫描速度增加先上升后下降，自腐蚀电流密度先减小后增大，经过极化后的熔覆层表面点蚀坑随扫描速度的增加先由深变浅，后点蚀坑面积扩大.

关键词: 激光熔覆, Fe-Al合金, 扫描速度, 微观组织, 电化学性能

Abstract:

In order to improve the corrosion resistance of engineering high‐strength steel and reduce the cost of materials used， a fiber laser was used to prepare Fe‐Al alloy cladding layer on the surface of Q960E high‐strength steel by coaxial powder feeding process and to study the effect of different scanning speeds on microstructure and corrosion resistance. The results show that the grain morphology， element distribution， and content of the cladding layer are affected by the scanning speed. The material phase is mainly composed of the Fe₃Al phase with DO₃ structure and the FeAl phase with B₂ structure in the eutectic form. The hardness of the cladding layer increases gradually with the scanning speed due to grain refinement. The self corrosion potential of the cladding layer at the three scanning speeds rises first and then decreases with the increase of scanning speed， and the self corrosion current density decreases first and then increases. With the increase of scanning speed， the pitting pits on the surface of the cladding layer after polarization first change from deep to shallow， and then the area of pitting pits expands.

Key words: laser cladding, Fe?Al alloy, scanning speed, microstructure, electrochemical properties

中图分类号:

TG 174

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图/表 19

表1 Q960E高强钢的化学成分（质量分数） (%)

Table 1 Chemical composition of Q960E high‐strength steel（mass fraction）

C	Si	Mn	Cr	Mo	P	S	Al	B	Fe
0.20	0.50	2.0	1.0	1.0	0.015	0.005	0.015	0.005	余量

图1 激光熔覆所使用的金属粉末（a）—铝合金粉末；（b）—纯铁粉末.

Fig.1 Metal powders used for laser cladding

表2 6061铝合金粉末的化学成分（质量分数） (%)

Table 2 Chemical composition of 6061 aluminum alloy powder（mass fraction）

Cu	Fe	Mg	Mn	Si	Ti	Zn	Cr	Al
0.25	0.7	0.9	0.15	0.6	0.15	0.25	0.35	余量

表3 纯铁粉末的化学成分（质量分数） (%)

Table 3 Chemical composition of pure iron powder （mass fraction）

C	P	S	Si	Mn	Fe
0.012	0.0015	0.011	0.005	0.001	余量

图2 不同激光扫描速度下所制备Fe-Al合金熔覆层的宏观形貌与探伤后形貌（a）—探伤前；（b）—探伤后.

Fig.2 Macroscopic morphology and flawed morphology of Fe-Al alloy cladding layer prepared at different laser scanning speeds

图3 不同扫描速度下所制备Fe-Al合金熔覆层表面光学形貌及横截面金相组织（a）（d）—50 mm/s；（b）（e）—75 mm/s；（c）（f）—100 mm/s.

Fig.3 Surface optical morphology and cross-sectional metallographic microstructure of Fe-Al alloy cladding layer prepared at different scanning speeds

图4 不同扫描速度下所制备Fe-Al合金熔覆层截面的SEM图（a）（d）（g）—50 mm/s；（b）（e）（h）—75 mm/s；（c）（f）（i）—100 mm/s.

Fig.4 SEM images of the cross section of Fe-Al alloy cladding layer prepared at different scanning speeds

图5 不同扫描速度下所制备Fe-Al合金熔覆层截面的EDS图（a）—50 mm/s；（b）—75 mm/s；（c）—100 mm/s.

Fig.5 EDS plots of the cross section of Fe-Al alloy cladding layer prepared at different scanning speeds

表4 不同扫描速度下所制备Fe-Al合金熔覆层截面沿表面至基底的点扫描元素含量（原子数分数） (%)

Table 4 Point scan of cross section from surface to substrate of Fe Al alloy cladding layer prepared at different scanning speeds（atom fraction）

元素	a₁	a₂	a₃	b₁	b₂	b₃	c₁	c₂	c₃
Al	14.64	10.48	11.16	14.84	11.70	13.34	13.20	9.20	8.08
Fe	85.36	89.52	88.84	85.16	88.30	86.66	86.80	90.80	91.92

图6 不同扫描速度下所制备Fe-Al合金熔覆层的XRD图谱

Fig.6 XRD patterns of Fe-Al alloy cladding layer prepared at different scanning speeds

图7 Fe-Al合金熔覆层EDS面扫图（a）—熔覆层的SEM图；（b）—Fe元素的面扫分布图；（c）—Al元素的面扫分布图；（d）—C元素的面扫分布图.

Fig.7 EDS surface scan of the Fe-Al intermetallic cladding layer

图8 不同扫描速度下所制备Fe-Al合金熔覆层表面至基底方向的硬度

Fig.8 Hardness of Fe-Al alloy cladding layer from surface to substrate direction prepared at different scanning speeds

图9 不同扫描速度下所制备Fe-Al合金熔覆层的晶粒尺寸分布

Fig.9 Grain size distribution of Fe-Al alloy cladding layer prepared at different scanning speeds

图10 不同扫描速度下所制备Fe-Al合金熔覆层的极化曲线

Fig.10 Polarization curves of the cladding layer at different scanning speeds

表5 不同扫描速度下所制备Fe-Al合金熔覆层的自腐蚀电位与自腐蚀电流密度

Table 5 Corrosion potential and corrosion current of the molten cladding layer at different scanning speeds

扫描速度/（mm·s^-1）	自腐蚀电位/V	自腐蚀电流密度
扫描速度/（mm·s^-1）	自腐蚀电位/V	A·cm^-2
50	-0.937	2.158×10^-6
75	-0.887	1.119×10^-6
100	-0.939	2.104×10^-6

图11 不同扫描速度下所制备Fe-Al合金熔覆层的EIS结果（a）—Nyquist图；（b）—Bode图.

Fig.11 EIS results of Fe-Al alloy cladding layer prepared at different scanning speeds

表6 不同扫描速度下的EIS拟合结果

Table 6 EIS fitting results at different scanning speeds

扫描速度/（mm·s^-1）	R_s/（Ω·cm²）	C_CPE1/（μF·cm^-2）	n₁	C_CPE2/（μF·cm^-2）	n₂	R_c/（Ω·cm²）	R_ct/（Ω·cm²）
50	6.271	3.527 2×10^-4	0.814 94	48.939×10^-4	0.813 93	1 556	383.9
75	4.586	6.551 6×10^-4	0.765 18	10.511×10^-4	0.500 51	876	1 022
100	5.629	3.797 9×10^-4	0.812 86	15.81×10^-4	0.597 15	1 009	600.1

图12 EIS拟合所用等效电路

Fig.12 Equivalent circuit used for EIS fitting

图13 不同扫描速度所制备Fe-Al合金熔覆层极化后的表面形貌（a）—50 mm/s；（b）—75 mm/s；（c）—100 mm/s.

Fig.13 Surface morphology after polarization of Fe-Al alloy cladding layer prepared at different scanning speeds

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