中国腐蚀与防护学报, 2025, 45(4): 849-858 DOI: 10.11902/1005.4537.2024.378

综合评述

42CrMo钢表面激光熔覆涂层的研究现状及进展

孙方红1, 任延杰,2, 宋文卿3

1 浙江科技大学创新创业学院 杭州 310023

2 浙江科技大学机械与能源工程学院 杭州 310023

3 惠雨恩科技(深圳)有限公司 深圳 518132

Research Status and Progress of Laser Clad Coatings on 42CrMo Steel

SUN Fanghong1, REN Yanjie,2, SONG Wenqing3

1 College of Innovation and Entrepreneurship, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China

2 School of Mechanical and Energy Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China

3 Huiyun Technology (Shenzhen) Co., Ltd., Shenzhen 518132, China

通讯作者: 任延杰,E-mail:yjren@zust.edu.cn,研究方向为动力装备高温材料服役安全性能评价

收稿日期: 2024-11-22   修回日期: 2025-02-25  

基金资助: 国家自然科学基金.  52171066
浙江省教育厅一般科研项目.  Y202352005

Corresponding authors: REN Yanjie, E-mail:yjren@zust.edu.cn

Received: 2024-11-22   Revised: 2025-02-25  

Fund supported: National Natural Science Foundation of China.  52171066
General Scientific Research Project of Zhejiang Provincial Department of Education.  Y202352005

作者简介 About authors

孙方红,男,1980年生,博士,副教授

摘要

42CrMo钢作为高强度合金钢,在机械制造、汽车工程、石油化工、航天航空等领域得到广泛应用,然而,为应对更严苛的使用环境并拓宽其应用范围,进一步提升其耐磨性和耐蚀性显得尤为迫切。文章综述了近年来42CrMo钢表面激光熔覆涂层的国内外研究进展,分析了熔覆材料、工艺优化、熔覆层微观组织与显微硬度、耐磨性及磨损机理、耐蚀性及耐蚀机理等方面研究进展及存在问题,并对42CrMo钢表面激光熔覆技术的发展趋势进行了展望,旨在为提升42CrMo钢的综合性能提供理论依据和技术参考。

关键词: 42CrMo钢 ; 激光熔覆 ; 工艺参数 ; 磨损机理 ; 耐蚀机理

Abstract

As a high-strength alloy steel, 42CrMo steel is extensively used in the fields of machinery manufacturing, automotive engineering, petrochemicals, and aerospace et al. due to its remarkable mechanical properties. Nevertheless, in order to cope with the harsher service environments, it is imperative to further enhance its wear resistance and corrosion resistance. This paper comprehensively reviews the research progress of laser cladding technology applied to 42CrMo steel at home and abroad. It examines the recent progress and existing problems in aspects such as the cladding materials, optimization of process parameters, microstructure and microhardness, wear resistance and wear mechanisms, corrosion resistance and anticorrosion mechanism of the clad coatings. Moreover, it looks forward to the development trend of laser cladding technology for the surface modification of 42CrMo steel, aiming to provide a theoretical basis and technical reference for enhancing the comprehensive performance of 42CrMo steel.

Keywords: 42CrMo steel ; laser cladding ; process parameters ; wear mechanism ; anticorrosionmechanism

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孙方红, 任延杰, 宋文卿. 42CrMo钢表面激光熔覆涂层的研究现状及进展. 中国腐蚀与防护学报[J], 2025, 45(4): 849-858 DOI:10.11902/1005.4537.2024.378

SUN Fanghong, REN Yanjie, SONG Wenqing. Research Status and Progress of Laser Clad Coatings on 42CrMo Steel. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection[J], 2025, 45(4): 849-858 DOI:10.11902/1005.4537.2024.378

42CrMo钢是一种高强度的合金钢,广泛应用于制造要求高韧性和高疲劳强度的机械零件,如海洋港口轨道、矿用截齿、掘进机液压伸缩筒、各类辊件(轧辊、足辊)、盾构机主轴承、钻头、齿轮、石油钻杆、活塞杆以及发动机关键部件(缸体、活塞)和汽车传动轴等。尽管42CrMo钢本身已展现出良好的综合性能,但在面对更为严苛的使用环境时,如要求较高的耐磨性和耐腐蚀性,其表面性能仍需进一步提升以满足实际需求。在此背景下,提升42CrMo钢表面强化技术显得尤为重要。目前,多种表面强化技术如激光熔覆、热喷涂、物理气相沉积及表面热处理等均已被探索和应用[1~3]。其中,激光熔覆技术因其在提高结合强度、耐磨性、耐蚀性等方面的显著优势,以及热影响区小、适用于复杂形状零件、生产效率高等特点,成为提升42CrMo钢性能的有效手段。通过激光熔覆,不仅能够显著提升42CrMo钢力学性能,还能有效延长其使用寿命,进而拓宽其应用领域至航天航空、汽车工业、能源、模具制造、海洋工程及化工设备等多个重要行业。

文章综述了近年来42CrMo钢表面激光熔覆研究进展,探讨了熔覆材料选择、工艺优化、熔覆层组织与显微硬度、磨损机理及耐蚀性改善等研究进展及存在问题,期望为科技人员提高42CrMo钢性能、拓宽其适用范围提供参考。

1 熔覆材料

在42CrMo钢表面实施激光熔覆时,熔覆材料选择是确保涂层质量与性能的关键步骤。科学的选材需综合考虑材料的热膨胀系数、熔点及润湿性,以实现涂层与基体的完美匹配[4~6]。热膨胀系数相近避免可能产生的应力集中,保证涂层结合强度;熔点相近则能减少熔覆中的孔洞和结合问题;而良好的润湿性则是防止成分偏析和裂纹产生的关键。因此,结合具体的应用场景与需求,进行精准选材与优化配比,不仅能有效降低因材料不匹配所带来的质量问题,减少重复性工作,还能进一步推动激光熔覆技术在42CrMo钢的应用向更高层次迈进。

1.1 自熔性合金粉末

对于42CrMo钢表面激光熔覆,自熔性合金粉末是常见材料,主要包括铁基、钴基、镍基等,熔点范围约为950~1150 ℃,有效减少涂层中的气孔和裂纹,拓宽了其工业应用[7]。其中,铁基合金粉末以Fe为基,添加Cr、Si、Mo、W等元素而组成,Fe55是常见42CrMo钢激光熔敷铁基涂层。因化学成分和膨胀系数与42CrMo钢接近,形成的涂层耐磨耐蚀,其成本效益显著(仅为镍基的1/4~1/5,钴基的1/8~1/9),易于加工,但易氧化、产生裂纹、气孔等缺陷[8];钴基合金粉末是以Co为基,加入Cr、W、Fe等元素而组成,其因抗高温、耐磨损、耐腐蚀性能优异而著称,Stellite-6是常见42CrMo钢激光熔敷钴基涂层。熔覆过程中生成碳化物(M7C3M23C6等)提高了基材硬度和耐磨性,被广泛应用于需要耐高温、氧化、磨损、腐蚀和热疲劳设备和部件的表面强化或修复[9]。然而,缺点是成本高、裂纹敏感性强等;镍基合金粉末,通常含有Ni和其他合金元素,如Ni60、NiCrBSi、SD-3等是常见42CrMo钢激光熔敷镍基涂层,具有较高耐蚀性、耐热性和耐磨性等,尤其被广泛应用于酸性和高温环境中服役的零件表面强化或修复[10,11],其缺点是成本较高(低于钴基,高于铁基)、涂层裂纹敏感性高、易产生孔洞和夹杂等。另外,科研人员还采用铜合金作为自熔性合金粉末,在42CrMo钢表面激光熔覆制备涂层。如Wan等[12]和程梦颖等[13]在42CrMo钢表面激光熔敷CuPb10Sn10铜合金形成自润滑抗摩擦材料层,满足零件的抗摩擦要求。

1.2 陶瓷基粉末

陶瓷基粉末也是42CrMo钢激光熔覆常用的涂层材料,如金刚石、TiC、WC等,其耐高温性、硬度、耐磨性、耐蚀性及抗氧化性较好,显著提升基体性能[14]。但是,单一的陶瓷基粉末与42CrMo钢热膨胀系数、弹性模量等存在差异,在激光熔覆过程中涂层容易产生残余内应力、裂纹及空洞等缺陷而失效,限制了其进一步应用。

1.3 复合材料粉末

现有研究表明,在42CrMo钢表面通过激光熔覆技术构建保护层时,若仅依赖自熔性合金或陶瓷粉末作为熔覆材料,已难以满足对材料性能的更高要求[15]。所以,采用两种或多种熔覆材料复合(如Fe-WC、NiCrBSi/WC-Co等)进行激光熔覆,其性能显著超越了使用单一熔覆材料所能达到的水平,具有更优异的强度、韧性、硬度和耐磨性[15],目前常见的42CrMo钢激光熔覆复合涂层有Fe06 + (TiC/Mo)、Fe-Cr-C-Si-Ni-Mo-Mn-(Nb,V)、WC/Co06、NiCrBSi/WC-Co、CeO2/Stellite-6等。另外,科研人员在复合材料中引入稀土元素、ZrH2、ZrO2等活性成分[14],形成新型复合熔覆材料,不仅增强涂层硬度和耐磨性,同时改善了其在极端环境下的稳定性,为特定工业应用环境如航空航天、汽车制造和重工业等领域提供了更广泛的材料选择。

1.4 高熵合金粉末

高熵合金是一类由5种或更多主要元素以接近等原子比组成的合金。与传统合金相比,高熵合金具有显著的比强度,良好的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温氧化性和综合力学性能[16,17]。近年来,科研人员通过在涂层中添加Al、Ti、Cr等元素提升耐磨性,加入Nb、Mo、Cr等元素增强耐蚀性,并引入陶瓷颗粒(如WC、SiC)作为增强相,进一步提高高熵合金涂层抗磨抗蚀性能,AlCoCrFeNi、CoCrFeNiTi等是目前常见的42CrMo钢激光熔覆高熵合金涂层。因此,激光熔覆制备高熵合金涂层广泛应用于航空航天、海洋工程、生物医学等领域,也是近年来研究热点[6]。然而,其化学组成复杂难控、相变行为复杂易裂、界面结合强度需提升等问题仍需解决。总之,42CrMo钢表面激光熔覆材料的选择取决于所需的性能改进目标,如耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性等,以及成本和工艺的可行性。通过合理选择熔覆材料和激光熔覆技术结合,能够为42CrMo钢表面制备出符合特定应用需求的高性能涂层。

2 熔覆工艺优化

针对42CrMo钢激光熔覆工艺优化,涉及多个参数的调整,以确保获得高质量涂层[18]。主要参数包括激光功率、扫描速度、送粉速率、搭接率、光斑直径、涂层厚度、粉末粒度等,其对涂层质量、硬度、稀释率、耐蚀性和耐磨性等有显著影响。表1列出了42CrMo钢激光熔覆设备及最佳工艺参数等,供科研人员参考。

表1   42CrMo钢激光熔覆设备及最佳工艺参数[19~24]

Table 1  Laser cladding equipments and optimal process parameters for 42CrMo steel[19~24]

Process

Coating

NiCrBSiFe55Stellite-6TiCCo-WC-TiC- diamond-ZrH2FeCoNiCr- Nb0.5Mo0.25
Equipment modelYLS-6000ZKZM RF-2000TRUMPFDDISK-12003UnspecifiedFWC100C100-F200FL020
Laser power / kW222.530.701.2-1.4
Scanning speed mm·min-1360260480220180180
Powder feed rate g·min-115-141521-
Overlapping ratio / %-40303030-
Spot diameter / mm-343-4
Pretreatment120 ℃, 2 h120 ℃, 2 hTemperature not300 ℃300-310 ℃,< 100 ℃, 2 h
specified, 2 hSandbox insulation
Coating thickness-Single layer:-2-5-1.5
mm0.582 mm, three
layers: 1.55 mm
Powder particle size45-10550-10050-16050-100Co and WC: 6038-74
μmDiamond powder: 100
TiC and ZrH2: 0.5

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表1可以看出,42CrMo钢激光熔覆工艺涉及多个相互关联的工艺参数,这些参数对涂层宏观形貌、整体质量及性能具有至关重要的影响[25~27]。激光熔覆过程中,功率过高可能导致熔池过大产生裂纹和气孔,功率过低则可能导致粉末未完全熔化,影响涂层致密性;扫描速度过快可能导致涂层不致密,速度过慢则可能导致过度熔化和热影响区扩大;过高的送粉速率可能导致熔覆材料未能充分熔化而增加孔隙率和裂纹倾向,过低的送粉速率则可能使熔池中的熔覆材料不足而影响涂层厚度和均匀性;光斑直径影响激光能量的分布和密度,较大光斑直径降低能量密度、减少材料过热和气化现象而导致降低熔覆效率,较小光斑直径则能提高能量密度、促进材料熔化而操作难度增加;不适当的搭接率可能导致涂层出现未熔合区域或重叠过度;42CrMo钢表面激光熔覆之前,一般要进行预热和保温处理,温度一般低于400 ℃以下,保温时间2 h左右。

相关文献表明,通过调控稀释率和优化熔池动态行为能够影响涂层质量。其中,激光功率与扫描速度作为激光熔覆工艺中的核心要素,对熔覆效果起着至关重要的作用[28~31]。另外,在42CrMo钢激光熔覆过程中增加磁场辅助技术,可优化微观组织结构,降低气孔及裂纹率,有助于提高涂层的性能[32,33]。Qi等[34~36]研究表明在42CrMo钢表面激光熔覆时分别加入磁场、电场和超声场辅助,可以减少涂层缺陷,细化涂层微观结构,保证元素分布均匀,降低摩擦系数,提高显微硬度和耐磨性。但这些技术由于工艺复杂,且成本较高,不适合大规模的零件制造。

目前,国内外科研人员进行了激光熔覆工艺参数优化方法的研究,以期获得高质量涂层。常见的优化方法有正交试验、响应面法、灰色关联法、人工神经网络、元启发式算法等统计方法[34],其中正交试验法通过正交表设计和分析多因素试验,以较少的试验次数快速准确地进行工艺参数寻优,特点是经济有效,但最优组合受限于试验水平,收敛速度较慢,结果精度较低;响应面法通过试验设计和数学建模,分析工艺参数之间的交互作用,并建立工艺参数与响应目标之间的函数关系,特点是建模精度高,适合多变量问题,但试验点需包含最佳试验条件,否则优化结果可能产生偏差;灰色关联法是一种灵活且易于实施的统计分析方法,其核心在于通过计算各因素之间的关联度来揭示它们之间的内在联系,特点是灵活性高、易于实施、结果直观,但也存在信息利用有限、易受主观性影响等缺点;人工神经网络通过模拟人脑神经系统求解非线性问题,具有高度非线性拟合能力,特点是神经网络预测精度高,但可能存在局部最优解问题;元启发式算法基于自然现象发展而来,可有效求解复杂优化问题,特点是算法求解精度高,收敛性好,但算法设计复杂。如刘家伟[31]采用正交试验对42CrMo钢激光熔覆工艺参数进行优化,获得不同梯度亚层的涂层各层工艺参数与搭接率(如第二梯度亚层最佳工艺参数:激光功率0.750 kW,扫描速度300 mm/min,送粉速率5.6 g/min,搭接率30%)。崔宸[24]采用响应面法及目标遗传算法获得42CrMo钢激光熔覆最佳工艺参数:激光功率在1.6~1.65 kW之间,扫描速度在425~440 mm/min之间。

未来,42CrMo钢激光熔覆工艺参数优化将综合多种算法建立混合式智能优化算法,提高优化效率和精度;将更多力学性能指标纳入优化评价体系,同时关注绿色制造理念下的能耗和碳排放问题;建立设备、材料、方法的数据库,开发专用优化仿真软件,实现涂层的快速智能化优化。

3 涂层显微组织与硬度

在42CrMo钢表面激光熔覆研究中,硬度是评价熔覆涂层性能的关键指标。科研人员选用了不同熔覆材料,并在42CrMo钢表面激光熔覆保护层,研究涂层显微组织对其硬度的影响关系,以期满足各种工业应用的需求。

卢庆亮等[20]、Ju等[37]和蔡志海等[38]分别采用不同的铁基材料,在42CrMo钢表面激光熔覆制备了结合紧密、组织多样的涂层。显微组织普遍呈现出从平面晶、胞状晶或柱状晶到等轴晶的逐渐过渡(图1a),且均包含多种晶态结构,如细胞晶、枝晶等;在硬度方面,与42CrMo钢相比,铁基涂层平均硬度均提升2~3倍,有效提高了基体硬度。符定梅和王开明[19]、Hu等[30]和Yang等[39]在42CrMo钢表面激光熔敷制备了NiCrBSi或SD-3镍基合金涂层。其显微组织基本呈现出从平面晶、树枝晶到等轴晶的逐渐过渡,且包含多种晶态结构,如柱状晶、胞状晶、细枝晶等(图1b);与42CrMo钢相比,镍基涂层平均硬度提升2倍左右。因此,无论是铁基涂层还是镍基涂层,其显微组织中的复杂晶态结构及合金元素的添加都有利于涂层硬度的提升。

图1

图1   42CrMo钢表面激光熔覆制备的4种典型涂层的表面形貌[19,20,41,47]

Fig.1   Surface morphologies of the coatings prepared by laser cladding on 42CrMo steel[19,20,41,47] (a) Fe based coating, (b) Ni-based coating, (c) ceramic based coating, (d) high entropy alloy coating


文献[13,40~45]等分别采用不同的复合材料(如钴基金刚石、Stellite6 + B4C、Fe06 + (TiC/Mo)、不锈钢粉掺杂Ni-WC、镍基复合WC和Mo、NiCrBSi/WC-Co以及纳米-亚微米TiC增强超细晶铁基涂层)在42CrMo钢表面激光熔覆制备保护层。研究表明,显微组织也呈现出从平面晶、胞状晶或柱状晶到等轴晶的逐渐过渡(图1c),且形成多样化的晶粒结构,如平面晶、柱状晶、胞状晶、树枝晶等;与42CrMo钢相比,复合涂层硬度提高的倍数从1.42倍到3.98倍不等[13,40~45],这与复合材料种类、添加量以及激光熔覆工艺参数等因素有关。其中,Fe06 + 20%TiC复合涂层硬度提高倍数最高,达到了3.98倍[41]

另外,肖志玲等[22]在42CrMo钢表面激光熔覆TiC涂层,涂层与基材之间有清晰平整熔合线,组织从内向外依次为胞状碳化物、板条状马氏体和枝状晶等;涂层硬度平均为1384.4HV,比基体硬度提高2.7倍。余文康[46]采用激光熔覆在42CrMo钢表面制备CoCrFeNiTi高熵合金涂层,其组织主要由细小树枝状晶体构成,且在晶体间还有着少量黑色析出物(图1d);高熵合金涂层厚度可达1.5 mm,表面硬度最高为681.2HV (平均硬度为652HV),比基体硬度(302HV)提高了2.25倍。无论是TiC涂层还是CoCrFeNiTi高熵合金涂层,其显微组织中的硬质相(如TiC、高熵合金中的硬相)、细小晶粒和复杂晶态结构等都有利于提高涂层硬度。

总之,对于42CrMo钢表面激光熔覆复合涂层研究较多,但高熵合金新型涂层材料为涂层显微组织和硬度的优化提供了新的可能性。通过优化熔覆材料和工艺参数,可以获得细小的胞状晶、柱状晶或等轴晶,从而增加晶界数量,阻碍位错运动,提高硬度;在熔覆材料中加入适量添加剂,如ZrH2、B4C、TiC/Mo、纳米-亚微米TiC等能够促进晶粒细化,并可能形成有益共晶组织或弥散分布硬质相,从而提高涂层硬度;采用复合涂层技术,如Fe06 + (TiC/Mo)复合涂层、NiCrBSi/WC-Co复合涂层等,可以综合利用不同材料的优点,实现硬度和耐磨性的协同提升。

因此,目前科研人员采用激光熔覆在42CrMo钢制备涂层与基体结合强度、显微组织细化及提升涂层硬度都取得一定成果,但还需在如何获得更加均匀的涂层硬度分布、精确控制晶体的形成和比例、涂层在长期使用过程中的性能变化等方面继续探索,以期获得所需组织和硬度,进一步拓展42CrMo钢的应用范围。

4 耐磨性及磨损机理

激光熔覆涂层在42CrMo钢表面的应用,显著改善了其耐磨性。国内众多科研人员对42CrMo钢及其涂层耐磨性进行研究,并对其磨损机理进行分析。

42CrMo钢在磨损过程中主要表现出磨粒磨损和黏着磨损,常伴随大面积剥落和塑性变形,导致较高的磨损量[20]。卢庆亮等[20]、Ju等[37]、蔡志海等[38]和牛海云等[47]通过激光熔覆在42CrMo钢表面制备了铁基涂层,并均发现这些涂层显著提高了基体耐磨性。与42CrMo钢相比,铁基涂层的摩擦因数和磨损体积均有所降低,且磨损机理主要为磨粒磨损,而基体则表现出更为严重的磨损迹象,如粘着磨损、剥层磨损以及氧化磨损等(图2a)。特别是牛海云等[48]研究还表明,铁基涂层耐磨性比基体提高3.6倍。罗亮斌[14]、韩基泰等[48]在42CrMo钢表面分别激光熔覆了钴基金刚石涂层和Stellite-6钴基涂层。结果表明,与42CrMo钢相比,钴基涂层摩擦因数和磨损质量损失皆降低;42CrMo钢的磨损机理主要表现为粘着磨损,存在材料局部剥落和转移迹象。而钴基涂层则主要呈现出磨粒磨损的特征,伴随有粘着磨损,涂层表面磨损后留下大量微犁沟(图2b)。

图2

图2   42CrMo钢表面激光熔覆制备的4种涂层磨痕表面形貌[14,41,46,47]

Fig.2   Surface morphologies of the wear scars of the laser cladding coatings on 42CrMo steel[14,41,46,47]: (a) Fe-based coating, (b) Co-based corundum coating, (c) Fe06 + 0.2TiC coating, (d) CoCrFeNiTi high entropy alloy coating


通过激光熔覆技术,在42CrMo钢表面制备的Stellite-6 + B4C[40]、Fe06 + (TiC/Mo)[41]、NiCrBSi/WC-Co[44]、CeO2/Stellite-6[49]以及Ni60-80%WC[50]等复合涂层,均显著提高了基体的耐磨性,其磨损机理主要以磨粒磨损为主,黏着磨损为辅,部分涂层还伴随有少量的疲劳磨损、微动磨损或氧化磨损(图2c)。尤其通过优化涂层成分(如添加B4C、TiC/Mo、WC-Co、CeO2等),可以进一步降低涂层的磨损量,并改善其耐磨性能。

另外,研究表明在42CrMo钢表面激光熔敷的CoCrFeNiTi[46]、AlCoCrFeNi[51]等高熵合金涂层不仅降低了摩擦因数,还大幅减少了磨损量。42CrMo钢基体的磨损机理主要为粘着磨损和磨粒磨损,表现为宽而深的磨痕和较大的凹坑;而高熵合金涂层的磨损机理则主要为磨粒磨损,磨痕相对较窄且浅,显示出更好的耐磨性和抗剥落能力(图2d)。尤其高熵合金涂层在高温条件下的耐磨性能也得到了显著提升,适用于需要高耐磨性和耐高温的应用场合。未来的研究可以进一步探索高熵合金涂层的成分设计和制备工艺,以实现更优异的综合性能和更广泛的应用。

同时,针对42CrMo钢表面激光熔覆硬质涂层的高硬度而导致抗摩擦性能不足的问题,科研人员通过在硬涂层中添加固体润滑剂来开发自润滑涂层,从而提高其抗磨性能。Liu等[52,53]研究表明,在激光熔覆过程中,向涂层材料中添加固体润滑剂能够显著增强涂层的自润滑性能和耐磨性。如使用Ni45合金粉末与Ni包覆石墨复合粉末制备的Ni基涂层,不仅平均摩擦系数(0.480 × 10-6)和磨损体积得到了有效控制(6.824 × 10-6 mm3·N-1·m-1),而且磨损机理主要表现为轻微的磨粒磨损和粘着磨损,显著提升了42CrMo钢的耐磨性;通过在Ni基涂层表面涂敷固体润滑剂SnAgCu,并在25~400 ℃温度范围内进行测试,发现镍基硬质涂层的摩擦系数和磨损率分别降低了35%和20%以上,主要是因为Ni基涂层微坑中的SnAgCu润滑剂向磨损面扩散,形成低剪切润滑层,其富含的SnAgCu与氧化物有效减轻了摩擦。

因此,虽然科研人员已将多种涂层材料(如铁基、钴基、复合涂层、高熵合金涂层等)应用于42CrMo钢表面,但涂层的成分和结构仍有优化空间,如何通过调整涂层材料的配比、添加微量元素或采用特殊的制备工艺来进一步提高涂层的耐磨性和抗裂性;对涂层的磨损机理进行了初步分析,但往往停留在表面现象描述上,对于磨损过程中的微观机理(如涂层内部相变、裂纹萌生与扩展、磨损颗粒形成与分布等)缺乏深入的研究;自润滑涂层虽然在一定程度上提高了涂层的抗磨性能,但其在高温、高压或特殊介质环境下的润滑效果和耐磨性仍需进一步提升;最后,大多数研究都集中在涂层的短期耐磨性能上,而对于涂层在长期服役过程中的性能变化研究相对较少。

5 耐蚀性和耐蚀机理

42CrMo钢虽然具有较高的强度和韧性,但其在含有酸、碱、盐等腐蚀性物质的介质中极易发生腐蚀,一直是限制其应用范围的关键因素。因此,采用激光熔覆在42CrMo钢形成耐蚀层也是众多科研人员研究的热点之一。

崔宸等[21]在42CrMo钢表面激光熔覆制备Stellite-6涂层,采用浸泡法(3.5%NaCl溶液)、电化学方法研究其耐蚀性。研究表明,Stellite-6涂层在浸泡及电化学实验过程中的耐蚀性明显高于基体。其耐蚀机理主要是高Cr含量促进形成稳定的Cr3C2钝化膜,涂层呈现细小的等轴晶结构,以及涂层自腐蚀电位的升高(-0.150 V)和自腐蚀电流密度的降低(3.294 × 10-3 A/cm2)。余文康[46]在42CrMo钢表面激光熔覆CoCrFeNiTi高熵合金涂层,采用电化学实验(3.5%NaCl溶液)对基体及涂层进行耐腐蚀性评价。研究表明,相较于基体,高熵合金涂层显著提升耐蚀性;从腐蚀后的表面形貌(图3a)可以看出,基体表面出现了大量絮状与颗粒状的腐蚀产物,而高熵合金涂层则几乎未显现出任何明显的腐蚀迹象或产物;其耐蚀机理主要是高熵合金的多主元效应促进了更加均匀且致密的微观结构的形成,涂层表面形成钝化膜有效阻隔了腐蚀介质的侵蚀,涂层内部细小的等轴晶结构有助于提升其耐蚀性,表现为涂层自腐蚀电位升高(-0.4718 V)和自腐蚀电流密度(3.4999 × 10-6 A/cm2)降低。

图3

图3   4种激光熔覆涂层腐蚀后表面形貌[46,54]

Fig.3   Surface morphologies of CoCrFeNiTi high entropy alloy (a) and WC/Co06 (b) laser cladding coatings on 42CrMo steel after corrosion[46,54]


文献[45,50,54~56]等通过激光熔覆技术在42CrMo钢表面制备了不同类型的复合涂层(WC/Co06涂层、20%Ni60-80%WC、Fe-Cr-C-Si-Ni-Mo-Mn-(Nb,V)铁基复合涂层、纳米-亚微米TiC增强超细晶铁基涂层以及添加纳米CeO2的Stellite-6钴基涂层等,并采用了盐雾试验和电化学试验等方法对涂层的耐蚀性进行了系统评估。研究结果表明,激光熔覆涂层均显著提高了42CrMo钢的耐蚀性。涂层的耐蚀机理包括:一是微观组织优化,通过调整激光工艺参数或添加特定组分(如Ce、纳米-亚微米尺度化合物等),可以优化涂层的微观组织,使其更加致密均匀,减少气孔、裂纹等缺陷,从而提高涂层的耐蚀性(图3b);二是钝化膜形成,高含量的钝化元素(如Cr)在涂层表面形成致密稳定的钝化膜,有效隔绝腐蚀介质与基体的接触;三是硬质相生成,涂层中形成的多种硬质相(如Cr23C6、Cr7C3、W2C等)不仅增强了涂层的硬度和耐磨性,同时也提高了其耐蚀性;四是电化学性能提升,涂层自腐蚀电位和极化电阻的提升以及自腐蚀电流的降低,共同抑制了腐蚀反应的发生。

尽管多种涂层(如钴基涂层、高熵合金涂层、复合涂层等)已被研究并应用于提高42CrMo钢耐蚀性,并取得一些研究成果。但大多数研究仍是关注涂层在短期内的耐蚀性,而对于长期耐蚀性的评估则相对较少。在实际应用中,涂层长期稳定性对于确保设备安全运行至关重要。因此,需要开展长期耐蚀性试验,以评估涂层在长时间暴露于腐蚀环境下的稳定性和耐久性。

未来,42CrMo钢激光熔敷涂层研究应进一步关注涂层与基体结合力、涂层成分与结构优化(如设计复合涂层或多层涂层)、耐蚀机理深入研究、长期耐腐蚀性能评估等方面,以推动42CrMo钢在更广泛领域的应用和发展。另外,42CrMo钢激光熔覆技术成本和经济性也是需要考虑重要因素,部分高性能涂层可能涉及昂贵的原材料和复杂的制备工艺,导致成本较高而限制其在市场的应用;在熔覆材料研发和涂层制备过程中,要更加注重环保和可持续性,减少有害物质使用和排放,推动绿色制造技术的发展。

6 结语与展望

42CrMo钢凭借其高强度、高韧性和良好的疲劳强度,在机械、汽车、航天航空、能源等多个关键领域发挥着重要作用。然而,随着现代工业对材料性能要求的日益提升,特别是在极端和严苛工作环境下,42CrMo钢表面性能亟须进一步优化与增强。尽管42CrMo钢表面激光熔覆技术近年来取得了显著效果,但在实际应用中仍面临多重挑战与问题,需进一步深入研究与优化。

(1) 材料体系与涂层性能持续创新与优化。未来研究将继续探索不同材料组合的可能性,研发具有更高性能、更低成本的新型熔覆材料,如高熵合金、陶瓷复合材料等,以满足不同应用领域的需求;通过调整涂层的层数、各层的成分以及厚度等参数,实现涂层性能的最优化,如采用梯度结构或功能梯度材料设计,以适应不同工作环境下的需求。在保持涂层高硬度、高耐磨性的基础上,通过添加特定元素或采用特殊工艺,进一步提升其塑性和韧性,实现涂层性能的综合提升。

(2) 激光熔敷工艺参数优化。激光熔覆工艺参数的研究将呈现出从传统优化方法向智能优化方法转变的趋势,将更加注重算法的融合与创新以及评价指标的完善。如利用机器学习算法建立参数与涂层性能之间的预测模型,通过深度学习网络处理更复杂数据特征及学习参数间的非线性关系,进一步提高预测精度和参数优化的智能化水平;采用多目标优化算法找到满足多目标平衡的最优参数组合,建立包括涂层质量、生产效率、成本效益、环境影响等在内的综合评价体系,实现整体效益的最大化。另外,随着自动化技术发展,未来激光熔覆设备将配备更先进的智能控制系统,实现熔覆过程的精确控制,提高涂层质量和一致性。

(3) 加强长期性能评估。当前大多数研究集中在涂层的短期性能上,对于长期服役过程中的性能变化研究相对较少。未来应开展长期试验,评估涂层在长时间使用条件下的稳定性和耐久性。

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Lin L L, Chen X, Du K P, et al.

High temperature wear properties of laser cladding AlCoCrFeNi high entropy alloy coatings

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(林丽丽, 陈 星, 杜开平 .

激光熔覆AlCoCrFeNi高熵合金涂层的高温磨损性能

[J]. 热喷涂技术, 2024, 16(2): 81)

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Liu J S, Shi Y.

Microstructure and wear behavior of laser-cladded Ni-based coatings decorated by graphite particles

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Liu X Y, Guo Z F, Lu Z W, et al.

Tribological behavior of the wear-resistant and self-lubrication integrated interface structure with ordered micro-pits

[J]. Surf. Coat. Technol., 2023, 454: 129159

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Xiao J P, Yang X F, Li W Y, et al.

Wear resistance and corrosion resistance of laser cladding WC/Co06 coating on the piston rod of hydraulic damper

[J]. Surf. Technol., 2023, 52(3): 217

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(肖居鹏, 杨学锋, 李万洋 .

液压阻尼器活塞杆激光熔覆WC/Co06涂层耐磨耐腐蚀性能

[J]. 表面技术, 2023, 52(3): 217)

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Ye J L, Feng Y Q, Li Z G, et al.

Composition design, microstructures and properties of Fe‑based wear‑ and corrosion‑resistant coatings by laser cladding

[J]. Chin. J. Lasers, 2023, 50: 1202210

(叶界梁, 冯悦峤, 李铸国 .

激光熔覆耐磨耐蚀铁基涂层的设计与组织性能研究

[J]. 中国激光, 2023, 50: 1202210)

Cui C, Wu M P, Miao X J, et al.

The effect of laser energy density on the geometric characteristics, microstructure and corrosion resistance of Co-based coatings by laser cladding

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