摘要：本论述以Inconel合金粉末为熔覆材料，45钢为基体材料，进行激光熔覆实验，并利用渐进变形法对所得熔覆层进行剪切变形处理。利用纳米压痕仪与摩擦磨损试验机测试变形前后激光熔覆层的横截面硬度分布和表面耐磨性，分析剪切变形对Inconel激光熔覆层力学性能的影响，并探索强化机制。实验结果表明：由于晶粒的细化、位错密度的增大以及强化相的析出，激光熔覆层的纳米硬度和耐磨性得到明显提高。同时，剪切变形也消除了激光熔覆层与基板界面的缺陷，增大了结合强度

关键词：渐进剪切变形法；激光熔覆层；纳米压痕；耐磨性

现如今，单一材料往往不能满足由工业技术进步引起的独特应用环境下的严苛要求，研究人员认为开发高性能功能梯度材料是解决这些限制的重要途径［1-2］。

例如，钛合金是一种优良的结构材料，具有较高的比强度和良好的耐腐蚀性，被广泛应用于航空航天和化工行业，然而，由于它们具有较高的摩擦系数，因此不宜作为耐磨机械零件使用。磨损是机械零件在服役过程中最常遇到的表面失效形式，如果在钛合金表面添加一层耐磨材料，便能够满足各种独特的结构及功能要求。激光熔覆技术是以高能密度激光束为热源，将预置或同步供给在基材表面的具有优异耐磨、耐蚀及耐热等性能的涂层材料熔化，并与基体形成良好的冶金结合，从而获得特殊要求的表面改性技术［3-4］。

Inconel是目前应用十分广泛的镍基高温合金［5-7］，该合金在服役过程中不仅要求力学性能优秀，而且要求力学性能，特别是疲劳性能稳定可靠，晶粒均匀细化是必须保证的重要指标，剧烈塑性变形是细化晶粒（超微细化）的有效方法。本论述将在激光熔覆层制备过程中增加渐进剪切变形工序，使熔覆层发生变形，破碎定向生长的柱状晶与树枝晶，使之转变成相对细小的等轴晶，从而制备出具有更细小、更均匀显微组织结构的镍基激光熔覆层。

实验过程

激光熔覆实验

一块10mm厚的45钢在本研究中被用来作为基板材料，熔覆材料为Inconel合金粉末。熔覆粉末通过使用一种有机粘结剂被预先放置在基板表面上，厚度约为1mm。一台5kWCO2激光器发射的激光束通过镀金水冷铜镜反射到试样表面进行熔覆工作。所选的激光熔覆参数如下：能量P=3kW；扫描速度V=8mm/s；光束直径d=4mm；搭接系数为0.3。激光熔覆在氩气保护环境中进行，激光扫描方向垂直于随后渐进剪切变形期间各层刀具扫描方向。激光熔覆层厚度约为0.5mm，为降低渐进剪切变形的成形力，铣削基板将激光熔覆板总厚度剪薄至1.5mm。一块长mm、宽30mm的平板试样被切割出来进行渐进剪切变形实验。

剪切变形实验

渐进剪切变形原理见图1所示，熔覆板两端被分别固定，右端可以在垂直方向上自由移动。支撑斜面是控制平板试样剪切变形的必要条件，刀具将沿规定路径逐步移动迫使板状试样变形贴合支撑斜面。对于渐进剪切变形，板的厚度变化一般符合以下规则：t=t0cosθ，t0是初始板料厚度，t是最终厚度，θ是支撑斜面的角度。θ增大时，剪切应变增大；当θ为0°时，剪切应变也为零。考虑到材料的塑性，本实验中设定θ为20°。最后，利用纳米压痕仪与销盘式摩擦磨损试验机分析变形前后激光熔覆层的横截面硬度分布和表面耐磨性变化，探索强化机制。

结果与讨论

硬度分析

图2显示了变形前后激光熔覆层剖面的纳米硬度分布云图。每个云图由纵向与横向相邻距离均为50μm的点阵组成，显示了1mm×0.45mm区域内的纳米硬度分布。图中显示截面与激光扫描方向垂直，1mm位置对应熔覆层表面。可以看出，剖面可以分为三个区域，对应于熔覆层、过渡区和基板。变形后试样的平均硬度高于原始试样，可归因于晶粒的细化与位错密度的增大。然而变形后试样的纳米硬度并非均匀提高，某些局部位置产生了较为显著的硬化现象。

这一结果表明，强化效应不仅由晶粒细化与位错密度增加导致，也受其它因素影响。查阅文献可知［5-7］，Ni基激光熔覆层通常由γ-Ni，M7C3，M23C6，CrB，Ni3B等相组成，这些硬点可能对应着CrB，Ni3B等强化相。这便说明激光熔覆后的剪切变形作用有利于强化相的析出，形成的硬点可以起到弥散强化作用。

耐磨性分析

在干滑动摩擦条件下利用销盘式摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验，以此来探讨激光熔覆层在服役过程中的耐磨性。使用电火花线切割机分别在原始和变形试样中切割出尺寸为Φ9mm的圆柱试样，并在摩擦磨损试验前将试样表面抛光到如镜面般光洁。在磨损试验中，样品被压在由目碳化硅砂纸覆盖的固定盘上。

磨损试验在60N的载荷及0.8m/s的恒定滑动速度下进行，砂纸将会每分钟更换。图3给出了平均磨损质量损失与时间的函数关系，可以看到激光熔覆层的质量损失与滑动时间之间的关系近似于线性。未变形的激光熔覆层在10min内的磨损质量损失（约mg）几乎是变形熔覆层的两倍。这一发现表明渐进剪切变形有利于提高激光熔覆层的耐磨性。

摩擦磨损曲线的斜率代表磨损率，斜率越大，磨损率越大，磨损越快。从图3中还可以发现，在最后2min内未变形的熔覆层磨损率突然增大，这源于熔覆层的片状剥落和碎片的形成。变形后的熔覆层未出现此现象，说明渐进剪切变形提高了激光熔覆层与基体间的结合力。

结论

渐进剪切变形对Inconel激光熔覆层的强化效应显著。熔覆层硬度与耐磨性的提高可归因于晶粒细化导致的细晶强化、位错增加导致的位错强化以及强化相析出导致的弥散强化。同时，渐进剪切变形可以消除激光熔覆层与基板界面上的缺陷，增大结合强度。