1、第 卷 年月第期第 页材料工程 强流脉冲电子束熔覆 合金涂层的显微组织与摩擦磨损性能 诸华军，田娜娜，张从林，关庆丰（盐城工学院 材料科学与工程学院，江苏 盐城 ；江苏大学 材料科学与工程学院，江苏 镇江 ），（，；，）摘要：为改善 合金的表面硬度和耐磨性能，利用强流脉冲电子束（，）对涂敷在纯铝（）表面的铅（）层进行辐照合金化处理，制备具有优异性能的 合金化层。采用 激光扫描显微系统（，）测量表面粗糙度；利用带能谱仪（，）的场发射扫描电镜（，）分析辐照合金化前后 涂层的微观形貌、结构与元素分布；随后使用射线衍射仪（，）观察合金层的物相组成；利用透射电镜（，）精细表征 合金层的微观结构，最后测试
2、辐照前后样品表面的显微硬度、平均摩擦因数与磨损率并分析硬度及磨损增强机理，探究和总结材料表面性能强化机制，建立辐照合金层表面微观组织表面性能之间的内在联系。结果表明：经过 辐照处理后，基体与 涂层呈现良好的冶金结合，并在 次辐照后制备了 厚的 合金层；与纯铝及原始涂层相比，辐照 次后（）晶面衍射峰发生了宽化，同时衍射峰的位置也向低角度发生微小移动，这表明基体表面 晶粒在 表面合金化处理后得到了显著的细化且晶胞发生膨胀，晶格常数增大；诱发样品表面形成了亚晶、位错、位错胞、少量的（）固溶体以及大量纳米级富 颗粒。性能测试结果表明，经电子束辐照后 涂层表面的硬度和耐磨性显著提高。关键词：合金涂层；显
3、微组织；强流脉冲电子束熔覆；性能 ：中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（）（）（）（），（）（），（），（），材料工程 年月 ，（），（）：；合金由于质轻、比强度较高和卓越的耐磨性等特点，已逐渐成为铝锡轴承合金的替代合金之一，同时也是汽车、拖拉机和内燃机轴瓦的理想材料。然而，在常温常压下，合金熔体的液态混合焓为正（），且 与 组元密度差较大，在常规熔铸过程中会造成尺寸较大的富铅软相颗粒沉积，进而产生组织偏析，这会降低材料的强度和稳定性，使得该类合金的应用受到限制。对铝基体进行表面处理促进 与 之间的合金化，这被证明是兼顾合金强度和耐磨性的有效手段。以往的研究表明，采用机械合金化（，）在
4、铝基体表面制备 涂层，在保证基体强度的同时还可有效提升耐磨性能，但该涂层与 基体只是简单黏附，并没有实现冶金结合，涂层易与基体发生剥离。因此，亟须寻求一种新的改性技术对球磨预制的 涂层进行冶金结合处理，使其表面粗糙度降低并增加基体与涂层的结合力，从而延长合金层的服役寿命。强流 脉 冲 电 子 束（，）作为一种快速、高效和清洁的材料表面改性工艺，目前已被证明是改善材料表面性能的有效手段 。在电子束辐照材料表面的瞬间，较高的能量（）在极短时间内（）作用到材料表层，同时使得涂层与基体熔化并熔合，随后快速冷却形成合金层；还可以在改性层中形成许多非平衡微结构，表面晶粒显著细化等 ；尤其是制备的涂层与基体
5、材料是冶金结合，二者之间不存在明显的界面，这显著改善了材料的表面综合性能。许多研究人员对 辐照诱导不同涂层基体之间的合金化效果进行了大量探索，均取得了可观的效果。例如 等 研究发现，采用 对 基体表面 合金化处理后，材料的表面硬度与耐磨性能得到明显提升。等 在研究钛铝体系的合金化时发现，辐照后材料表面获得了相当好的表面化学均匀性。等 采用 辐照 体系，其耐腐蚀性得到显著改善，形成的钝化膜更加稳定。有鉴于此，本工作采用 技术对纯铝表面进行 合金化处理，探究强流脉冲电子束辐照对 合金层的形成、表面显微硬度以及摩擦磨损性能等的影响。实验材料与方法本研究选取工业纯铝板材作为基体材料，其化学成 分 如
6、下（质 量 分 数）：，其余为。首先将其加工成尺寸为 的小块；然后用碳化硅水磨砂纸对样品表面进行打磨，再采用抛光剂对样品进行抛光至镜面无划痕；最后分别在丙酮及酒精中进行超声清洗后备用。选择尺寸约 目，纯度 的 粉末为球磨预制的涂层材料，其具体的化学组成（质量分数）如下：，其余为。将清洗干燥后的纯铝样品与 粉混合球磨，该过程在氩气保护下进行，转速 ，最后成功在 基体表面制备一层 涂层，该涂层样品将作为原始样品进行后续实验。再利用 设备对上述涂层进行表面辐照合金化处理，电子束的工艺参数如表所示。实验样品共三种：纯铝样品、原始样品以及辐照合金化样品。表 辐照的工艺参数 （），第 卷第期强流脉冲电子束
7、熔覆 合金涂层的显微组织与摩擦磨损性能采用射线衍射仪（，型）对 辐照合金化前后 涂层以及纯铝表层相组成进行表征；采用三维激光扫描显微镜（，型）测量不同处理参数样品表 面 粗 糙 度 变 化；采 用 场 发 射 扫 描 电 子 显 微 镜（，型）对 涂层表面进行形貌表征；利用透射电子显微镜（，型）表征合金化表层微观结构。透射样品的制备程序为：对距辐照表面 处进行线切割成薄片；然后将辐照面的对立面磨至 ，再使用凹坑仪将薄片凹至 左右；之后进行离子减薄。采用显微硬度计（型）测量显微硬度变化，载荷 ，加载时间，每个实验参数选个点进行测试，取平均值作为最终的表面硬度。采用 型表面综合试验仪测试样品的摩擦
8、磨损性能，载荷，转速，时间 ，回转半径为 ，实验条件为室温。利用电子天平（，精确度 ）对摩擦对磨实验前后样品的质量差进行测量。磨损率（）计算公式如下：（）式中：为实验前后涂层样品的质量差，；为样品的密度，；为滑动距离，；为载荷，。结果与讨论 表面形貌与结构图为 原始涂层与 辐照后合金层的表面粗糙度，可以看出，原始涂层样品的表面粗糙度值较高。经 合金化处理后，由于电子束的重熔效果，样品的表面粗糙度值得到显著降低，并在 次辐照后达到最低值 。辐照次数达到 次图表面合金化处理前后样品的表面粗糙度 后，与 次辐照样品粗糙度值相当。图为 辐照前后 涂层的表面 形貌。图（）显示原始样品的表面较为粗糙。图（
9、）显示经过 次辐照后，表面发生熔化，并出现了尺寸大小不一的喷发状熔坑。如图（），（）所示，随辐照次数的增多，该喷发状熔坑逐渐减少。以往的研究结果表明 ，熔坑是在 对材料表面改性后较为普遍的现象。电子束作用在 涂层表面，超高的能量率先使得亚表层某些局部区域在 时间内迅速熔化，变成液态液滴，随后此部分液滴逐渐膨胀进而爆裂，并以超快的凝固速度（）凝固形成熔坑。图（）为 涂层表面熔坑尺寸与密度随辐照次数的变化曲线，该图显示单位面积内熔坑数量与尺寸随辐照次数的增加呈先减小后增加的趋势，说明当辐照次数小于 次时，由于熔坑的不断喷发重熔，使得形核点逐渐变少 ，这也是图中材料表面粗糙度下降的主要原因。但当辐照
10、达到 次后（图（），持续高温使得 表层熔池深度变大，再次增加了亚表层熔坑喷发的可能性，熔坑又开始增加。由于辐照 次后的样品表面粗糙度最低，熔坑数量与熔坑尺寸最小，因此将其与原始样品截面形貌进行对比分析。图为原始样品和辐照 次样品的局部截面背散射图像（）。从图（）可以看出，原始涂层与基体界面明显，其较亮的衬度说明预制涂层主要成分为 。由图（）可知，次脉冲辐照后形成了比 基体颜色亮一些的富 合金化层，该层厚度约为 ，没有裂纹、气孔等缺陷；并对黄框所示界面处进行高倍 扫描表征（图（），可以看出界面处不存在明显分层现象，即涂层与基体呈现良好的冶 金 结合；随 后 对 界 面红框区域进行点扫（图（），结
11、果显示界面处元素组成为（原子分数，下同）与 。根据之前的研究成果 ，采用 对铝表面处理后重熔层在几微米以内，而本实验的 合金化层为 ，据此可以推测该层并不只发生了重熔，还发生了 元素向 基体的扩散，这将在下文 的观察结果分析中进一步佐证。对涂层与基体界面研究表明，电子束辐照会在金属表面诱发纳米晶、晶体缺陷等，这些亚结构会为合金元素提供快速扩散通道，促进 原子向 基体内部的扩散，所以重熔层与扩散层共同构成约 厚的 合金化层。图为纯铝及涂层样品的表面 图谱。由图（）可知，与纯 样品相比，辐照后样品 衍射峰的强度依然保持很高，但表面多出了（），材料工程 年月图合金化前后 涂层表面 图（）原始涂层；（
12、）次；（）次；（）次；（）次；（）熔坑密度、尺寸与辐照次数关系 （）；（）；（）；（）；（）；（），（），（）和（）四个强度较弱的衍射峰。此 外，由 插 图 可 知，（）晶 面 衍 射 峰 宽 度 随 辐照次数的增多逐步变大，次最宽，这表明基体表面的 晶粒在辐照合金化处理后得到显著细化，其原因可归结于高能量（）的电子束作用于涂层表面，使得表层发生超快速自淬火，同时次表层在极短时间内产生动态回复再结晶，从而细化了晶粒；图（）显示，次辐照后（）衍射峰向低角度偏移，由 方程 可知，这是由于 的晶面间距增大，表明晶胞发生了膨胀。根据 等的研究，电子束辐照 涂层后 晶格常数变大主要由于 晶格中固溶了 原
13、子，原子半径较大，使得 的晶胞发生膨胀，形成极为少量的 （）过饱和固溶体。当辐照次数达到 次时，（）衍射峰向高角度偏移。这是由于在 辐照期间，在超快的加热与凝固速度下溶质原子 在 基体中的溶解和脱溶是同时发生的，而辐照 次后少量 的脱溶使得衍射峰向高角度偏移。表面合金层的微观结构图为经不同次数 辐照处理后样品表面高倍背散射图像（）及 分析结果。通过图（）可以观察到，次脉冲辐照后铝基体表面熔化，此外还形成了大量均匀弥散分布的富 颗粒（约 ），表明表层元素为 和 ；同时，还存在大量团聚状白色纯（约），说明 次辐照并未完全使得 基体与 层充分熔合。辐照次数增加到 次，表面的富 颗粒尺寸均匀细小，如图
14、（）所示，但此时表面的 元素含量却有所降低（）。图（）显示当辐照次数达到 次后，表面 元素含量进一步降低至 ，并形成第 卷第期强流脉冲电子束熔覆 合金涂层的显微组织与摩擦磨损性能图截面背散射（）图及能谱（）图（）原始涂层；（）辐照 次；（）界面放大图；（）界面处对应 能谱图 （）；（）；（）；（）图纯铝及 样品的 谱图（）射线衍射谱图；（）（）晶面衍射峰放大图 （）；（）（）颗粒大小均匀且分布十分密集的富 颗粒，统计结果显示其平均尺寸仅为 。辐照次数达到 次后，表面 元素含量继续降低至 。辐照的早期阶段表面 元素含量逐渐降低，原因在于 的熔点很低（），在辐照过程中先熔化，部分 会在熔坑喷发时发
15、生溅射而离开表面；同时 基体的熔化也对 进行稀释，进而导致表面的 含量随辐照次数的增加而逐渐降低。图为 次 辐照后 涂层的 图。图（）显示，合金层由基体和弥散分布的黑色颗粒（）组成，选区电子衍射（）插图显示这些黑色的圆形颗粒是富 纳米颗粒，基体为，这表示辐照合金化处理后 元素以这些圆形纳米颗粒的存在形式镶嵌于 基体中。图（）为从 合金层中获得的典型 图，标定显示（）晶面平行于（）晶面，说明 元素有扩散进入 基体形成固溶体的迹象，具体将在高分辨结果中进一步佐证。在 颗粒较少的区域放大观察 基体，如图（）所示，可以发现 基体表层中晶粒十分细小，晶粒尺寸通常都在 以下，这是 辐照后的快速凝材料工程
16、年月图 涂层经电子束辐照后表面 图及 分析结果（）次；（）次；（）次；（）次 （）；（）；（）；（）固所致。此外在辐照后的重熔层下方还观察到不同类型的结构缺陷。图（）显示合金层有些区域位错密度很高并发生相互缠结，甚至还形成了位错墙、位错胞等。基于以往的研究结果，处理后金属 可在表面熔化层下方诱发强烈的热应力，形成种类丰富的高密度晶体缺陷，相对来说这些晶体缺陷处的扩散激活能较低，这会为元素提供快速扩散通道，进而促进 与 合金化进程；同时，高密度位错缠结、晶界以及纳米颗粒会阻碍位错的运动，从而提升材料抵抗塑性变形的能力。图为 次辐照样品中 颗粒与 基体界面处高分辨 （）像。图（）为局部区域中观察到的 颗粒与 基体之间的原子界面，显示出 界面呈现出良好的结合状态。对图（）中方框区域进行反傅里叶变换图（），结果如图（）所示。可以看到界面处两侧的原子面同时处于 和 第 卷第期强流脉冲电子束熔覆 合金涂层的显微组织与摩擦磨损性能图 次辐照后 颗粒合金层 图（）球形颗粒；（）；（）超细晶；（）位错 （）；（）；（）；（）图 次辐照后合金化层的 图（）高分辨图像；（）图像 （）；（）两相晶格结点上，为
