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铝及铝合金是有色金属中应用广泛的一类材料,具有热导率高、密度小、热膨胀系数低、比强度和比刚度高、塑韧性好等良好的物理性能,在日常生产生活以及航空、汽车、高铁、发动机活塞、光学仪器、导弹镶嵌结构等领域有大量应用。但是铝合金的硬度低,易产生塑性变形,且耐磨性、耐腐蚀性等表面性能较差。通过激光熔覆Ni基合金涂层可以大幅度改善铝合金表面性能,可被应用于齿轮、涡轮、轴套、发动机缸体等零部件的表面强化加工中,从而既能满足产品设计要求的轻量化,同时又具有铝合金表面Ni基熔覆涂层的高硬度、高耐磨性。由于Ni基、Al基合金物理和化学性能的差异,在铝合金表面熔覆Ni基合金常不可避免地出现气孔、裂纹等组织缺陷。稀土元素在铝合金表面Ni基熔覆层中具有细化晶粒、除杂、净化晶界和改善金属组织结构等作用,因而可以一定程度上减少熔覆层的组织缺陷,提高铝合金的使用性能。本文研究利用激光熔覆技术在6063铝合金表面制备了添加不同含量稀土氧化物(La2O3、Y2O3、Ce O2)的Ni60熔覆涂层。探讨稀土元素的作用效果和机制,研究不同稀土氧化物对6063铝合金表面激光熔覆Ni基熔覆涂层的宏观形貌、截面形貌、硬度、相结构、元素成分分布、微观组织、摩擦磨损性能和耐腐蚀性能的影响,并获得了较佳的稀土配比。主要结论如下:(1)在熔覆层宏观形貌上,未加入稀土氧化物的Ni60熔覆层中出现大量的“团状”或“根瘤状”的熔凝组织和气体溅射孔洞,添加La2O3、Y2O3、Ce O2三种稀土氧化物的Ni60熔覆层表面形貌均有不同程度的改善;其中,加入的稀土氧化物含量低于3%~4%(质量分数,下同)时,熔覆层仍然具有气孔、组织脱落和表面不平整等缺陷,加入4%~10%稀土氧化物时,Ni60熔覆层表面平整,无脱落层,表面形貌良好;(2)在熔覆层截面形貌上,熔覆层的平均厚度约800μm~1 000μm,稀土氧化物La2O3、Y2O3、Ce O2的添加量低于4%时,随着稀土含量增加,熔覆层中气孔、裂纹等缺陷得到改善;但当稀土添加量大于5%时,熔覆层组织内部的气孔、裂纹反而增多,Ni60熔覆层中稀土氧化物的添加量为4%~5%时可以获得较好的截面形貌,气孔、裂纹等组织缺陷较少;(3)硬度方面,未加稀土氧化物的Ni60熔覆层的表层硬度值为1020 HV0.1,远高于6063铝合金基体的硬度值147.2HV0.1,加入5%~10%的La2O3、Y2O3、Ce O2可以提高Ni60熔覆层的表层硬度,最高可达1300HV0.1~1400HV0.1;在熔覆层底层,未加稀土氧化物的Ni60熔覆层硬度值为200HV0.1~400HV0.1,比加入稀土氧化物的Ni60熔覆层平均低约100HV0.1~400HV0.1;(4)添加不同含量La2O3的Ni60熔覆层的主要相结构为β-Ni Al(Cr)和少量的Al3Ni、Al Ni3、Al等,添加稀土La2O3以后,XRD图中出现了微量的稀土化合物La2O3、Al4La,且Ni Al相的(100)有序峰几乎消失,晶粒取向偏向于(110)、(200)和(211),而(110)有序峰出现不同程度的偏移;(5)添加不同含量Y2O3的熔覆层主要相结构为β-Ni Al(Cr)、Al3Ni、Al Ni3、Al等,同时出现了Y2O3、YAl3、Al Ni Y、Ni17Y2等多种稀土化合物的衍射峰;(6)加入Ce O2的Ni60熔覆层主要相结构为β-Ni Al(Cr)、Al3Ni、Al Ni3等,熔覆层中含有Ce Ni5、Ce3Ni6Si2,在Ce O2含量较高时,存在明显的硼化物Ni B12的衍射峰;(7)熔覆层的元素分布表明:相比未添加稀土氧化物的Ni60熔覆层,添加La2O3、Y2O3、Ce O2后的熔覆层中Ni、Al、Cr等成分随深度的过渡较明显,无Cr元素偏聚,表层Ni元素的含量由未添加稀土氧化物前的34.62%提高到60%以上,熔覆层的稀释率降低,稀土元素的含量从表层的大于1.0%到底部逐渐降低;(8)熔覆层的微观组织中,添加La2O3、Y2O3、Ce O2可以改善Ni60熔覆层的微观结构,促进熔覆层的晶粒细化,减少微观气孔,熔覆层主要成分为Ni Al-Cr共晶组织,稀土元素偏聚在晶界位置并形成了稳定的Al4La等稀土化合物;(9)在相同摩擦磨损条件下,添加不同含量La2O3、Y2O3、Ce O2的Ni60基熔覆层较Ni60熔覆层的磨损面崩损现象减少了,磨痕深度和宽度有不同程度减小,磨损量降低,摩擦系数较低且稳定性较高;其中,未添加稀土的Ni60熔覆层磨损量为0.0974mm3,添加4%~10%的La2O3、Y2O3、Ce O2分别使熔覆层的磨损体积降至0.0016mm3~0.0124 mm3,0.0128 mm3~0.0336mm3和0.0031 mm3~0.0090 mm3之间;5%La2O3+Ni60熔覆层的耐磨性是Ni60熔覆层的54.1倍,5%Y2O3+Ni60熔覆层的耐磨性是Ni60熔覆层的6.1倍,4%Ce O2+Ni60熔覆层的耐磨性是Ni60熔覆层的31.4倍;(10)在1mol/L H2SO4溶液中,5%La2O3+Ni60熔覆层耐腐蚀性是Ni60熔覆层的3.79倍,是6063铝合金基体的5.09倍;5%Y2O3+Ni60熔覆层耐腐蚀性是Ni60熔覆层的4.07倍,是6063铝合金的5.46倍;4%Ce O2+Ni60熔覆层耐腐蚀性是Ni60熔覆层的4.25倍,是6063铝合金的5.71倍;(11)在3.5%Na Cl溶液中,5%La2O3+Ni60熔覆层的耐腐蚀性是Ni60熔覆层的2.15倍,是6063铝合金的2.30倍;5%Y2O3+Ni60熔覆层的耐腐蚀性是Ni60熔覆层的4.3倍,是6063铝合金的4.59倍;4%Ce O2+Ni60熔覆层的耐腐蚀性是Ni60熔覆层的1.4倍,是6063铝合金试样的1.49倍;(12)在1mol/L Na OH溶液中,5%La2O3+Ni60熔覆层的耐腐蚀性是Ni60熔覆层的2.21倍,是6063铝合金的4.88倍;5%Y2O3+Ni60熔覆层的耐腐蚀性是Ni60熔覆层的2.3倍,是6063铝合金的5.09倍;4%Ce O2+Ni60熔覆层的耐腐蚀性是Ni60熔覆层的1.43倍,是6063铝合金的3.17倍。