Fe基合金涂层具有材料成本低、焊接冶金性好，通常因碳化物、硼化物等析出相的强化作用而具有良好的性能^{[1, 2]}。目前，采用激光熔覆、等离子熔覆、氩弧熔覆等技术制备Fe基合金涂层在装备维修与再制造领域具有广泛的应用^{[3, 4]}。

感应熔覆技术利用感应线圈产生的交变磁场在工件中形成的涡流将基体表面的预置合金粉末层熔化，最终形成与基体具有良好冶金结合的熔覆层^[5]。感应熔覆技术具有快速加热、熔覆层表面平整、后续加工余量小等特点，且因元素扩散而导致涂层稀释的影响小，氧化烧损少、对基体材料的热影响小，工艺成本低且灵活等优点，在复合涂层制备方面具有很好的应用前景^[6]。高原^[7]等人以Ni60自熔性合金粉末为原材料，采用高频感应加热熔覆方法在45钢基体上制备了组织致密，与基体呈冶金结合的合金熔覆层，所得涂层主要由γ-Ni、Cr₇C₃、Cr₂₃C₆和CrB等组成，具有较高的硬度和良好的耐磨损性能。

目前关于感应熔覆涂层材料研究大多集中在Ni基自熔性合金涂层方面，而感应熔覆Fe基合金涂层的研究和应用相对较少。因此，考虑到Fe基合金涂层具有更高的性价比，且在实际工程应用中更为广泛的特点，文中以Fe基合金粉末为原材料，采用感应熔覆技术在奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti基体上制备Fe基合金涂层，并研究涂层的组织结构及性能，旨在为感应熔覆铁基合金涂层的应用提供基础和依据。

基体采用经固溶处理的奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti，试样尺寸为Φ 24 mm×10 mm，基体化学成分见表 1。预制粉末采用市售Fe基自熔性合金粉末，粒径为53~150 μm (100～270目)，Fe基合金粉末化学成分见表 2。

感应熔覆试验前，采用棕刚玉对基体表面进行喷砂粗化和活化处理，并用丙酮进行超声波清洗，以去除表面油污。以质量比为1∶3的松香、松节油混合物为粘结剂，将Fe基合金粉末与粘结剂混合并均匀涂覆于经喷砂和清洗后的基体表面，得到厚度约为0.5 mm的预置涂层。将预置涂层试样置于150 ℃鼓风干燥箱中保温3 h，使粘结剂充分挥发，并获得待感应熔覆试样。

感应熔覆试验采用广东万江广源公司生产的GY-100AB高频感应加热设备，设备振荡频率为100 kHz，振荡功率40 kW，图 1为感应熔覆过程示意图。试样为圆柱体，尺寸Φ 24 mm×10 mm,感应线圈为长方形，尺寸50 mm×30 mm。针对感应加热过程中影响涂层成型性的3个主要工艺参数设计如表 3的对比试验，图 2为涂层经感应熔覆对比试验后的宏观形貌，对比这3种条件下涂层的宏观成型性，可得感应熔覆最佳工艺参数为：功率为13 kW，线圈扫描速度为1.5 mm/s，线圈与试样之间的距离为5 mm。熔覆过程中，将试样置于保护气罩内，并通入高纯Ar气进行保护，Ar气流量为3 L/min。

图 1 感应熔覆过程示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the process of induction cladding

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图 2 感应熔覆后涂层的宏观形貌 Fig. 2 Macro morphologies of the coatings after induction cladding

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采用标准金相试样制备方法，将所制备的感应熔覆试样经线切割、热镶嵌、磨抛后，用王水(浓硝酸与浓盐酸体积分数比为1∶3)进行腐蚀，时间为5~10 s，获得感应熔覆Fe基合金涂层截面金相试样。采用FEI公司生产的Nova Nano SEM 450型场发射扫描电镜(FESEM)观察熔覆层显微组织结构。

采用德国耐驰STA-449F3型差热分析仪对Fe基合金粉末进行差热试验，为分析预置涂层熔覆过程中析出相的形成过程提供依据，差热试验的升温速率为20 ℃/min，以氩气作为保护气体，流量为50 mL/min。采用德国Bruker公司D8型X射线衍射仪对熔覆层进行物相分析，采用美国Buehler公司MICROMET-6030型自动显微硬度计测量熔覆层的显微硬度，选用载荷为100 g，持续时间10 s。

采用UMT-3型往复式球-盘摩擦磨损试验机考察熔覆层在干摩擦条件下的摩擦学性能，试验前，依次选用400、600和800号砂纸对感应熔覆涂层试样表面进行打磨处理，摩擦副为GCr15钢，平均直径为3.999 mm，硬度为60~62 HRC，试验采用法向5、10、15和20 N这4种载荷，往复频率为5 Hz，时间为30 min，环境温度为室温(25±2)℃。

图 3为感应熔覆Fe基合金涂层的XRD图谱。可以看出，熔覆层主要由α-Fe、(Cr,Fe)₇C₃、Cr₇C₃、Ni₃Fe和Fe₃C等组成，其中合金粉末主要由Fe元素组成，因而涂层母相为α-Fe，(Cr,Fe)₇C₃、Cr₇C₃等碳化物为析出相，有大量的Ni元素和部分C元素固溶于α-Fe中形成Ni₃Fe和Fe₃C。

图 3 感应熔覆Fe基复合涂层XRD图谱 Fig. 3 XRD patterns of the Fe-based composite coatings prepared by induction cladding

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图 4为感应熔覆Fe基合金涂层截面形貌SEM。可以看出，经感应加热后，Fe基合金粉末预置涂层熔化、凝固后形成了组织致密的感应熔覆层，涂层内部和界面无气孔、裂纹等缺陷，且熔覆层与不锈钢基体形成明显的过渡区，表明涂层与基体实现了良好的冶金结合。图 4(b)(c)分别为熔覆层显微组织的放大图，由图中可以看出，感应熔覆Fe基合金涂层所形成的大量析出相均匀细小地分布于α-Fe基体上，且析出相以深色板条状或块状形式存在，如图 4(c)所示。

图 4 熔覆后Fe基合金涂层截面形貌 Fig. 4 Cross section morphologies of the Fe-based alloy coatings after induction cladding

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表 4为图 4(c)中1、2、3处的元素分析结果。初步可以判断，1处的块状组织和2处的板条状组织为(Cr,Fe)₇C₃或(Cr,Fe)₇C₃和Cr₇C₃复合相，3处由基体α-Fe，与少量Fe₃C、Cr₇C₃和Ni₃Fe等组成，与前文XRD物相分析结果相符，预置合金粉末经感应加热后，涂层中有(Cr,Fe)₇C₃、Cr₇C₃两种硬质相形成。

图 5为Fe基合金粉末的DSC试验结果。可以看出，合金粉末在1 039 ℃时(如图中椭圆处标识)，发生了较明显的放热反应，由粉末元素组成可知，合金粉末中的放热反应主要为碳化物的形成，即Fe₃C和M₇C₃。熔覆层经感应加热后形成的熔池中主要有以下几种反应^[8]：

图 5 Fe基合金粉末差热分析结果 Fig. 5 DSC analysis results of the Fe-based alloy powder

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由以上热力学方程可知，3种主要的碳化物的吉布斯自由能变化依次为Cr₃C₂、Cr₇C₃、Fe₃C，因此，在熔覆层熔池中首先形成Cr元素的碳化物，其次形成Fe₃C，而由于Fe基合金粉末中含有较高质量分数的Cr元素，因而更倾向于生成Cr₇C₃。文献[9]对Fe-Ti-Cr-C四元体系中的放热反应进行了分析，结果发现，在1 025 ℃时有M₇C₃生成，与文中Fe基合金粉末差热分析试验结果的1 039 ℃相一致，因而进一步表明感应熔覆铁基合金涂层内部碳化物主要为M₇C₃，且含有少量的Fe₃C。结合前文中EDS元素分析结果可知，预置合金粉末经感应加热过程后，合金涂层中硬质相由(Cr,Fe)₇C₃和Cr₇C₃两种组成，基体主要由α-Fe组成，且存在少量Fe₃C、Cr₇C₃和Ni₃Fe等。

图 6为感应熔覆Fe基合金涂层的显微硬度沿涂层深度的变化曲线。可以看出，随着距离涂层表面深度的增加，涂层的显微硬度平均值250 HV_0.1明显高于基体的156 HV_0.1。这是由于Fe基合金粉末预置涂层经过感应加热后熔化形成熔池，在熔池中有较多的(Cr,Fe)₇C₃及少量Cr₇C₃硬质析出相产生，且析出相均匀细小地分布于α-Fe基体上，对基体的弥散强化作用导致涂层的显微硬度增加。

与感应熔覆Ni基合金涂层^[10]对比，Fe基合金涂层显微硬度略低于Ni基合金涂层，这是由于预置Fe基合金粉末中C元素含量低于Ni基合金粉末，涂层中碳化物硬质析出相比感应熔覆Ni基合金涂层少，但感应熔覆Fe基合金涂层性价比高，涂层与基体结合性良好。

图 7为不同载荷下熔覆层与基体的摩擦因数。由图可以看出，在5、10、15和20 N这4个载荷下，熔覆层与基体的摩擦因数均随载荷的增加而增大，而基体的摩擦因数均高于涂层的摩擦因数。图 8为不同载荷下熔覆层与基体的磨损体积，对比可见，5、10和15 N载荷下，熔覆层的磨损体积明显比基体小很多，说明涂层中的硬质相强化作用较为明显，而20 N的载荷下熔覆层的磨损体积略小于基体的磨损体积，可能是由于磨损机理与前3个载荷下的磨损机理不同导致的。结合感应熔覆Ni基合金涂层^[10]摩擦学性能对比，在载荷较低时，Fe基合金涂层耐磨损性能与Ni基合金涂层相当，载荷较高时，由于Ni基合金涂层中碳化物增强相多于Fe基合金涂层，因而Fe基合金涂层耐磨性略低于Ni基合金涂层。

图 9为熔覆层与基体在不同载荷下的磨痕形貌。可以看出，熔覆层磨痕上明显存在许多因涂层剥落而形成的凹坑，和因剥落而留下的裂纹，其原因是由于磨球在涂层上往复运动，导致涂层受到剪切应力而产生疲劳，使得涂层中产生细小裂纹(如图中箭头所示)，使得细小裂纹继续扩展而导致涂层剥落。对比之下，基体则存在较为明显的磨粒磨损产生的划痕。随着载荷的增加，涂层与基体磨损机理发生了不同程度的变化。当载荷为20 N时，涂层出现了较多的粘着磨损现象，因而导致磨损体积的增大，而基体在较大载荷时(15 N、20 N)，出现了大量的层状剥落以致磨损体积大大增加，而涂层中由于硬质析出相对基体的强化和保护作用，使得其磨损性能较不锈钢基体良好，因而感应熔覆所制备的Fe基复合涂层具有良好的耐磨损性能。

(1) 采用预置粘结剂粉末涂层结合高频感应加热的方法，在奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti表面制备了Fe基合金涂层。涂层组织致密，内部和界面无孔隙、裂纹等缺陷，与基体呈良好的冶金结合。涂层主要由α-Fe、(Cr,Fe)₇C₃、Cr₇C₃、Ni₃Fe和Fe₃C等组成，硬质析出相(Cr,Fe)₇C₃、Cr₇C₃均匀细小地分布于基体α-Fe上，起到弥散强化的作用。

(2) 感应熔覆所制备涂层由于有较多的(Cr,Fe)₇C₃及少量Cr₇C₃硬质析出相产生，且析出相均匀细小地分布于α-Fe基体上，导致涂层的显微硬度平均值为250 HV_0.1，明显高于不锈钢基体。由于硬质析出相的弥散强化作用，感应熔覆Fe基合金涂层在不同载荷下的耐磨损性能均优于不锈钢1Cr18Ni9Ti基体，在试验条件下，载荷较小(5、10和15 N)时，涂层的磨损机理主要为层状剥落，而载荷增大(20 N)时，涂层磨损机制为层状剥落和粘着磨损。

(3) 与感应熔覆Ni基合金涂层对比，感应熔覆Fe基合金涂层显微硬度略低于Ni基合金涂层，低载荷下，其摩擦学性能与Ni基合金涂层相当，但Fe基合金涂层性价比高，与涂层结合性良好。