[Abstract] 17–4PH Edelstahl wird häufig für wichtige Teile wie Turbinenschaufeln in der Luft- und Raumfahrtbereich. Um die Reparatur und Wiederaufbereitung beschädigter 17–4PH-Teile für die Luftfahrt zu ermöglichen, wurde eine 15–5PH-Beschichtung auf der Oberfläche von 17–4PH hergestellt durch Laserauftragstechnologie, und die Phase, Mikrostruktur, Mikrohärte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung wurden analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Beschichtung hauptsächlich aus Fe-Cr, Martensit und α-Fe besteht; der Bindungsbereich zwischen der Beschichtung und dem Substrat besteht aus planaren Kristallen, der untere und mittlere Teil bestehen hauptsächlich aus säulenförmigen Kristallen und die Oberseite besteht aus säulenförmigen Kristallen und einer kleinen Menge gleichachsiger Kristalle. Die durchschnittliche Mikrohärte der Beschichtung und des Substrats beträgt 408.7HV0.5 bzw. 347.5HV0.5. Die Härte der Beschichtung ist 17.6 % höher als die des Substrats. Die durchschnittlichen Reibungskoeffizienten der Beschichtung und des Substrats betragen 0.3051 bzw. 0.3754. Die Verschleißquerschnittsflächen betragen 813.74 μm2 bzw. 2058.12 μm2. Die Verschleißfestigkeit der Beschichtung ist wesentlich besser als die des Substrats. Das Selbstkorrosionspotential (Ecorr) der Beschichtung und des Substrats beträgt –1.0780 V bzw. –1.0975 V. Die Selbstkorrosionsstromdichte (Icorr) beträgt 1.229 × 10–3 mA/cm2 bzw. 0.907 × 10–3 mA/cm2. Die Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung ist mit der des Substrats vergleichbar. Die Ergebnisse der Mikrostruktur und der Oberflächeneigenschaften der Beschichtung zeigen, dass die Laserauftragschweißbeschichtung 15–5PH für die Reparatur und Wiederaufbereitung von 17–4PH-Teilen für die Luftfahrt verwendet werden kann.
Schlüsselwörter: Laserauftragschweißen; Wiederaufbereitung; 17–4PH; 15–5PH; Korrosionsbeständigkeit

17–4PH Edelstahl wird häufig zur Herstellung wichtiger Luftfahrtteile verwendet, einschließlich Flugzeugfahrwerk, Flugzeugmotor Teile und Turbinenschaufeln aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit. In tatsächlichen Anwendungen müssen solche Teile extremen Arbeitsumgebungen standhalten, wie z. B. Dauerbetrieb unter hohen Temperaturen und hohen Drücken, Hochgeschwindigkeitsreibung und Kontakt mit korrosiven Medien. Diese harten Bedingungen führen leicht zu Verschleiß, Korrosion und Ermüdungsversagen von Teilen, die den Anforderungen an den Langzeitbetrieb nicht gerecht werden. Daher sind die Reparatur- und Wiederaufbereitungsmethoden für beschädigte 17–4PH-Teile für Luftfahrt bieten eine praktische Möglichkeit, ihre Lebensdauer zu verlängern und die Ressourcennutzung zu verbessern. Als fortschrittliche Oberflächenreparatur- und -aufbereitungstechnologie Laserauftragstechnologie verwendet einen hochenergetischen Laserstrahl zum schnellen Schmelzen Pulvermaterialien und beschädigte Oberflächen, und nach dem Abkühlen und Kondensieren bildet sich eine Beschichtung mit dichter Struktur und hervorragender Leistung. Im Vergleich zu herkömmlichen Reparatur- und Wiederaufbereitungstechnologien wie thermischem Spritzen, Lichtbogenbeschichtungstechnologie und Plasmaspritzen bietet die Laserbeschichtungstechnologie die Vorteile einer hohen Energiedichte, eines geringen Energieverbrauchs und einer kleinen Wärmeeinflusszone. Sie kann beschädigte Teile in jedem Bereich und mit komplexen Formen reparieren und wiederaufbereiten.

Derzeit nutzen zahlreiche Wissenschaftler im In- und Ausland die Laserauftragschweißtechnologie, um in vielen Bereichen Reparatur- und Wiederaufbereitungstechnologien zu erforschen. Li Sheng et al. verwendeten die Laserauftragschweißtechnologie, um eine verbesserte, nickelbasierte, hochtemperaturbeständige, verschleißfeste Legierungsbeschichtung aus Inconel 718 auf der Oberfläche der Inconel-718-Legierung herzustellen, um die Dichtfläche des Ventils aus nickelbasierter Legierung der überkritischen Einheit zu reparieren und wiederaufzubereiten. Chen et al. verwendeten die Laserauftragschweißtechnologie, um mit Titankarbid und Titandiborid verstärkte Verbundbeschichtungen auf der beschädigten Kohlenstoffstahloberfläche herzustellen, um Kohlenstoffstahlteile zu reparieren und wiederaufzubereiten. Zhang et al. verwendeten kobalt- und nickelbasierte Legierungen als Rohstoffe, um die Oberfläche von martensitischem Edelstahl 1Cr12 mit dem Laserauftragschweißen zu bearbeiten, um Pumpenwellen und Ventilschäfte in Kernreaktoren zu reparieren und wiederaufzubereiten. Li Yundong et al. verwendeten Laserauftragstechnologie um selbst hergestelltes eisenbasiertes Legierungspulver auf ein 28CrMoNiV-Stahlsubstrat aufzuplattieren und damit Turbinenrotoren zu reparieren und wiederaufzubereiten. Unter diesen Wissenschaftlern wurde Laserplattierungstechnologie verwendet, um Teile in der Luft- und Raumfahrt zu reparieren und wiederaufzubereiten. Ren Weibin et al. verwendeten beschädigte Rotorblätter als Reparatur- und Wiederaufbereitungsobjekte und laserplattierten selbst hergestelltes Legierungspulver auf die Oberfläche einer TC4-Legierung. Die Ergebnisse zeigten, dass die Verschleißfestigkeit der Blätter nach der Reparatur verbessert war. Um die Reparatur und Wiederaufbereiten von Flugzeugtriebwerksteilen zu realisieren, verwendeten Gao Xuesong et al. Laserplattierungstechnologie, um eine Beschichtung aus Al2O3+13 % TiO2 (Massenanteil) auf der Oberfläche einer Titanlegierung herzustellen, wodurch die Korrosionsbeständigkeit der reparierten Teile stark verbessert wurde. Wang Xiaoyang et al. führten eine Studie zur Reparatur und Wiederaufbereitung der Aluminiumlegierung 2A50-T6 für die Luftfahrt durch und verwendeten Laserplattierungstechnologie, um eine AlSi10Mg-Beschichtung auf der Oberfläche der Aluminiumlegierung 2A50-T6 herzustellen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Plattierungsschicht nur wenige Poren aufwies, die Dichte 99.96 % erreichte und die Zugfestigkeit der durch Laserplattierung reparierten Aluminiumlegierung 93.18 % des Substrats erreichte. Zhang et al. führten eine Studie zur Reparatur und Wiederaufbereitung von Inconel 718-Hochtemperaturteilen für die Luft- und Raumfahrt durch und plattierten Inconel 718-Legierungspulver mit Laser auf Inconel 718-Legierung mit vorgefertigten trapezförmigen Rillen, um eine Beschichtung herzustellen. Die Zugfestigkeit und Dehnung der reparierten Proben betrugen 736.6 MPa bzw. 12.5 %, und die Zugfestigkeit war deutlich verbessert. Die Laserauftragschweißtechnologie wird häufig zur Reparatur und Wiederaufbereitung von Teilen in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, die meisten Forschungsarbeiten konzentrieren sich jedoch auf Materialien wie Titanlegierungen, Aluminiumlegierungen und Hochtemperaturlegierungen (wie Inconel 718, Inconel 625). Es gibt nur wenige Studien zu 17-4PH-Edelstahl, der ebenfalls häufig verwendet wird.

Beschichtungspulvermaterialien haben einen wichtigen Einfluss auf die Struktur und Eigenschaften von wiederaufbereiteten Beschichtungen. Häufig verwendete Beschichtungsmaterialien für Laserbeschichtungen sind Kobalt-, Nickel- und Eisen-basiert. Im Vergleich zu Kobalt- und Nickel-basierten Materialien haben Eisen-basierte Materialien eine bessere Benetzbarkeit und relativ geringere Entwicklungskosten. 15-5PH ist ein typisches Eisen-basiertes Pulver, das auf der Basis von 17-4PH durch Reduzierung des Chrom- und Kupfergehalts und Erhöhung des Nickelgehalts verbessert wurde;
Es weist nicht nur eine hohe Festigkeit und Härte auf, sondern Studien haben auch gezeigt, dass das niedrige Chrom/Nickel-Verhältnis 15-5PH eine hohe Zähigkeit und gute Verformungseigenschaften verleiht. Diese Eigenschaften machen 15-5PH unter Reibungs-, Zug- und Druckbedingungen vorteilhafter und können das Rissrisiko von 17-4PH-Flugzeugteilen während des Betriebs wirksam verringern.

Ziel dieser Studie ist es, 15–5PH-Pulver auf ein 17–4PH-Substrat aufzutragen und die physikalische Phase, Mikrostruktur und Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung zu vergleichen und zu analysieren, um die Durchführbarkeit der Verwendung von Laserauftragschweißen mit 15–5PH-Pulver zur Reparatur von 17–4PH-Teilen zu überprüfen und eine experimentelle Grundlage für die Reparatur und Wiederaufbereitung von 17–4PH-Teilen für die Luftfahrt zu schaffen.

1 Test und Methoden

1.1 Testmaterialien
Das Substrat bestand aus 17–4PH Edelstahl (TISCO-Gruppe); die Beschichtungspulver wurde aus 15–5PH Edelstahl (AVIC Mate) mit einer Partikelgröße von 53–150 μm hergestellt. Vor dem Test wurde die Substratoberfläche abgeschliffen, um die Oxidschicht zu entfernen, und das Beschichtungspulver wurde 200 Minuten lang in einen Ofen bei 120 °C gegeben, um die Fließfähigkeit des Pulvers sicherzustellen. Die Hauptbestandteile des Substrats und des Beschichtungspulvers sind in Tabelle 1 aufgeführt.

1.2 Versuchsausstattung und Schema
Die Laser-Auftragschweißsystem ist in Abbildung 1 dargestellt, die aus OFM-TS-0601 besteht Laserauftragschweißkopf (Gangchun Technology Company), RFL-C3000 Faserausgangshalbleiterlaser (Raycus Intelligent Technology Company), FANUC M-20iD/25 Roboterarm, TFLW-3000 Wasserkühlgerät (Sanhe Tongfei Refrigeration Company), ECPF2-2LC Multifunktionspulverförderer (Shanghai Pairmid Machinery Technology Company), Arbeitsplattform und Schutzgasgerät. Die maximale Ausgangsleistung des Lasers beträgt 3000 W, die Laserwellenlänge beträgt (915±10) nm, die Frequenz beträgt 50 Hz und für die Beschichtung wird die koaxiale Pulverzufuhrmethode verwendet. Um die Beschichtung vor Oxidation zu schützen, wird hochreines Argongas mit einer Reinheit von 99.999 % verwendet, um das Schmelzbad während des gesamten Prozesses zu schützen. Der Laserauftragschweißprozess ist in Abbildung 2 dargestellt. Entsprechend den Ergebnissen der vorherigen Tests wurden als Prozessparameter für diese Studie eine Laserausgangsleistung von 1700 W, eine Laserscangeschwindigkeit von 13 mm/s, eine Pulverfördergeschwindigkeit von 1.1 U/min und eine Überlappungsrate von 40 % gewählt.

Nach der Plattierung der Probe wurde der Mittelabschnitt der ausgewählten Probe mithilfe des Hochgeschwindigkeits-Drahtschneidegeräts DK-10 (Taizhou Aier CNC Machine Tool Company) in 10 mm × 12 mm × 7735 mm große Blockproben geschnitten und eingelegt. Anschließend wurden die Blockproben nacheinander mit 400#–2000# Schleifpapier poliert und geschliffen.
Die Oberfläche der polierten Probe wurde mit einer Mischlösung aus FeCl3∶HCl∶H2O=5∶50∶100 Volumenteilen korrodiert und anschließend gereinigt und getrocknet. Die korrodierte Probe wurde auf die Oberfläche der metallografischen Mikroskop-Werkbank Leica DMILM (Leica, Deutschland) gelegt, um die Beschichtungsmikrostruktur zu beobachten und den Entwicklungsmechanismus der Beschichtungsstruktur zu untersuchen. Die Zusammensetzung der Beschichtungsphase wurde mit einem Röntgendiffraktometer DX-2700B (Dandong Haoyuan) ermittelt, der Scanwinkelbereich (2θ) wurde auf 30°~100° eingestellt und der Schrittwinkel betrug 0.02°/s; anschließend wurde die Beschichtungsphase mit der Software MDI Jade 6 analysiert. Die Mikrohärteänderung von der Beschichtung zum Substrat wurde mit einem Vickers-Härteprüfgerät HV-1000B (Laizhou Huayin Testing Instrument Co., Ltd.) gemessen, die Prüflast wurde auf 500 g eingestellt und die Haltezeit betrug 10 s; Position und Intervall der Testpunkte sind in Abbildung 3 dargestellt. Die Korrosionsbeständigkeit der Probenoberfläche wurde mit der elektrochemischen Arbeitsstation LK98BII (Lanlike Chemical Electronics Co., Ltd.) geprüft. Das Anfangspotential wurde auf -2 V, das Endpotential auf 2 V, die Scangeschwindigkeit auf 0.02 V/s und die Wartezeit auf 10 s eingestellt. Der Verschleißfestigkeitstest wurde mit dem Reibungs- und Verschleißprüfgerät MS-T3001 (Lanzhou Huahui Instruments) durchgeführt. Die aufgebrachte Last war ein 500-g-Gewicht, die Geschwindigkeit wurde auf 200 U/min eingestellt, die Reibungszeit betrug 10 min und der Reibungsradius betrug 3 mm. Als Reibungspaar wurde eine GCr15-Stahlkugel (HRC63) verwendet. Das Reibungskraftsignal wurde über das Kugel-Scheibe-Reibungsprinzip und eine Mikrocomputer-Automatiksteuerungstechnologie erhalten. Nachdem der Verschleiß abgeschlossen war, wurde das Zate-Weißlichtinterferometer (KLA) verwendet, um die Verschleißmorphologie der Probe zu messen, und das Rasterelektronenmikroskop (TESCAN VEGA) wurde verwendet, um die Verschleißform der Probe zu analysieren.

2 Ergebnisse und Diskussion
2.1 Phasenanalyse
Das Röntgenbeugungsspektrum (XRD) der 15-5PH-Beschichtung ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Analyse zeigt, dass die Phasenstruktur der 15-5PH-Beschichtung hauptsächlich aus Fe-Cr, Martensit und α-Fe besteht. Das Vorhandensein der α-Fe-Phase weist darauf hin, dass die Beschichtung eine bestimmte Menge Ferrit enthält, was die Zähigkeit der Beschichtung verbessern kann, aber auch die Härte der Beschichtung beeinflusst. Andere Studien haben gezeigt, dass Nickel einen positiven Effekt auf die Umwandlung von Ferrit in Austenit hat. 15-5PH erhöht den Nickelgehalt auf der Grundlage von 17-4PH, sodass Ferrit stärker in Austenit umgewandelt wird, was sich positiv auf die Verbesserung der Härte der Beschichtung auswirkt. Wie aus Abbildung 4 ersichtlich, wird das XRD-Spektrum der 15-5PH-Beschichtung von Martensitbeugungsspitzen dominiert und es werden keine offensichtlichen Austenitbeugungsspitzen gefunden. Aufgrund der schnellen Abkühlungs- und Erwärmungseigenschaften des Laserplattierungsprozesses wird der größte Teil des Austenits während des Plattierungsprozesses in Martensit umgewandelt. Als harte Phase hat Martensit normalerweise eine höhere Festigkeit und Härte. Darüber hinaus sind, wie in Tabelle 1 gezeigt, die Eisen- und Chromgehalte in der 15-5PH-Legierung hoch, sodass die Fe-Cr-Phase gebildet wird, die die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit des Materials verbessern kann.

2.2 Mikrostruktur
Die Mikrostrukturen verschiedener Bereiche der Beschichtung sind in Abbildung 5 dargestellt. Während des Laserbeschichtungsprozesses ist die Temperatur des Schmelzbades hoch und die Abkühlungsrate schnell. Die Mikrostruktur der Beschichtungsschicht wird auch durch die Richtung des Wärmeflussverlusts und den Kristallisationsparameter G/R beeinflusst (G ist der Temperaturgradient; R ist die Erstarrungsrate). Die Mikrostruktur der Bindungszone ist in Abbildung 5 (d) dargestellt. Das geschmolzene Pulvermaterial hat direkten Kontakt mit der Oberfläche des Substrats mit niedrigerer Temperatur. Die gesamte Wärme wird auf die Schnittstelle des Substrats übertragen. Der Temperaturgradient ist am größten und die Erstarrungsrate am geringsten. Die Kristallisationskeimrate an der Schnittstelle ist niedriger als die Kornwachstumsrate, wodurch eine dünnere, ebene Kristallstruktur gebildet wird. Beim Prozess der Wärmediffusion entlang des Substrats an der Unterseite der Beschichtung tritt ein großer positiver Temperaturgradient auf. Unter dem positiven Temperaturgradienten stehen die durch die schnelle Abkühlung des Schmelzbades gebildeten säulenförmigen Kristalle senkrecht zur Schmelzlinie und wachsen in die entgegengesetzte Richtung der Wärmeflussdiffusion, wodurch ein säulenförmiger Kristallgürtel senkrecht zur Schmelzlinie an der Unterseite der Beschichtung gebildet wird (Abbildung 5 (c)). Wenn die säulenförmigen Körner an der Unterseite bis zu einem gewissen Grad wachsen, ist der Wärmefluss durch das Substrat nicht mehr dominant, der Temperaturunterschied innerhalb des verbleibenden flüssigen Metalls in der Mitte der Beschichtung nimmt ab, die Wärmeableitungsrichtung ist nicht offensichtlich und es tendiert zu einem gleichmäßigen Abkühlungszustand, was zu einer chaotischeren Wachstumsrichtung der Körner in der Mitte führt (Abbildung 5 (b)); da der Temperaturgradient in der Mitte der Beschichtung am geringsten ist, ist die Erstarrungsrate nach der Unterseite am zweithöchsten, was ebenfalls gute Bedingungen für das Kornwachstum bieten kann, wodurch säulenförmige Körner gebildet werden. Die Mikrostruktur der Oberseite der Beschichtung ist in Abbildung 5 (a) dargestellt, die hauptsächlich aus säulenförmigen Kristallen besteht, die mit einer kleinen Menge gleichachsiger Kristalle dotiert sind, und die Korngröße ist relativ klein; Dies liegt daran, dass die Oberseite der Beschichtung weit vom Schmelzbad entfernt ist und durch die Umgebung und das zusätzliche Pulver stark beeinflusst und gekühlt wird, was zu einem großen Temperaturgradienten und einer geringen Erstarrungsrate führt, was das Wachstum säulenförmiger Kristalle einschränkt und zur Bildung einer kleinen Menge gleichachsiger Kristalle führt.

2.3 Mikrohärte
Aus der Mikrohärteänderungskurve der Verkleidungsprobe in Abbildung 6 ist ersichtlich, dass die Mikrohärte der Beschichtung und des Substrats relativ stabil sind und die Mikrohärte der Beschichtung deutlich besser ist als die des Substrats. Die durchschnittliche Mikrohärte der Beschichtung beträgt 408.7 HV0.5; wenn sich der Testpunkt allmählich von der Beschichtung entfernt, neigt die Mikrohärte des Substrats dazu, stabil zu bleiben, mit einem Durchschnittswert von 347.5 HV0.5, und die Mikrohärte der Beschichtung ist 17.6 % höher als die des Substrats.
Durch die Kombination der Beschichtungsphase und der Mikrostruktur ist ersichtlich, dass sich in der Beschichtungsphase Martensit befindet, der eine hohe Härte aufweist. Die Körner innerhalb der Beschichtung sind klein und die Anzahl der Kristallgrenzflächen nimmt zu, was die Versetzung und Gleitbewegung behindert und dadurch die plastische Verformung der Körner hemmt; und da das Laserplattieren die Eigenschaften des schnellen Schmelzens und Erstarrens aufweist, wird die Feststofflöslichkeitsgrenze der festen Lösung in der Beschichtung verbessert, wodurch die feste Lösungsverstärkungswirkung der Beschichtung verbessert und die Härte der Beschichtung erhöht wird. Die Mikrohärte der Wärmeeinflusszone zeigt einen linearen Abnahmetrend, und die Seite in der Nähe der Beschichtung weist die größte Mikrohärte auf und erreicht 477.7 HV0.5. Dies liegt daran, dass die Wärmeeinflusszone unter dem Einfluss der sich schnell bewegenden Laserwärmequelle einem Wärmeeffekt ausgesetzt ist, der dem Abschrecken ähnelt, wodurch die Mikrostruktur und die Korngröße der Wärmeeinflusszone verändert werden; mit zunehmender Entfernung von der Beschichtung nimmt der Einfluss der Laserwärmequelle ab und die Mikrohärte nimmt schnell ab.

2.4 Verschleißverhalten
Abbildung 7 zeigt die Reibungskoeffizientenkurve der 15-5PH-Beschichtung und des 17-4PH-Substrats. Zu Beginn des Reibungs- und Verschleißtests befinden sich das Reibungspaar und die Testoberfläche in der Einlaufphase, und die Reibungskoeffizienten der Beschichtung und des Substrats zeigen eine Tendenz zu einem deutlichen Anstieg. Nach etwa 3 Minuten des Tests tritt der Verschleiß in die stabile Phase ein, und die Reibungskoeffizienten der Beschichtung und des Substrats stabilisieren sich allmählich innerhalb eines bestimmten Bereichs. Dies liegt daran, dass zu Beginn der Reibung das Reibungspaar und die Kontaktoberfläche in Punktkontakt stehen und die extrem harte GCr15-Stahlkugel unter Einwirkung von Druckspannung leicht in das Teststück gedrückt wird. Das abfallende Material bleibt in der Reibungsspur und die Spannung ist groß. Daher schwankt der Reibungskoeffizient stark. Mit zunehmender Kontaktfläche zwischen dem Reibungspaar und der Materialoberfläche nimmt die Spannung allmählich ab und die Reibung tritt in einen stabilen Zustand ein. Der durchschnittliche Reibungskoeffizient der Beschichtung beträgt 0.3051, was niedriger ist als der durchschnittliche Reibungskoeffizient des Substrats (0.3754); Dies liegt vor allem an den Prozesseigenschaften des Laserauftragschweißens, welches eine Verbesserung der Beschichtungsdichte sowie eine Optimierung der Mikrostruktur bewirkt und so die Verschleißfestigkeit der Beschichtung deutlich verbessert und den Reibungskoeffizienten reduziert.

Um die Verschleißform der Beschichtung und des Substrats weiter zu untersuchen, wurde in dieser Studie die Verschleißmorphologie der Beschichtung und des Substrats mit einem TESCAN VEGA-Rasterelektronenmikroskop untersucht. Die Ergebnisse sind in Abbildung 8 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass sowohl die Beschichtung als auch das Substrat deutliche Verschleißmorphologien von Rillen und Schichtung aufweisen. Die Rillen entstehen durch die „pflugförmigen“ Kratzer, die durch die Relativbewegung der abgelösten Materialien entstehen, die zu Beginn der Reibung in der Reibspur und dem Reibpaar verbleiben. Gleichzeitig übersteigt die große zyklische Spannung im Kontaktbereich die Dauerfestigkeit des Materials, und in der Reibspur entstehen ständig neue Risse. Die Risse weiten sich allmählich aus und brechen schließlich auf und lösen sich ab, wodurch eine deutliche Schichtung entsteht. Wie in Abbildung 8 (b) dargestellt, wurde in der Verschleißmorphologie des 17-4PH-Substrats auch eine bestimmte Anzahl von „Löchern“ beobachtet, was darauf zurückzuführen ist, dass die winzigen Partikel, die an der Oberfläche des Materials haften, aufgrund der Spannung abfallen. In Kombination mit der obigen Analyse ist ersichtlich, dass es sich bei den Verschleißformen der Beschichtung und des Substrats hauptsächlich um Adhäsionsverschleiß und Ermüdungsverschleiß handelt.

Mit dem Zate-Weißlichtinterferometer wurde die Verschleißrille der Probe nach dem Verschleiß gemessen und die Messergebnisse mit der Software Vision64 analysiert. Abbildung 9 zeigt das zweidimensionale Profil der Verschleißnarbe der Beschichtung und des Substrats. Darin beträgt die durchschnittliche Tiefe der Oberflächenverschleißnarbe der Beschichtung und des Substrats 1.443 μm bzw. 3.054 μm. Das Verschleißnarbenprofil ist integriert und die Verschleißquerschnittsfläche beträgt 813.74 μm2 bzw. 2058.12 μm2. Basierend auf den obigen Daten ist ersichtlich, dass die Verschleißfestigkeit der Beschichtung deutlich besser ist als die des Substrats.

2.5 Korrosionsbeständigkeit
Die dynamischen Polarisationskurven der Beschichtung und des Substrats werden in Abbildung 10 dargestellt. Wenn sich das Potenzial ändert, stimmen die Kurven der Selbstkorrosionsstromdichte der Beschichtung und des Substrats grundsätzlich überein (Abbildung 10 (a), wobei Ecorr1 und Ecorr2 die Selbstkorrosionspotenziale des Substrats bzw. der Beschichtung sind; Epit1 und Epit2 sind die Lochfraßpotenziale des Substrats bzw. der Beschichtung. Die lokale vergrößerte Ansicht wird in Abbildung 10 (b) dargestellt. Bei diesem Potenzial erreichen die Korrosions- und Korrosionsschutzprozesse auf der Metalloberfläche einen Gleichgewichtszustand. Je negativer das Selbstkorrosionspotenzial des Materials ist, desto schwächer ist seine Korrosionsbeständigkeit. Eine Erhöhung der Selbstkorrosionsstromdichte (Icorr) zeigt an, dass die Korrosionsrate der Beschichtung zunimmt. Daher ist die Korrosionsrate der Beschichtung umso schneller, je höher die Selbstkorrosionsstromdichte ist, und ihre Korrosionsbeständigkeit ist entsprechend geringer. Bei diesem Potenzial beginnt auf der Metalloberfläche Lochkorrosion aufzutreten.

Wie in Abbildung 10 (a) gezeigt, bilden sich sowohl in der Beschichtung als auch im Substrat deutliche Passivierungsbereiche, und auf der Metalloberfläche bildet sich ein stabiler Passivierungsfilm, der weitere Korrosion verhindern kann. Durch lineare Extrapolation wurden das Selbstkorrosionspotenzial und die Selbstkorrosionsstromdichte der Beschichtung und des Substrats ermittelt, wie in Tabelle 2 gezeigt. Eine vergleichende Analyse zeigt, dass der Unterschied zwischen der Selbstkorrosionsstromdichte und der Selbstkorrosionsspannung der Beschichtung und des Substrats sehr gering ist, was darauf hindeutet, dass die Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung und des Substrats ähnlich ist und die Korrosionsbeständigkeitsanforderungen des Substrats erfüllt werden können.

3 Fazit

In dieser Studie wurde eine 15-5PH-Beschichtung mithilfe der Laserbeschichtungstechnologie auf der Oberfläche von 17-4PH hergestellt. Der Leistungsunterschied des Materials vor und nach der Laserbeschichtung wurde analysiert, indem die Phasenzusammensetzung und Mikrostruktur der Beschichtung beobachtet und die Mikrohärte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung und des Substrats getestet wurden.

(1) Die 15-5PH-Beschichtung besteht aus Fe-Cr-, Martensit- und α-Fe-Phasen. Der Bindungsbereich zwischen der Beschichtung und dem Substrat ist eine dünne Schicht mit planarer Kristallstruktur. Die Unterseite und die Mitte der Beschichtung bestehen hauptsächlich aus säulenförmigen Kristallen, und die Oberseite besteht aus säulenförmigen Kristallen und einer kleinen Menge gleichachsiger Kristalle. Die Korngröße ist relativ klein. Die durchschnittliche Mikrohärte der 15-5PH-Beschichtung und des 17-4PH-Substrats beträgt 408.7 HV0.5 bzw. 347.5 HV0.5, die Härte der Beschichtung ist deutlich höher als die des Substrats.

(2) Die durchschnittlichen Reibungskoeffizienten der Beschichtung und des Substrats betragen 0.3051 bzw. 0.3754; die durchschnittlichen Verschleißtiefen der Beschichtung und des Substrats betragen 1.443 μm bzw. 3.054 μm und die Verschleißquerschnittsflächen betragen 813.7 μm2 bzw. 2058.12 μm2. Die Verschleißfestigkeit der Beschichtung ist deutlich besser als die des Substrats, und beide sind hauptsächlich Adhäsionsverschleiß und Ermüdungsverschleiß.

(3) Das Selbstkorrosionspotential der 15–5PH-Beschichtung beträgt –1.0780 V und die Selbstkorrosionsstromdichte beträgt 1.229 × 10‘–3 mA/cm²; das Selbstkorrosionspotential des 2–17PH-Substrats beträgt –4 V und die Selbstkorrosionsstromdichte beträgt 1.0975 × 0.907‘–10 mA/cm²; die elektrochemischen Parameter der Beschichtung und des Substrats sind sehr klein und die Korrosionsbeständigkeit ist vergleichbar.

In dieser Studie wurden die Struktur und Leistung der Laser-Auftragsbeschichtung 15–5PH auf 17–4PH-Teilen analysiert, wobei der Schwerpunkt auf Härte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung lag. In tatsächlichen Anwendungen können solche Teile jedoch auch starken Stößen und anderen Arbeitsbedingungen wie Zug- und Druckbelastungen ausgesetzt sein. In nachfolgenden Forschungsarbeiten werden weiterhin Aufprall- und Zugfestigkeitstests von Laser-Auftragsbeschichtungen durchgeführt, um die Aufprallfestigkeit und Zugfestigkeit von wiederaufbereiteten Teilen weiter zu untersuchen. Um die Stabilität und Zuverlässigkeit der Reparaturschicht zu verbessern, werden sich nachfolgende Forschungsarbeiten außerdem auf den Zustand der Grenzflächenbindung sowie die physikalische und chemische Verträglichkeit konzentrieren, um die langfristigen Betriebsanforderungen der reparierten Teile zu erfüllen.