摘要
H13热作模具钢具有较高的高温强度、淬透性、耐磨性及抗冷热疲劳性能等，因而在国际上被广泛使用。但当其长期服役于高温、高载下时，常常会导致早期高温磨损失效。因此，提升热作模具钢在严苛环境下的耐磨性具有重要的理论意义和工程应用价值。本文设计并激光熔覆制备了三种Fe-Ni（含2%、5%、9%Ni）合金涂层，采用SEM、EDS、XRD、显微硬度计等对其进行微观分析和性能表征；在不同环境温度、载荷下对Fe-Ni涂层和H13钢进行了干滑动磨损对比实验，测试和分析了它们的磨面和亚表面的形貌、成分、物相、硬度等，研究了摩擦层的形成和作用，探索了涂层的磨损机制及抗磨机理。 结果表明：激光熔覆涂层样品的宏观形貌依次呈现出：涂层、热影响区、基体，且涂层与基体结合良好，无气孔、裂纹等缺陷。三种Fe-Ni合金涂层随镍含量的增加，微观组织和结构发生改变，涂层1由底部到表层呈现为胞状晶、柱状树枝晶、等轴晶；涂层2呈现为胞晶、柱状树枝晶，等轴晶和柱状枝晶（搭接区）；涂层3为胞晶、柱状树枝晶、少量的等轴晶和粗大的柱状树枝晶（搭接区）。由背散射和EDS结果发现，涂层含有大量的Ti为主的金属间化合物；由XRD结果发现，低镍含量的涂层1和涂层2基体物相为α''-Fe，高镍含量的涂层3基体物相为α''-Fe和γ-(Fe,Ni)；涂层的显微硬度明显高于基体，各区平均硬度由高到低依次为：热影响区、涂层区、H13钢基体区。热稳定性实验表明，高温下（特别是600℃）三种涂层均表现出了显著优于H13钢的热稳定性。 磨损实验表明，在400℃-600℃下涂层3的磨损率最低，显著低于涂层1、2的和H13钢的，表现出优异的耐磨性，特别是在600℃、150N下三种涂层均具有比H13钢高的耐磨性。经磨面的微观分析认为，三种Fe-Ni合金涂层和H13钢的耐磨性取决于磨面形成的保护性摩擦层以及亚表层的热强性和热稳定性。涂层内部弥散分布的大量金属间化合物有效强化了亚表层，特别是涂层3在磨损过程中γ-α''相变进一步强化，使涂层在高温磨损过程（特别是600℃）表现出优于H13钢的抗磨性。根据涂层和H13钢的摩擦磨损行为、磨面和摩擦层的特征分析，发现Fe-Ni涂层在400℃-600℃、50N-150N时分别出现氧化轻微磨损、轻微-严重磨损转变区、严重磨损，即涂层1、涂层2和H13钢在400-500℃、50-150N及600℃、50N下为氧化轻微磨损，在600℃、100N下均出现严重磨损；而涂层3在400-500℃、50-150N及600℃、50-100N下磨损机制为氧化轻微磨损，当在600℃、150N下处于轻微磨损与严重磨损的转变区，但始终未出现严重磨损。
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