激光熔覆WC顆粒增強(qiáng)Ni基合金涂層耐磨性能的研究

發(fā)布時(shí)間：2022-02-10所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次

摘 要： 摘 要：采用預(yù)置涂層法，在基材 45 鋼表面預(yù)置金屬 Ni60+WC 粉末，通過試驗(yàn)采用不同的激光工藝參數(shù)獲得不同的熔覆層，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。 借助光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)等對激光熔覆層的合金元素分布、組織結(jié)構(gòu)、磨損特性等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。 結(jié)果表明，選

　　摘 要：采用預(yù)置涂層法，在基材 45 鋼表面預(yù)置金屬 Ni60+WC 粉末，通過試驗(yàn)采用不同的激光工藝參數(shù)獲得不同的熔覆層，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。 借助光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)等對激光熔覆層的合金元素分布、組織結(jié)構(gòu)、磨損特性等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。 結(jié)果表明，選用體積分?jǐn)?shù)為 50vol%、粒度為 1 μm 的 WC 復(fù)合涂層，采用優(yōu)化的工藝參數(shù)所得到的熔覆層，其耐磨性能是淬火 45 鋼的 7 倍，是 Ni60 涂層的 5倍。

　　關(guān)鍵詞：激光熔覆; WC 顆粒; Ni 基合金;工藝參數(shù); 耐磨性能

　　激光熔覆是一種新型的表面強(qiáng)化方法， 它利用高功率、高能量密度的激光束，將合金粉末或陶瓷粉末與基體表面迅速加熱并熔化， 光束移開后快速冷卻，形成稀釋率極低、與基體材料成冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基體表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性等。 Ni 基合金熔覆層以其較高硬度、 高溫耐磨性和高溫耐腐蝕性， 被廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石化、機(jī)械等領(lǐng)域。 WC 陶瓷具有較高的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性， 與鎳等金屬形成金屬陶瓷復(fù)合材料(硬質(zhì)合金)，常用于切削工具、耐磨零部件等。 然而，WC 硬而脆，且在受熱時(shí)易分解、溶解及氧化，使得熔覆層中 WC 體積分?jǐn)?shù)受限制，甚至導(dǎo)致涂層存在裂紋等缺陷，因而大大限制了激光熔覆 WC-Ni 基合金涂層的應(yīng)用[1]。

　　激光功率主要決定線能量的大小， 從而影響熔覆層的狀態(tài)， 離焦量會影響線能量的大小及表面平整度，道間間距主要決定表面平整度，掃描速度影響線能量。本文通過優(yōu)化以上工藝參數(shù)，獲得了表面平整均勻的熔覆層;WC 的粒度和體積分?jǐn)?shù)決定了熔覆層的硬度及耐磨損性能，通過優(yōu)化 Ni60(NiCrBSi) + WC 配比，獲得了界面結(jié)合良好、成分均勻和耐磨損性能優(yōu)異的熔覆層。

　　1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及分析方法

　　1.1 試驗(yàn)材料

　　WC 顆粒原始粉末的粒度為 1、5、20μm。 45 鋼基體的尺寸為 45mm×25mm×3mm。 先利用丙酮清洗基體，再采用 100 目的棕剛玉進(jìn)行噴砂處理，噴砂角度為 90°(垂直噴砂)， 噴砂完畢后， 再用丙酮清洗，目的是增強(qiáng)復(fù)合涂層與基體的潤濕性。粘結(jié)劑為 5%聚乙烯醇水溶液， 將絮狀聚乙烯醇放入水中，水浴加熱到 90℃，保溫 2～3 h，讓其充分溶解，最后出現(xiàn)清晰的透明狀液體。 將基體預(yù)熱到 400℃左右為宜，這樣基體表面形貌好，又不會導(dǎo)致基體晶粒明顯長大。 采用氮?dú)膺M(jìn)行氣體保護(hù)，這樣熔池中氧含量大大減小，WC 分解的 C 就不會和 O 結(jié)合， 避免了氣孔的形成，耐磨性能提高。 Ni60 包裹 WC 顆粒，熔覆層中 WC 顆粒保留原來的形貌，Ni60 溶解充分， 與基體混合達(dá)到冶金結(jié)合。 Ni60 包裹 WC，增強(qiáng)熔覆層耐磨性能[1]。

　　1.2 試驗(yàn)設(shè)備

　　激光熔覆設(shè)備見圖 1， 包括 CO2 激光器和自制夾具。 磨損試驗(yàn)機(jī)原理圖見圖 2，磨損參數(shù)見圖中標(biāo)注。

　　1.3 激光熔覆工藝參數(shù)試驗(yàn)

　　首先進(jìn)行基體處理。 將線切割加工好的試樣進(jìn)行噴砂處理，然后再用丙酮進(jìn)行擦拭。目的是讓液態(tài)的熔覆層和基體能夠進(jìn)行很好的潤濕， 進(jìn)而達(dá)到較好的冶金結(jié)合。

　　配置 5%聚乙烯醇水溶液粘結(jié)劑。 將絮狀聚乙烯醇放入水中，加熱到 90℃，保溫 2～3 h 即可。 本次試驗(yàn)采用預(yù)置涂層法。 將 5%聚乙烯醇水溶液與復(fù)合粉末充分?jǐn)嚢杈鶆颍?然后采用軟毛刷將其刷到準(zhǔn)備的好的基體上，每次都用吹風(fēng)機(jī)吹干后再刷，大約經(jīng)過 30 次左右才能達(dá)到 600～800μm 的厚度。 通過反復(fù)涂刷發(fā)現(xiàn)，剛開始時(shí)，復(fù)合粉末和聚乙烯醇水溶液體積比為 1∶1，最后為 1∶2，中間連續(xù)變化，來回刷，這樣刷出來的表面平整、成分均勻、效果較好。

　　上述步驟完成后將試樣在 100℃下烘干 4 h，讓水分蒸發(fā)。

　　對于一定 WC 粒度和體積分?jǐn)?shù)的涂層，磨損量隨激光功率的變化如表 1 所示。當(dāng)激光功率低時(shí)，F(xiàn)e 元素不熔于合金熔覆層，稀釋率低，WC 體積分?jǐn)?shù)保留下來較多，故磨損量小。雖然低功率的摩擦磨損特性好，但是由于激光功率低，不能得到良好的熔覆層表面。由于熔覆層吸收的熱量低，熔覆層與基體不能形成良好的結(jié)合面。 激光功率過高時(shí)，F(xiàn)e 元素容易上浮，稀釋率大大增加。 另外，WC 受熱分解，產(chǎn)生氣孔，導(dǎo)致熔覆層成分不均勻，WC 體積含量低，故熔覆層耐磨性能差。 因此，應(yīng)選擇適當(dāng)激光功率，一般來說，激光功率應(yīng)在 1.8～2.0 kW 為宜。

　　磨損量隨掃描速率的變化如表 2 所示。 掃描速度低時(shí)，熔覆層接受的熱輸入多，基體元素進(jìn)入熔覆層，導(dǎo)致稀釋率增加，進(jìn)而降低耐磨性能。另外，過低的掃描速度甚至?xí)驗(yàn)檫^大的熱輸 入造成 WC 分解，最終也是降低稀釋率，從而耐磨性能降低。 掃描速度過高時(shí)會導(dǎo)致熔覆層成分不均勻， 甚至出現(xiàn)宏觀上的不連續(xù)。 因此， 一般選擇掃描速度為 200～ 300mm/min 為宜， 這時(shí)既能保證合適的熱輸入，又能保證熔覆層良好的質(zhì)量。經(jīng)過對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對于中等偏粗的粉末， 較為合理的參數(shù)為： 激光功率為 1.8 kW、離焦量為+16.5 mm、道間間距為 1.8 mm、掃描速度為 200mm/min。 對于細(xì)粉，較合適的組參數(shù)為：激光功率為 2.0 kW、離焦量為+22.5 mm、道間間距為 2.2mm、掃描速度為 300mm/min。

　　對于不同 WC 粒度 (1、5 和 20μm)， 隨著 WC 體積分?jǐn)?shù)的增加，磨損量近似呈線性減小，即耐磨損性能增加。 因此，要在一定程度上提高 WC 的體積分?jǐn)?shù)，從而提高其耐磨損性能。 但是，隨著 WC 體積分?jǐn)?shù)的不斷提高，該曲線會有最小值。 當(dāng) WC 體積分?jǐn)?shù)過高時(shí)，耐磨性能反而降低，原因是涂層脆性增強(qiáng)， 且 Ni60 含量降低也會導(dǎo)致涂層粘結(jié)性不好，在磨損試驗(yàn)時(shí) WC 成片脫落。 即隨著 WC 體積分?jǐn)?shù)的增加， 耐磨損性能先增強(qiáng) 后減弱， 當(dāng)體 積分?jǐn)?shù)為50vol%時(shí)出現(xiàn)極大值，這時(shí)耐磨損性能最優(yōu)。

　　1.4 熔覆層性能表征

　　基于上述的最佳激光熔覆工藝參數(shù)和最佳 WC 體積分?jǐn)?shù)，對不同粒度的 WC+Ni60 涂層進(jìn)行試驗(yàn)，使用掃描電鏡 SEM 和耐磨損試驗(yàn)失重對熔覆層微觀形貌和耐磨性能進(jìn)行表征。

　　2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　2.1 結(jié)合面 SEM 形貌觀察及分析

　　基體與 Ni60 合金粉末熔覆層形貌見圖 3。 由圖可見基體與 Ni60 粉末經(jīng)過激光熔覆后的結(jié)合界面形貌，界面已達(dá)到冶金結(jié)合。

　　2.2 基體表面激光熔覆 Ni60+WC 復(fù)合涂層分析

　　鎳基合金中 加入了極具 抗磨能力的 WC 顆粒后，一方面，WC 顆粒的溶解有利于涂層的固溶強(qiáng)化以及重新凝固過程中共晶碳化物的第二相強(qiáng)化。 另一方面， 未熔的 WC顆粒本身以及共晶碳化物等對涂 層 組 織 的 枝 晶 及 共 晶 組 織 的 細(xì) 晶 強(qiáng) 化 ， 都 使 Ni60+WC 涂層的耐磨性明顯高于 Ni60 涂層。 當(dāng)加入較多的 WC(體積分?jǐn)?shù) 50vol%) 時(shí)，這些效果越明顯。 另外，鎳與鈷基合金間具有良好的相容性，鎳包 WC 與鎳基合金之間存在溶解與擴(kuò)散也使得 WC 與基體熔為一體， 增強(qiáng)了 WC 與基體合金的結(jié)合，使 WC 顆粒在磨損過程中不易脫落，且 Ni60 粉末的包覆作用也使 WC的殘留量明顯增多[2]。

　　圖 4 為不同 WC 粒度的熔覆層表面形貌。 經(jīng)過元素分析確認(rèn)， 白色顆粒狀為未熔化的 WC 顆粒，包裹在 WC 顆粒周圍的黑色部分為熔化的 Ni60 合金粉末，灰色部分為碳鋼基體。 Ni60+WC 激光熔覆試驗(yàn)時(shí)，Ni60 合金粉末完全熔化， 而 WC 不完全熔化， 只是少量較細(xì)的粉末發(fā)生熔化。 熔覆層中仍有部分 WC 顆粒未熔化，保留著原始顆粒狀。 相比于中等偏粗 WC 顆粒熔覆層，細(xì)粉 WC 熔覆層中 WC 顆粒分布更加均勻，鎳基合金粉末包裹 WC 更加密實(shí)，熔覆層強(qiáng)韌性也更佳。

　　2.3 不同粒度 WC+Ni60 合金涂層耐磨損性能表征

　　表 3 為體積分?jǐn)?shù)為 50vol%時(shí)不同 WC 粒度磨損量。 由表中數(shù)據(jù)可知， 不同的 WC 粒度和相 同(50%) 體積分?jǐn)?shù)中， 當(dāng)粒度為 1μm、 體積含量為 50vol%的復(fù)合涂層，其耐磨性最好。 一方面，較細(xì)顆粒的 WC 被 Ni60 粉末包裹的較密實(shí)， 在磨損試驗(yàn)時(shí)，不太容易造成整個(gè)顆粒的脫落，磨損時(shí)受到的剪切力相對于小顆粒的 WC 來說較小。 相反，大顆粒的 WC 受力較大，加之 Ni60 包裹不密實(shí)，粒度較大的 WC 在磨損時(shí)由于以磨粒磨損的機(jī)制剝落，所以耐磨損性能不好。 因此，較大顆粒的 WC 耐磨損性能相對較差。 另一方面，由較小顆粒的 WC 構(gòu)成的復(fù)合涂層相對于大顆粒的 WC 涂層， 其韌性較好，激光熔覆時(shí)由于快熱快冷，熱應(yīng)力較大，較小顆粒的 WC 由于韌性好， 有助于內(nèi)應(yīng)力釋放而不容易產(chǎn)生裂紋，整個(gè)熔覆層組織完整致密，耐磨損性能較好[3]。 粒度為 1μm 體積含量為 50vol%/WC+Ni60 激光熔覆復(fù)合涂層耐磨性能大約是淬火 45 鋼的 7 倍，是激光熔覆 Ni60 涂層耐磨性能的 5 倍。

　　3 結(jié)論與展望

　　(1) WC 體積分?jǐn)?shù)為 50%時(shí)， 熔覆層磨損量隨著 WC 粒度的增加而增加。 原因是當(dāng) WC 粒度增加時(shí)，熔覆層的硬脆性傾向增大，磨損時(shí)以磨粒磨損為主，WC 顆粒成塊脫落。

　　(2) 從表面形貌來看，對于中等偏粗的粉末，較為合理的參數(shù)為： 激光功率為 1.8 kW、 離焦量為+ 16.5 mm、 道 間 間 距 為 1.8 mm、 掃 描 速 度 為 200 mm/min。 對于細(xì)粉，較合適的參數(shù)為：激光功率為 2.0 kW、離焦量為+22.5 mm、道間間距為 2.2 mm、掃描速度為 300mm/min。

　　(3) 比較了同一體積分?jǐn)?shù) 50vol%、不同 WC 粒度的復(fù)合粉末，經(jīng)過激光熔覆耐磨涂層，當(dāng) WC 粒度為 1μm 時(shí)，熔覆層的耐磨性能最好，其耐磨性能是淬火 45 鋼的 7 倍，是 NiCrBSi 的 5 倍。

　　(4) 今后可以對微米 WC+納米 WC 的多粒度復(fù)合粉末進(jìn)行研究。 因?yàn)榧尤胛⒚?WC 激光可保證熔覆層的硬度和耐磨損性能，納米 WC 的加入增強(qiáng)了熔覆層的韌性，抗裂性能大大增強(qiáng)，所以，復(fù)合粉末的耐磨性能會有較大的提高[4-5]。——論文作者：陳永剛

　　參考文獻(xiàn):

　　[1] 陳書法，何祥明，楊茂盛，等.激 光 熔 覆 制 備 NiCr/Cr3C2-WS2- CaF2 復(fù)合材料涂層[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2012，33(10)：21-25.

　　[2] 匡建新，汪新衡，黃開有.激光熔覆 Ni 基微-納米 WC 金屬陶瓷涂層組織及干滑動磨損性能[J].熱加工工藝，2010，39(2)： 47-49.

　　[3] 徐采云，陳華輝，諶俊，等.激光熔覆微-納米 WC 復(fù)合涂層的干摩擦磨損性能[J].金屬熱處理，2006，31(z1)：146-148.

　　[4] 李震.激光熔覆鎳基碳化鎢涂層組織與性能研究[D].天津: 天津工業(yè)大學(xué)，2015.

　　[5] 馬向東，劉東方，黃亮亮.燒結(jié)碳化鎢增強(qiáng)激光熔敷涂層耐磨性研究[J].潤滑與密封，2016，41(6)：1-3

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