申井義，林 晨，姚永強(qiáng)，劉 佳，徐歡歡

(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，青島 266520)

0 引 言

低碳鋼由于性能優(yōu)異、價(jià)格低廉而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、汽車、造船等領(lǐng)域?？茖W(xué)技術(shù)和工業(yè)水平的進(jìn)步對各種工程材料的性能要求越來越高。統(tǒng)計(jì)表明，零部件的失效主要發(fā)生在表面，因此如何提高普通金屬材料的表面性能，使其在較低的成本下滿足使用要求，已經(jīng)成為近年來的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

激光熔覆技術(shù)是一種新型的材料表面改性技術(shù)。該技術(shù)將基體材料的高塑韌性與表面改性層的高耐磨、耐腐蝕等性能相結(jié)合，從而大幅提高材料的整體性能[1-2]。與其他表面改性工藝相比，激光熔覆技術(shù)具有能量密度高、加熱和冷卻速率快、基體變形小、涂層晶粒細(xì)小、涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)[3-5]，具有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景。碳化鎢(WC)是一種具有超高硬度的陶瓷材料，在普通熔覆材料中添加一定量的WC粉可以顯著提高涂層的硬度和耐磨性。然而WC的形成能較低、熱導(dǎo)率較高[6]，在激光熔覆過程中極易發(fā)生燒損，因此一般通過提高熔覆粉體中WC的含量來保證涂層中WC的數(shù)量。但WC的脆硬性高且潤濕性較差，隨著其含量的增加，涂層的裂紋率增加，且更易出現(xiàn)WC顆粒聚集現(xiàn)象，反而會降低涂層的質(zhì)量，影響涂層的實(shí)際應(yīng)用[7-9]。鎳包WC是一種具有核殼結(jié)構(gòu)的球狀混合粉，WC顆粒被鎳基合金包裹在球狀結(jié)構(gòu)的中心位置。由于鎳基合金對激光光波的吸收率和熱導(dǎo)率低于WC的，在熔覆過程中可對WC顆粒起到一定的保護(hù)作用。此外，鎳包WC的特殊結(jié)構(gòu)還可提高WC顆粒的潤濕性及其在涂層中的彌散性，有利于涂層與基體形成冶金結(jié)合。但是目前，以鎳包WC為原料制備WC增強(qiáng)鎳基合金涂層的組織與性能研究較少。因此，作者以鎳包WC粉為熔覆材料，采用激光熔覆技術(shù)在45鋼表面制備了WC增強(qiáng)Ni60鎳基合金熔覆涂層，研究了涂層的顯微組織、物相組成、顯微硬度與耐磨性能等，并與以Ni60合金+WC機(jī)械混合粉為熔覆材料所得熔覆涂層的進(jìn)行對比。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)用基體材料為45鋼板，尺寸為100 mm×60 mm×15 mm。熔覆材料為中國金屬冶金研究總院提供的具有核殼結(jié)構(gòu)的鎳包WC粉(殼材料為Ni60合金)和Ni60合金+WC機(jī)械混合粉。熔覆材料中WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為25%，粉體粒徑均為48～106 μm。由于2種熔覆材料中的粉體均為物理混合，因此其化學(xué)成分相同，具體組成見表1。

表1 熔覆材料的組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

將基體材料用砂紙打磨去除表面氧化皮，用無水乙醇和丙酮清洗表面去除油污后晾干；將質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的松香酒精溶液與熔覆材料混合并調(diào)成黏稠狀，均勻涂敷于基體表面，放入烘干箱內(nèi)進(jìn)行80 ℃×4 h的烘干處理?；w表面預(yù)置粉層的厚度在1.5 mm左右。采用Rofin-FL020型光纖激光器，利用正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行激光熔覆試驗(yàn)，工藝參數(shù)為：激光功率1 600 W，光斑直徑5 mm，掃描速度4 mm·s-1，搭接率50%。在試驗(yàn)過程中通入高純度氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)以防止涂層高溫氧化，氮?dú)饬髁繛?5 L·min-1。

1.2 試驗(yàn)方法

沿熔覆涂層試樣的橫截面截取尺寸為10 mm×10 mm×16.5 mm的金相試樣，經(jīng)打磨、拋光，用王水腐蝕后，采用S-3400N型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察截面微觀形貌，并使用附帶的能譜分析儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)成分分析。采用D/Max2500PC型X射線衍射儀(XRD)對涂層的物相進(jìn)行分析，采用銅靶，Ka1射線,波長為0.154 18 nm，管電壓為40 kV，掃描速率為4(°)·min-1。采用FM700型顯微硬度計(jì)，以涂層與基體的結(jié)合界面為原點(diǎn)，分別向基體與涂層每隔0.1 mm進(jìn)行顯微硬度測試，載荷為2 N，保載時(shí)間為15 s。將涂層表面拋光后，用UMT-3型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，選用直徑為9.25 mm，硬度為60～65 HRC的GCr15軸承鋼球作為對磨件，在干摩擦條件下進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動，磨損時(shí)間為20 min，載荷為10 N，頻率為2 Hz，行程為6 mm。采用Mitutoyo SJ-210型表面粗糙度儀對磨痕截面輪廓進(jìn)行測試，計(jì)算磨損體積。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可知，2種熔覆涂層均與基體形成冶金結(jié)合，結(jié)合界面處存在一條明顯的白亮帶，涂層近結(jié)合界面處存在大量平行生長的等軸晶和柱狀晶，組織致密。在熔融金屬凝固初期，結(jié)晶速率相對較小，而涂層和基體結(jié)合處的溫度梯度極大，晶粒在激冷作用下形成平面晶；隨著凝固過程的繼續(xù)進(jìn)行，固/液相界面向涂層內(nèi)部推移，溫度梯度減小，結(jié)晶速率增大，大量晶粒沿溫度梯度方向(即垂直于結(jié)合面方向)生長。2種熔覆涂層中部均由大量初生枝晶和卵狀組織組成。其中，機(jī)械混合粉熔覆涂層中大量枝晶呈明顯的魚骨狀，且枝晶中存在呈無規(guī)則帶狀分布的深色物質(zhì)聚集區(qū)，說明該處發(fā)生了成分偏析。鎳包WC粉熔覆涂層的組織較機(jī)械混合粉熔覆涂層的更為細(xì)小，成分偏析程度更輕。

圖1 不同粉體熔覆涂層的微觀形貌

根據(jù)金屬凝固原理，影響晶粒尺寸的主要因素是晶核長大速率和形核率[10]。激光熔覆過程中液態(tài)金屬的冷卻速率極快，涂層中部的晶核長大速率對晶粒尺寸的影響較弱。因此，造成2種熔覆涂層組織差異的主要原因包括：一方面，鎳包WC粉中鎳基合金的包裹減弱了激光直射而造成的WC顆粒燒損程度，保留下來的WC顆粒在涂層凝固時(shí)起到了異質(zhì)形核的作用，晶核數(shù)量增多，因此涂層組織細(xì)化；另一方面，鎳包WC粉的潤濕性和彌散性高于Ni60合金+WC機(jī)械混合粉的，因此鎳包WC粉熔覆涂層的成分偏析程度較輕，組織分布更加均勻。成分偏析的存在導(dǎo)致Ni60合金+WC機(jī)械混合粉熔覆涂層對裂紋的敏感性提高，在熱應(yīng)力作用下更易萌生微裂紋[11-12]。

由圖2可知：鎳包WC粉熔覆涂層中枝晶間卵狀區(qū)域(A點(diǎn))富含大量的鎳元素和一定量的鉻、鐵、碳等元素，根據(jù)共晶組織形成機(jī)理可知，該區(qū)域?yàn)棣?Ni與鉻、鐵等碳化物組成的亞共晶組織；涂層中深色區(qū)域(B點(diǎn))的鉻元素含量偏高，鎢、碳元素含量也較高，可知該區(qū)域主要由鉻的碳化物和少量WC組成，這是由于在枝晶凝固過程中，鉻的碳化物會先于其他成分析出，在液態(tài)金屬內(nèi)游離聚集，同時(shí)少量WC吸附于其表面，從而形成深色偏析區(qū)；涂層中白色塊狀區(qū)域(C點(diǎn))的鎢元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)91.42%，推斷為WC聚集區(qū)。

圖2 鎳包WC粉熔覆涂層EDS分析位置及不同位置的EDS譜

2.2 物相組成

由圖3可知，2種熔覆涂層的物相組成基本相同，主要由γ-(Ni，F(xiàn)e)固溶體、WC、Cr23C6、Cr7C3、W2C等組成。Cr23C6、Cr7C3、WC、W2C均屬于硬質(zhì)相，可大大提高涂層的硬度和耐磨性能。合金中物相的形成主要受成分和冷卻條件的影響[13-14]，熔覆材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)不影響其成分，故2種熔覆涂層的物相相同。與Ni60合金+WC機(jī)械混合粉熔覆涂層相比，鎳包WC粉熔覆涂層內(nèi)WC的衍射峰較強(qiáng)，半高寬較大。根據(jù)Dedye-Scherrer公式和X射線衍射理論，鎳包WC粉熔覆涂層中WC相的結(jié)構(gòu)完整性較好。

圖3 不同粉體熔覆涂層的XRD譜

2.3 顯微硬度

由圖4可知：2種熔覆涂層的硬度均遠(yuǎn)高于基體的，且結(jié)合界面兩側(cè)硬度曲線陡峭，這說明涂層元素的擴(kuò)散范圍小，稀釋率較低；鎳包WC粉熔覆涂層的平均顯微硬度為933.1 HV，略高于Ni60合金+WC機(jī)械混合粉熔覆涂層的(901.4 HV)，且硬度合金曲線波動較小。在鎳包WC粉熔覆涂層的制備過程中，WC顆?；颈Ａ粝聛恚茸鳛楫愘|(zhì)形核劑細(xì)化了晶粒，又在涂層中實(shí)現(xiàn)了彌散分布，從而產(chǎn)生了細(xì)晶強(qiáng)化與彌散強(qiáng)化效應(yīng)。

圖4 不同粉體熔覆涂層截面顯微硬度分布曲線

2.4 耐磨性能

由圖5可知：Ni60合金+WC機(jī)械混合粉熔覆涂層的摩擦因數(shù)曲線波動較大，平均摩擦因數(shù)為0.45左右；而鎳包WC粉熔覆涂層的摩擦因數(shù)曲線整體變化平穩(wěn)，平均摩擦因數(shù)為0.4左右。結(jié)合圖1分析可知：Ni60合金+WC機(jī)械混合粉熔覆涂層的晶粒粗大，組織分布不均勻，在摩擦磨損試驗(yàn)中的摩擦阻力變化較大，因此摩擦因數(shù)波動明顯；鎳包WC粉熔覆涂層的組織均勻、致密，硬質(zhì)相彌散分布，因此摩擦因數(shù)相對穩(wěn)定。

圖5 不同粉體熔覆涂層的摩擦因數(shù)曲線

基體、Ni60合金+WC機(jī)械混合粉熔覆涂層、鎳包WC粉熔覆涂層的磨損體積分別為49.50×10-3，9.20×10-3，7.52×10-3mm3。與基體相比，2種熔覆涂層均表現(xiàn)出了良好的耐磨性能，且鎳包WC粉熔覆涂層的磨損體積最小，耐磨性能最好。根據(jù)Holm-Archard磨損規(guī)律[15]，材料硬度與磨損量成反比，因此磨損試驗(yàn)結(jié)果與硬度結(jié)果相吻合。

3 結(jié) 論

(1) 鎳包WC粉熔覆涂層和Ni60合金+WC機(jī)械混合粉熔覆涂層均與基體形成冶金結(jié)合；與Ni60合金+WC機(jī)械混合粉熔覆涂層相比，鎳包WC粉熔覆涂層的組織更細(xì)小，成分偏析程度較輕。

(2) 鎳包WC粉熔覆涂層和Ni60合金+WC機(jī)械混合粉熔覆涂層均由γ-(Ni，F(xiàn)e)固溶體、WC、Cr23C6、Cr7C3、W2C等物相組成，且鎳包WC粉熔覆涂層中WC相的結(jié)構(gòu)完整性較好。

(3) 鎳包WC粉熔覆涂層的平均顯微硬度為933.1 HV，略高于Ni60合金+WC機(jī)械混合粉熔覆涂層的(901.4 HV)；鎳包WC粉熔覆涂層的平均摩擦因數(shù)和磨損體積分別為0.4，7.52×10-3mm3，均低于Ni60合金+WC機(jī)械混合粉熔覆涂層的，鎳包WC粉熔覆涂層的耐磨性能優(yōu)于Ni60合金+WC機(jī)械混合粉熔覆涂層的。