崔 靜,李洪威,楊廣峰

(1.中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院,天津 300300;2.中國民航大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300300)

1 引 言

AF1410是一種損傷容限超高強(qiáng)度馬氏體鋼,是飛機(jī)起落架的重要鋼材之一,也適用于飛機(jī)上的承力梁、連接件和平尾大軸等結(jié)構(gòu)[1-2],其使用過程中承受嚴(yán)重的摩擦磨損,因此有必要探索改進(jìn)涂層技術(shù)以提升該種鋼材對(duì)應(yīng)關(guān)鍵零件表面的耐磨性能。

激光熔覆技術(shù)生產(chǎn)的涂層具有稀釋率低、熱影響區(qū)窄、晶粒細(xì)小等優(yōu)點(diǎn)[4]。鎳基碳化鎢涂層由于引入高硬度的陶瓷相WC兼具優(yōu)良的耐磨性和耐蝕性,Ma Qunshuang等人[5]采用寬帶激光熔覆技術(shù)制備WC顆粒增強(qiáng)的Ni60復(fù)合涂層,發(fā)現(xiàn)一種由內(nèi)陶瓷顆粒和細(xì)小層狀共晶組成的有芯共晶結(jié)構(gòu)。內(nèi)部陶瓷為W2B5硼化物,層狀共晶為(Cr,W)23C6和γ-(Ni,Fe)的混合物。對(duì)于涂層的力學(xué)性能,由于WC顆粒的高硬度和二次碳化物的生成,復(fù)合涂層的硬度一般高于基材,在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出更低的摩擦系數(shù)和磨損率從而增強(qiáng)涂層的耐磨性。Xingchen Yan等人[6]在PH 13-8 Mo 鋼表面制備了20 %WC含量的NiCrBSi涂層,測得其最低平均磨損系數(shù)為0.28,最低磨損率為3.92±0.72×10-6mm3/(N·m),然而采用激光熔覆在AF1410鋼表面制備鎳基增強(qiáng)涂層的防護(hù)應(yīng)用卻相對(duì)較少。

本實(shí)驗(yàn)選取WC含量為60 %的NiCrBSi粉末,采用激光熔覆技術(shù)在AF1410鋼表面變掃描速度制備鎳基WC涂層,主要討論了該含量WC下涂層內(nèi)顯微組織,硬度及耐磨性,希望對(duì)激光熔覆技術(shù)在AF1410鋼表面強(qiáng)化領(lǐng)域的應(yīng)用提供進(jìn)一步理論支撐。

2 材料及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用半圓形直徑55 mm,厚9 mm的AF1410鋼基材和商用牌號(hào)為52052的NiCrBSi-WC粉末(ASTM B214),粉末的化學(xué)成分見表1。

表1 粉末化學(xué)成分(wt. %)

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

AF1410基體用砂紙打磨,酒精清洗后預(yù)熱至150 ℃開始熔覆;激光制造過程使用連續(xù)模式光纖激光器、六軸工業(yè)機(jī)器人和同軸送粉移動(dòng)式激光熔覆系統(tǒng)(MobilMRO-2)進(jìn)行,加工工藝參數(shù)設(shè)定為:保護(hù)氣體(氮?dú)?流量7/15 L/min,光斑直徑3.5 mm,搭接率40 %。加工完畢后放入保溫箱緩慢冷卻。涂層加工參數(shù)包括激光功率和掃描速度如表2所示。激光熔覆工藝示意圖[4]如圖1(a),所選粉末如圖1(b)所示。

表2 激光加工參數(shù)

2.3 性能測試及組織觀察

試樣橫截面拋光后利用金相刻蝕劑(HNO3∶HCl∶HF=1∶1∶1)蝕刻,使用超聲波清洗機(jī)(CS-602)清洗樣本以避免污染。利用掃描電子顯微鏡(SEM Hitachi S-3400N)及配套能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)觀察微觀結(jié)構(gòu)并檢測元素種類及含量。使用顯微硬度儀(HVS-1000)沿涂層橫截面從頂部向下至基體間隔150 μm打點(diǎn)測量顯微硬度,載荷0.1 gf,重復(fù)測量三次取平均值。對(duì)摩擦學(xué)測試所用試件打磨至拋光,以Si3N4(1400HV)作為對(duì)磨球,在用酒精清洗冷風(fēng)吹干后使用MPX-3G銷盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分別依次測試AF1410鋼基材、經(jīng)激光加工涂層試件的摩擦系數(shù)曲線。測試參數(shù):載荷50 N,摩擦半徑1.5 mm,轉(zhuǎn)速600 r/min,測試時(shí)間60 min,環(huán)境溫度8～16 ℃。測試完畢后采用配套探針式磨痕測量儀測量對(duì)應(yīng)磨損體積。

3 分析與討論

3.1 XRD物相分析

圖2為熔覆層組織的X射線衍射圖,可知熔覆層主要的物相為WC、W2C(亞穩(wěn)態(tài)相)等碳化物及γ-(Ni,Fe)固溶體,此外還有少量M23C6和M3C7碳化物。普通激光熔覆的熔池中的典型溫度約為1800～2300 ℃,熔池內(nèi)硬質(zhì)相的溶解與析出反應(yīng)式如(1)～(6)。熱力學(xué)條件下的吉布斯自由能判據(jù)表明[7],WC的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變化在2000 K時(shí)約為-33 kJ/mol,原位生成W2C的傾向大于生成WC。吉布斯自由能變化為負(fù),表明反應(yīng)是自發(fā)的,理論上可能出現(xiàn)WC與W2C共存的狀態(tài),這與檢測結(jié)果相符。各參數(shù)下衍射峰形態(tài)高度相似,可見掃描速度不影響生成物相。由W-C二元相圖可知,W和C在Ni溶液中溶解度有限[8],當(dāng)溫度從2300 ℃開始下降,一定含量的W和C首先會(huì)從Ni溶液中析出,從而原位生成亞穩(wěn)態(tài)βW2C/αWC。

圖2 涂層XRD衍射圖譜

2WC→W2C+C

(1)

W2C→2W+C

(2)

W+C→WC

(3)

2W+C→W2C

(4)

23M+6C→M23C6(M=Fe,Ni)

(5)

7M+3C→M7C3(M=Fe,Cr)

(6)

3.2 顯微組織

各試件顯微組織形態(tài)相似,以2#涂層為例,圖3給出了該涂層典型顯微組織照片,涂層底部主要為魚骨狀共晶組織和內(nèi)部含暗黑色顆粒的蜂窩狀組織。向上觀察如圖3(c),涂層的基本微觀組織以樹枝晶與暗黑色顆粒為主,枝晶區(qū)占據(jù)整個(gè)涂層的大部分,主要組成為密集的胞狀或等軸樹枝晶。在涂層的表面枝晶形態(tài)變?yōu)闂l狀矩形(圖3(c)并在WC顆粒周圍沿邊緣呈放射狀外延生長。

圖3 2#試件涂層橫截面各個(gè)部位顯微組織

3.3 EDS元素檢測

涂層中部等軸/胞狀枝晶區(qū)某位置局部點(diǎn)掃元素檢測結(jié)果如圖4?？芍c(diǎn)1幾乎全部由C元素組成,點(diǎn)3和點(diǎn)4含量最多的元素均為W,C,雖然在電子顯微鏡下呈現(xiàn)出兩種不同的物相(塊狀和枝晶狀),但它們的各元素組成和占比十分相似。點(diǎn)2和點(diǎn)5分別對(duì)應(yīng)類似暗黑色顆粒狀和蜂窩壁狀的兩種物相,它們所含的主要元素均為Ni,Fe,C,點(diǎn)2暗黑色顆粒狀物相比點(diǎn)5Ni元素更多而C元素更少。Cr元素主要存在于塊狀碳化物,枝晶和蜂窩壁狀物相中(點(diǎn)3,點(diǎn)4,點(diǎn)5),其中Cr元素在塊狀碳化物中的含量最高,已經(jīng)接近合金的名義成分。

結(jié)合XRD分析結(jié)果可知,涂層主要的物相為二次生成的W2C枝晶、WC矩形條狀枝晶,γ-(Ni,Fe)固溶體顆粒及各種具有不規(guī)則形態(tài)的M23C6、M7C3型碳化物。WC的在高溫下產(chǎn)生熱損傷,其邊界遭到侵蝕,靠外的部分溶解為游離的W和C原子,然后隨濃度梯度不同析出碳化物枝晶。Ni,Fe的原子半徑接近有較好的冶金相容性,在凝固的過程中優(yōu)先形成以Ni元素為主體的γ-(Ni,Fe)奧氏體并不斷從熔融狀態(tài)的熔池中吸收Ni原子長大,并呈暗黑色顆粒狀形態(tài)。剩余的Ni,Fe,Cr和部分C原子則沿形成的γ-(Ni,Fe)晶粒邊析出M23C6、M7C3。

根據(jù)經(jīng)典的快速凝固理論[9],涂層的微觀特征主要由溫度梯度與凝固速率的比值G/R決定。涂層-基底交界處G/R較大,形成平面晶冶金結(jié)合帶,向上溫度梯度逐漸減少,凝固速率逐漸加快,G/R值減小,涂層內(nèi)組織呈樹枝晶生長。考慮到空氣的導(dǎo)熱系數(shù)低于金屬基底,在涂層頂部略靠下的位置生成的含W碳化物顆粒尖端有足夠時(shí)間形核長大成具有大寬高比的矩形條狀枝晶。沿涂層頂部向下,熔池中隨溫度梯度逐漸減小,由于更快的冷卻速度導(dǎo)致的成分過冷,更多形成了尺寸較小的樹枝晶/胞狀樹枝晶。

由于殘余WC顆粒的熱傳導(dǎo)能力遠(yuǎn)高于NiCrBSi,殘余WC顆粒為非均勻異質(zhì)形核提供了形核點(diǎn),W原子和C原子依附WC顆粒周圍更容易形核從而沿半徑方向向外輻射狀析出,使得WC顆粒呈鋸齒狀或花瓣?duì)?。WC屬于不等軸晶系,在液相凝固過程中WC的通過溶解-析出機(jī)理長大時(shí)具有方向性,因此凝固后WC顆粒尺寸較大且呈現(xiàn)矩形狀的棱角[10]。

3.4 硬 度

沿涂層深度方向平均硬度分布情況如圖5所示(避開WC顆粒),可知顯然涂層硬度高于基體,與基體相比,涂層的硬度平均提高了約46 %,其硬度強(qiáng)化機(jī)制主要包括首先析出的含W碳化物如WC/W2C/WC0.85等誘導(dǎo)的晶粒細(xì)化,以及溶解的W、Cr等大原子固溶在γ-(Ni,Fe)引起晶格畸變產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化;晶界析出的M23C6、M7C3等硬質(zhì)相碳化物也對(duì)硬度的提升做出了貢獻(xiàn)[11]。涂層表面硬度較高,過度區(qū)靠近基底處硬度開始快速下降,這很可能與AF1410鋼中的Fe元素混入從而降低了含W碳化物的比例有關(guān),在低掃描速度的情況下(1#和2#),硬度下降區(qū)間較窄,而3#和4#件硬度在距離基底250μm左右就開始下降,這意味著高掃描速度Fe稀釋的程度較大,不利于涂層整體硬度的提升。

圖5 橫截面硬度分布

3.5 摩擦學(xué)性能

圖6(a)給出了摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的宏觀示意圖,圖6(c)為測試的摩擦系數(shù)結(jié)果。摩擦系數(shù)是表征材料耐磨性能的關(guān)鍵特征之一,主要和材料表面粗糙度有關(guān)[12]?？v觀摩擦系數(shù)曲線,基體在1500轉(zhuǎn)以后進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段,而涂層的摩擦系數(shù)曲線的“振幅”遠(yuǎn)大于基體,并且總體上來看仍然不斷的起伏,這是涂層表面殘余WC顆粒的分布不均導(dǎo)致的。對(duì)磨球旋轉(zhuǎn)一周,凸出的WC顆粒與對(duì)磨球激烈的碰撞導(dǎo)致接觸面的摩擦系數(shù)較大,離開WC顆粒后摩擦系數(shù)瞬間減小。如圖6(b)當(dāng)破碎的WC顆粒和硬質(zhì)相磨屑粘連到磨痕上發(fā)生加工硬化后,摩擦系數(shù)波動(dòng)減小,直至硬質(zhì)層和WC顆粒脆化脫落,新的WC顆粒暴漏出來,進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)周期。盡管每一個(gè)階段持續(xù)時(shí)間不同,NiCrBSi-WC涂層的摩擦系數(shù)曲線整體均呈波動(dòng)較大—較平穩(wěn)—波動(dòng)較大的階段周期循環(huán)(圖6(c))。

圖6 摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

磨損率的計(jì)算公式如式(7)[13],圖6(d)給出了基體和各涂層平均摩擦系數(shù)和磨損率?？芍?在當(dāng)前激光器參數(shù)下,涂層的平均摩擦系數(shù)處于在0.45～0.5之間且小于基體,高于Xingchen Yan等人制備20 %WC含量NiCrBSi涂層的最低平均摩擦系數(shù)。隨掃描速度改變平均摩擦系數(shù)略微增加,磨損率先增大后減小。NiCrBSi-WC涂層的耐磨性相對(duì)于AF410鋼基體得到了極大增強(qiáng),每個(gè)涂層的磨損率平均較基體減少30倍,達(dá)到2.02×10-7mm3/(N·m),功率2800 W,10 mm/s參數(shù)下涂層的平均磨損率較基體減少近60倍達(dá)到8.78×10-8的量級(jí),約為20 %WC含量NiCrBSi涂層最低磨損率的44倍。

(7)

式中,V為平均磨損體積(mm3);N為施加載荷(N);L為磨痕長度。

4 結(jié) 論

本文在AF1410鋼表面激光熔覆WC含量60 %NiCrBSi涂層,分析其顯微組織,硬度和耐磨性。得到以下結(jié)論:

(1)鎳基涂層物相主要以呈現(xiàn)為樹枝晶形態(tài)的WC、W2C、WC0.85等含鎢碳化物以及在樹枝晶間隙呈現(xiàn)為暗黑色顆粒的γ-(Ni,Fe)為主,夾雜有少量M23C6、M7C3。

(2)涂層的硬度和耐磨性得到了極大增強(qiáng),摩擦系數(shù)有所降低,最優(yōu)平均磨損率相對(duì)基體減少了近60倍達(dá)到8.78×10-8mm3/(N·m)。