激光熔覆WC顆粒增強(qiáng)復(fù)合涂層的組織及耐磨性

劉建弟，張述泉，王華明

(北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)工程學(xué)院 大型整體金屬構(gòu)件激光直接制造教育部工程研究中心，北京 100191)

激光熔覆WC顆粒增強(qiáng)復(fù)合涂層的組織及耐磨性

劉建弟，張述泉，王華明

(北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)工程學(xué)院 大型整體金屬構(gòu)件激光直接制造教育部工程研究中心，北京 100191)

為了提高TA15鈦合金的耐磨性，在TA15鈦合金表面利用激光熔覆預(yù)置的大粒度WC顆粒與TA15混合粉末層制備WC顆粒增強(qiáng)耐磨復(fù)合涂層。采用金相顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)分析涂層的顯微組織，采用X射線衍射(XRD)結(jié)合能譜(EDS)對(duì)涂層進(jìn)行物相鑒定，測(cè)試涂層在二體磨料磨損及室溫干滑動(dòng)磨損條件下的耐磨損性能并分析磨損機(jī)理。結(jié)果表明：增強(qiáng)相WC顆粒在涂層中較均勻分布，初生(TiW)C/TiC相和(TiW)C+(Ti, W)共晶組織組成增強(qiáng)相的基體，涂層在二體磨料磨損及干滑動(dòng)磨損條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能，較鈦合金基材耐磨性能提高幾十至上百倍；WC顆粒與基體中韌性的高硬相及優(yōu)異的抗粘著性能對(duì)涂層耐磨性起主導(dǎo)作用。

激光熔覆；顆粒增強(qiáng)；鈦合金；碳化鎢；耐磨性

鈦合金因其獨(dú)有的低密度、高強(qiáng)度、優(yōu)異的耐蝕性和高溫力學(xué)性能廣泛應(yīng)用于航空、航天、海洋、化工等工業(yè)裝備中[1-3]，但因其摩擦因數(shù)大、易粘著、耐磨性低而限制了鈦合金在惡劣磨損環(huán)境中的應(yīng)用。由于磨損失效常起源于材料的表面，所以在不影響基材原有優(yōu)異性能的前提下，利用合適的表面改性手段可以有效改善鈦合金的耐磨性能[4]。

傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)有離子注入、等離子氮化、化學(xué)/物理氣相沉積等方法[5-6]，由于加工制得的涂層薄或與基材結(jié)合力弱等缺點(diǎn)，這些方法難以滿足在高接觸應(yīng)力條件下的使用要求。激光熔覆技術(shù)具有稀釋率低、熔覆層與基材完全物理冶金結(jié)合、變形量小而且涂層厚度可在幾十微米至幾毫米之間變化等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛研究和應(yīng)用。近幾年來，激光熔覆硬質(zhì)增強(qiáng)相復(fù)合材料制備耐磨涂層引起了人們的高度關(guān)注，陶瓷材料具有一般金屬材料難以比擬的耐磨性和耐蝕性，Al2O3、TiC、TiB2、WC等高硬度陶瓷相在涂層中的應(yīng)用，使涂層的耐磨性在很大程度上得到提高，此方面研究國(guó)內(nèi)外已有報(bào)道[7-10]。吳玉萍等[9]利用等離子熔覆Ni60B粉、鈦粉和石墨混合粉原位合成的TiC陶瓷顆粒，大部分呈球狀及少量方塊狀，尺寸為 1～2 μm；KENNEDY 等[10]利用平均粒度為 7 μm TiB2及粒度為5 μm TiC陶瓷顆粒制備了顆粒增強(qiáng)復(fù)合涂層。無論是“原位”生成的硬質(zhì)增強(qiáng)相TiC或TiB2還是外加顆粒強(qiáng)化，增強(qiáng)相都非常細(xì)小，尺度均在納米至十幾微米之間，難以阻止或抵擋粗磨粒條件下的磨損失效。另外，由于高溫鈦合金的高活性，一些通常很穩(wěn)定的硬質(zhì)相，如Al2O3、SiC等在鈦合金溶液中易出現(xiàn)穩(wěn)定性問題[11]。為此，具有高硬度和高溫穩(wěn)定性的大粒度WC顆粒成為理想的鈦合金耐磨涂層增強(qiáng)相，WC不僅和鈦合金的熱膨脹系數(shù)很接近，同時(shí)與基體的潤(rùn)濕性可以通過WC與Ti在高溫下的反應(yīng)來改善[12-13]。

本文作者利用激光熔覆預(yù)置粉末法制備大粒度WC顆粒增強(qiáng)耐磨復(fù)合涂層，對(duì)熔覆層的顯微組織及顆粒在涂層中分布進(jìn)行分析，并測(cè)試顆粒及其周圍組織的顯微硬度變化規(guī)律及在二體磨料磨損和室溫干滑動(dòng)磨損條件下的耐磨損性能，根據(jù)滑動(dòng)磨損的表面及亞表面形貌進(jìn)一步分析涂層的磨損機(jī)理。

圖1 二體磨粒磨損試驗(yàn)和環(huán)塊式干滑動(dòng)磨損試驗(yàn)的原理示意圖Fig. 1 Schematic illustrations of two-body abrasive wear test(a) and block-on-ring dry sliding wear test (b)

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料與設(shè)備

選擇尺寸為 50 mm×40 mm×10 mm 的近 αTi-6.5Al-2Zr-1Mo-1V即TA15鍛造鈦合金作為基材，激光熔覆前基材表面(50 mm×40 mm)利用砂紙去除表面氧化層并用酒精清洗。將鑄造 WC顆粒(粒度范圍150～250 μm)與TA15合金真空等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化球形粉末(粒度范圍50～110 μm)按質(zhì)量比3:1進(jìn)行混合，TA15合金粉末的成分見表1。混合粉末在預(yù)鋪基材前，先機(jī)械攪拌10 min使粉末混合均勻，然后置于100 ℃烘干爐中烘干約4 h去除潮氣。使用有機(jī)粘合劑將混合粉末鋪于基材表面厚度約為1.2 mm。激光熔覆試驗(yàn)在YLS-10000光纖鈦合金零件激光快速成型系統(tǒng)中進(jìn)行，激光熔覆工藝參數(shù)如下：激光功率為6 kW，掃描速率為600 mm/min、激光光斑直徑為6 mm、搭接率為33%。由于鈦合金活性高，鈦合金零件激光熔覆過程中極易發(fā)生氧化，因此，激光熔覆在預(yù)抽真空反充氬氣的保護(hù)腔內(nèi)進(jìn)行，腔內(nèi)氣氛氧含量小于60×10-6。

表1 TA15鈦合金粉末的成分含量Table1 Composition content of TA15 titanium alloy powders(mass fraction, %)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

按常規(guī)方法制備金相試樣，采用Nephot-II金相顯微鏡(OM)、CS3400掃描電鏡(SEM)及配備的能譜儀(EDS)分析熔覆層的顯微組織，采用X射線衍射光譜(XRD)結(jié)合能譜進(jìn)行物相鑒定并使用SISCIASV8.0圖像分析軟件對(duì)WC顆粒的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)試。在載荷5 N、保載時(shí)間10 s的條件下，用HXZ-1000半自動(dòng)維氏硬度計(jì)測(cè)定復(fù)合涂層中自WC顆粒至基體的顯微硬度分布。

二體磨粒磨損在ML-100銷盤式磨損機(jī)(見圖1(a))上進(jìn)行，將360#砂紙粘附于轉(zhuǎn)盤上，將試樣加工為d 6 mm×10 mm，裝于卡具上使涂層與砂紙接觸，滑動(dòng)速度為0.5 m/s，軸向載荷為4.89 N，磨損時(shí)間為2 min。室溫干滑動(dòng)磨損在 MM-200環(huán)塊式干滑動(dòng)磨損機(jī)(磨損原理示意圖如圖1(b)所示)上進(jìn)行，未經(jīng)合金化處理的鈦合金試樣作為標(biāo)準(zhǔn)試樣，選擇淬火-低溫回火處理的45#鋼(洛氏硬度約為53)作為對(duì)磨環(huán)，試驗(yàn)參數(shù)如下：法向載荷分別為49、98和147 N，滑動(dòng)速度為0.88 m/s，滑動(dòng)總行程為 1.58×103m。采用稱重法，用精度為0.1 mg的Sartorius 110S電子天平稱量標(biāo)樣及試樣的磨損量。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光熔覆耐磨復(fù)合涂層相組成及增強(qiáng)相的分布

在 TA15鈦合金表面利用激光熔覆 WC顆粒與TA15混合粉末制備復(fù)合涂層過程中，激光照射區(qū)域鈦合金首先發(fā)生熔化形成熔池，大粒度WC顆粒在鈦合金熔體中發(fā)生部分熔解，碳元素和鎢元素進(jìn)入鈦合金溶液中，激光掃過后顆粒被“捕獲”同熔池一起快速凝固下來形成顆粒增強(qiáng)的復(fù)合涂層。激光熔覆WC顆粒增強(qiáng)耐磨復(fù)合材料涂層的XRD譜如圖2所示。由圖2可見，熔覆層中除β-Ti、α-Ti、WC和W2C的衍射峰之外，還出現(xiàn)TiC、(TiW)C和TiW的衍射峰。

圖2 激光熔覆涂層的XRD譜Fig. 2 XRD pattern of laser cladding coatings

顆粒增強(qiáng)復(fù)合涂層的性能通常由增強(qiáng)相的尺寸、體積分?jǐn)?shù)及增強(qiáng)相與基體界面的鍵合情況所控制。圖3所示為激光熔覆WC顆粒增強(qiáng)耐磨復(fù)合涂層的橫截面(垂直于激光掃描方向)與縱截面(平行于激光掃描方向)中WC顆粒分布的金相照片。從圖3可以看出，不規(guī)則的WC鎢粒度很大，尺寸范圍在100～250 μm之間，顆粒在復(fù)合涂層中分布比較均勻，涂層與基材的結(jié)合處存有少量氣孔但并沒有出現(xiàn)裂紋等缺陷。通過圖片分析軟件測(cè)得涂層中 WC顆粒的體積分?jǐn)?shù)約為39%。圖4所示為涂層與基材結(jié)合處的典型形貌。由圖4可以看出，涂層與基材為無界面物理冶金結(jié)合，并沒有出現(xiàn)顆粒聚集沉底的現(xiàn)象。

圖3 激光熔覆涂層WC顆粒分布的金相照片F(xiàn)ig. 3 OM photographs of transverse section (a) and longitudinal section (b) of laser cladding coatings showing WC particles distribution

圖4 激光熔覆涂層與基材結(jié)合處的金相照片F(xiàn)ig. 4 OM photograph of combination zone of laser cladding coatings and substrate

2.2 激光熔覆耐磨復(fù)合涂層的組織形貌

在激光熔覆及其快速凝固過程中，基材散熱比較快，熔池底部首先凝固，固-液界面逐漸向熔池表面方向推進(jìn)，距離表面越近，WC顆粒與鈦合金熔液相互作用的時(shí)間越長(zhǎng)，進(jìn)入鈦合金熔液的C原子和W原子數(shù)就越多。

圖5所示為激光熔覆WC顆粒增強(qiáng)耐磨復(fù)合涂層顆粒在涂層中的典型形貌。在本研究所選用的激光工藝參數(shù)和預(yù)置粉末成分配比下制得的復(fù)合涂層，WC顆粒被涂層的基體所包圍，在涂層中均勻分布(見圖5(a))。WC顆粒中心到涂層基體的組織形貌逐漸發(fā)生變化(見圖5(d))。

對(duì)圖5(b)中兩相鄰WC顆粒中C、Ti、W元素含量進(jìn)行線掃描，掃描結(jié)果(見圖6)表明，從WC顆粒到基體，W含量呈遞減趨勢(shì)，穿過邊界層后又增多，而相應(yīng)的Ti含量呈現(xiàn)相反的變化，C含量與Ti含量的變化趨勢(shì)一致。WC顆粒在鈦合金熔體中熔解，W元素與C元素向熔池中擴(kuò)散，形成富鎢富碳層，由于Ti與C的強(qiáng)親和力很快結(jié)合形成TiC層而阻斷了W元素?cái)U(kuò)散的途徑，跨過TiC層基體中的W含量漸漸升高。顆粒到基體的漸變成分說明顆粒與基體間不存在潤(rùn)濕性問題而為一種牢固結(jié)合。

根據(jù)WC顆粒增強(qiáng)相之間的涂層基體的組織形貌(見圖5(c))，結(jié)合XRD和EDS的分析結(jié)果，涂層基體由先析出相TiC或樹枝晶((TiW)C為TiC的固溶體)及枝晶間的花瓣?duì)?TiW)C+TiW共晶相組成。

HOFMEISTER等[14]曾用W和TiC的混合粉末為實(shí)驗(yàn)原料激光加工得到了由共晶組織 (W, Ti)+(Ti,W)C包圍初生枝晶(Ti, W)C的組織結(jié)構(gòu)，并指出該組織硬度在1 100～1 300 HV之間。在本研究中涂層頂部組織基體組織與此類似，根據(jù)該組織所特有的硬度值可以預(yù)測(cè)其具有良好的抗粘著磨損性能。

圖5 激光熔覆涂層典型組織的SEM像Fig. 5 SEM images showing typical microstructures of middle zone (a) and top zone (b) in laser cladding coatings and regions between (c) and around (d) particulates

2.3 激光熔覆耐磨復(fù)合涂層的硬度分布及耐磨損性能

激光熔覆耐磨復(fù)合涂層中WC顆粒及其周圍顯微硬度分布曲線如圖7所示。從圖7可以看出，從WC 顆粒到由硬質(zhì)相TiC和(TiW)C及(W, Ti)+(Ti, W)C共晶組織組成的基體，硬度由3 500 HV到900 HV呈現(xiàn)梯度遞減，這與涂層中顆粒周圍組織形態(tài)的變化相對(duì)應(yīng)，基體組織的顯微硬度達(dá)900 HV與鈦合金(約350 HV)相比，涂層基體的硬度得到了明顯提高。

從圖8可以看出，激光熔覆耐磨復(fù)合涂層在二體磨粒磨損和室溫干滑動(dòng)磨損條件下均表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能。與未經(jīng)處理的基材相比，載荷加大對(duì)涂層磨損影響不大。通過掃描電鏡(SEM)結(jié)合能譜(EDS)對(duì)標(biāo)樣和涂層的室溫干滑動(dòng)磨損表面及磨損亞表面形貌及成分進(jìn)行分析[15]，進(jìn)一步研究鈦合金和涂層的磨損機(jī)理。

圖6 激光熔覆涂層中碳、鈦、鎢的線掃描結(jié)果Fig. 6 Line scanning results of carbon (a), titanium(b) and tungsten (c) in laser cladding coatings

圖7 激光熔覆涂層中WC顆粒及周圍顯微硬度分布Fig. 7 Microhardness distribution of WC particle(a) and regions around WC particle(b) in laser cladding coatings

未處理的 TA15基材與涂層的磨損表面形貌及放大圖如圖9所示。從圖9(a)可以看出，鈦合金由于硬度低，摩擦因數(shù)大，表面出現(xiàn)明顯的犁溝現(xiàn)象為典型的顯微切削的磨損特征；而復(fù)合涂層中高硬度WC顆粒和基體起到抵抗顯微切削的作用，磨損表面(見圖9(b)和(c))相對(duì)比較平整，沒有明顯的溝痕，但在涂層表面上有一層粘附層。通過EDS分析，粘附層的主要成分為Fe和O，由此可以推斷，粘附層是在磨損過程中由對(duì)磨環(huán)上的材料轉(zhuǎn)移到涂層表面上的，轉(zhuǎn)移層的存在有利于提高涂層的耐磨性能。放大的磨損照片(見圖9(c))中涂層的組織清晰可見，與在組織分析中所觀察到的形貌相同，沒有發(fā)生變形或出現(xiàn)磨削痕跡。圖10所示為TA15鈦合金基材與耐磨涂層的磨損亞表面形貌。由圖10(a)可見，未經(jīng)處理的鈦合金基材在磨損過程中晶粒沿著磨損方向出現(xiàn)了嚴(yán)重的塑性變形；而耐磨涂層由于WC顆粒與涂層基體牢固地結(jié)合為一體，高接觸應(yīng)力下基體將載荷轉(zhuǎn)移到耐磨硬質(zhì)WC顆粒上而避免了磨損，圖10(b)所示的塑性變形說明高硬度基體有一定的韌性，有效避免了脆性剝落。通過以上分析可知，高硬度WC顆粒及韌性基體相間牢固結(jié)合為提高抗切削抗粘著磨損起到了關(guān)鍵性作用。

圖8 TA15基材及激光熔覆涂層二體磨粒磨損(a)及室溫干滑動(dòng)磨損(b)隨加載載荷的變化Fig. 8 Wear resistance of TA15 substrate and laser cladding coatings for two-body abrasive wear (a) and room temperature dry sliding wear (b) as function of applied test load

圖9 TA15基材與激光熔覆涂層及放大的干滑動(dòng)磨損表面形貌Fig. 9 Worn surface morphologies of Tal5 substrate (a), laser cladding coatings (b) and its enlarged view (c) for dry sliding wear

圖10 TA15基材(a)與激光熔覆涂層(b)的干滑動(dòng)磨損亞表面形貌Fig. 10 Worn subsurface morphologies of TA15 substrate (a) and laser cladding coatings (b) for dry sliding wear

3 結(jié)論

1) 以WC顆粒與TA15鈦合金預(yù)置混合粉末為原料，通過激光熔覆技術(shù)在TA15鈦合金基材表面上制備了WC顆粒增強(qiáng)耐磨復(fù)合涂層，涂層中WC顆粒分布較均勻，未發(fā)生明顯的沉底現(xiàn)象。

2) 由于 WC顆粒向鈦合金熔體熔解呈現(xiàn)組織過渡區(qū)，因此顆粒至周圍硬度亦呈現(xiàn)梯度遞減特征。WC顆粒之間的基體為由初生(TiW)C/TiC 相和(TiW)C+(Ti,W)的共晶組織組成。

3)在二體磨料磨損及干滑動(dòng)磨損條件下，由于涂層基體及高硬質(zhì)大粒度增強(qiáng)相的牢固結(jié)合及其優(yōu)異的抗金屬粘著能力，使涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨損性能。

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Microstructure and wear resistance of laser cladding WC particles reinforced composite coatings

LIU Jian-di, ZHANG Shu-quan, WANG Hua-ming
(Engineering Research Center of Ministry of Education on Laser Direct Manufacturing for Large Metallic Components,School of Materials Science and Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China)

The wear resistant composite coatings reinforced by WC particles were fabricated by laser cladding using blends of WC particles with large size and TA15 powders as the raw materials. Microstructure and worn surface morphologies of the coatings were analyzed and characterized by optical microscopy (OM), scan electron microscopy(SEM) equipped with energy dispersive spectrometer (EDS) and X-ray diffraction (XRD). Wear resistance of the coatings was evaluated under two-body abrasive and dry sliding wear test condition at room temperature. The results show that WC particles have a uniform distribution in the coatings, which consists of the primary phase (TiW)C/TiC and(TiW)C+(Ti,W) eutectic phase as the matrix. Under two-body abrasive and block-on-ring dry sliding wear conditions,compared with titanium alloy substrate, the wear-resistance of coatings has improved dozens to one hundred times. High hardness of WC particles and the tough matrix with excellent anti-adhesion properties play a key role in improving wear resistance of the coatings.

laser cladding; particles reinforcement; titanium; WC; wear resistance

TB333

A

1004-0609(2012)09-2600-08

國(guó)家重美基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010CB606305)

2011-08-29；

2011-11-28

王華明，教授，博士；電話：010-82317102；E-mail: wanghm@buaa.edu.cn

(編輯 何學(xué)鋒)