TC4鈦合金表面激光熔覆Ni包WC復合涂層研究

王 培，李爭顯，黃春良，王少鵬，葉源盛

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

TC4鈦合金表面激光熔覆Ni包WC復合涂層研究

王 培，李爭顯，黃春良，王少鵬，葉源盛

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

為了提高鈦合金的耐磨性能及使用性能，采用激光熔覆法在TC4鈦合金基體上制備了Ni與WC混合粉末涂層，研究了不同WC添加量對熔覆層的物相組成、顯微組織、硬度及耐磨性能的影響。結果表明，三組不同的熔覆材料經(jīng)過激光熔覆后，都可以使材料表面硬度和耐磨性能較基材大幅度增加。但是隨著WC含量的增加，熔覆層均勻性降低，出現(xiàn)小顆粒的WC團，并且組織開始多樣化，且硬度分布均勻性也有所下降。

鈦合金;激光熔覆;Ni/WC復合涂層;耐磨性

0 引言

鈦及鈦合金具有密度低、比強度高、無磁性、良好的耐蝕性、優(yōu)異的生物相容性、較好的低溫韌性和高溫機械性能等優(yōu)點，在航空航天、石油化工和生物醫(yī)療等領域得到了廣泛應用。然而，鈦合金由于摩擦系數(shù)較高、硬度較低、耐磨性能較差，阻礙了其在某些工況條件下的使用。國內(nèi)對鈦合金的表面改性技術已有大量研究，如采用物理氣相沉積［1］、噴涂［2］、微弧氧化［3］、滲碳［4］等方法在鈦合金表面制備耐磨涂層。激光表面改性技術作為一種無接觸、無污染、高效、靈活的先進表面改性技術，近年來得到了廣泛的研究和應用。利用該項技術對鈦合金進行表面改性處理的工作主要有激光淬火［5］、激光氮化［6］、激光表面合金化以及激光熔覆［7］等。熔覆材料由傳統(tǒng)的鐵基、鎳基和鈷基合金逐漸轉變?yōu)樵谶@些合金的基礎上加入WC、TiC、SiC、TiN等陶瓷粉末，形成金屬－陶瓷復合涂層。

本研究選用WC-12Co/Ni25A復合粉末，首先在基體材料表面預置厚度均勻的涂層，再采用激光熔覆工藝制備出耐磨涂層。主要分析不同WC添加量對熔覆層的物相組成、顯微組織、硬度及耐磨性能的影響，旨在為TC4鈦合金表面激光熔覆Ni包WC復合涂層的工業(yè)化應用提供基礎。

1 實驗

基體材料選用TC4鈦合金，試樣尺寸為20 mm×20 mm×5 mm，表面打磨拋光并用丙酮清洗干凈后備用。涂敷料為Ni25A和WC-12Co的機械混合粉末，成分設計見表1。其中Ni25A粉末的化學成分(質(zhì)量分數(shù))為Si 2.3%、B 1.75%、Fe 1.25%、C 0.1%、Ni為余量。Ni25A粉末的粒徑為45～106 μm，WC-12Co粉末的粒徑小于150 μm。用粘結劑把均勻混合的復合粉末制成膏狀后涂敷在TC4鈦合金表面，預置厚度為1.0 mm左右。采用JHM－1GY－400D型激光焊接機進行激光熔覆。其工藝參數(shù)為:輸出電流80～160 A，脈寬2～12 ms，頻率5～15 Hz，掃描速度150～300 mm/min，搭接率50%左右。激光熔覆時采用氬氣保護。

表1 涂敷料的成分設計(原子分數(shù)/%)Table 1 The composition design of coating material

選用X射線衍射儀進行物相分析;用JSM－6460型掃描電鏡及附帶的能譜儀對激光熔覆層的組織形貌、微區(qū)成分進行分析;用HXD－1000TM型電子顯微硬度計對熔覆層的顯微硬度進行測量;用MS-T3000摩擦磨損試驗儀對熔覆層的摩擦磨損性能進行測試，實驗參數(shù)為轉速 500 r/min、載荷1 000 g、回轉半徑5 mm，摩擦副為Si3N4陶瓷滾珠;用MFT－4000多功能材料表面性能試驗機對磨損軌跡的表面輪廓和磨痕面積進行表征。

2 結果與討論

2.1 熔覆層物相及顯微組織分析

2.1.1 物相分析

圖1為TC4鈦合金表面3組不同涂敷料經(jīng)激光熔覆得到的復合涂層的XRD圖譜。由圖1可以看出，隨著WC含量的增多，衍射峰越來越多，熔覆層中的物相組成越來越復雜。熔覆層除形成不同配比的NiTi相外，還含有WC、TiVC2及Co3C等多種碳化物硬質(zhì)相，這些硬質(zhì)相對熔覆層硬度和耐磨性能的提高起到了重要的作用。其中，第Ⅰ組配方的熔覆層由Ni3Ti、Co3V、Co3C及Al(Ni/Co)組成(圖1a)，第Ⅱ組配方的熔覆層由 WC、Co0.15Ni0.85Ti、TiVC2、NiTi、(Ni/Co)3V、Al(Ni/Co)及 Co3C 組成(圖1b)，第Ⅲ組配方的熔覆層由WC、Co0.15Ni0.85Ti、TiVC2、NiTi、(Ni/Co)3V、Al(Ni/Co)、Co3C 及 Co3W組成(圖1c)。

相對于金屬粉末，WC粉末在熔池溫度過高時容易燒損，其溶解反應方程式如下:

圖1 TC4鈦合金表面3組配方熔覆層的XRD衍射圖譜Fig.1 XRD patterns of cladding layer

由物相分析可知，第Ⅰ組熔覆層中WC基本全部發(fā)生了溶解，并在合金元素含量較高的地方重新析出了新的碳化物，W元素以固溶形式存在于枝晶組織中，含量很低，未檢測出。第Ⅱ組和第Ⅲ組熔覆層中則有WC相，說明存在未完全溶解的WC相或WC顆粒溶解后的重新結晶相。隨著WC含量的增加，多種元素的溶解游離導致重新析出許多新的合金相，當W元素以固溶形式存在于枝晶組織并達到飽和值時，則在熔覆層中生成了Co3W合金相(圖1c)。這說明激光熔覆過程中WC顆粒的部分溶解使熔覆層溶液中W和C含量增加，并形成了許多含W和C的金屬間化合物。

2.1.2 形貌分析

圖2為TC4鈦合金表面第Ⅰ組涂敷料經(jīng)激光熔覆得到的復合涂層的顯微組織。由圖2可以看出，第Ⅰ組成分配比下制備的熔覆層與基材形成良好的冶金結合，組織致密、厚度均勻、無裂紋和氣孔等缺陷，熔覆層主要由初生的樹枝晶Ni3Ti和枝晶間的共晶組織組成，且熔覆層頂部組織比底部組織細小。

圖2 TC4鈦合金表面第Ⅰ組配方激光熔覆復合涂層顯微組織Fig.2 Microstructures of coating in the first group

圖3為TC4鈦合金表面第Ⅱ組涂敷料經(jīng)激光熔覆得到的復合涂層的顯微組織。

圖3 TC4鈦合金表面第Ⅱ組配方激光熔覆復合涂層顯微組織Fig.3 Microstructures of coating in the second group

與圖2對比可以看出，當WC含量增加時，熔覆層均勻性降低，出現(xiàn)小顆粒陶瓷相，并且組織開始多樣化(圖3a)。第Ⅱ組成分配比下制備的熔覆層的組織發(fā)生了明顯轉變，熔覆層底部的擴散層組織更為粗大(圖3b)。熔覆層主要由溶解后重新結晶的復雜共晶相(圖3c)以及白色的陶瓷相顆粒團組成(圖3d)。陶瓷相顆粒團主要是WC相，其生成主要是由于熔覆層上部冷卻速度較快，一部分WC顆粒雖然發(fā)生了潰散，但未及時擴散所導致的。

鈦合金在液相時是極其活潑的金屬，幾乎可以與所有的陶瓷顆粒發(fā)生相互作用，導致陶瓷相的溶解和重新析出，從而使陶瓷相的形態(tài)、種類以及分布發(fā)生很大變化。圖4為TC4鈦合金表面第Ⅲ組配方經(jīng)激光熔覆得到的復合涂層顯微組織。

圖4 TC4鈦合金表面第Ⅲ組配方激光熔覆復合涂層顯微組織Fig.4 Microstructures of coating in the third group

由圖4可以看出，第Ⅲ組成分配比下制備的熔覆層組織有大量未完全溶解破裂的WC小顆粒團(圖4a)。由于WC顆粒分布密集，且冷卻速率極快，導致液態(tài)金屬的對流或擴散過程進行的不充分，使區(qū)域與區(qū)域之間存在較大的成分差異，熔覆層內(nèi)各部位之間的溫度梯度和凝固速率不同，最終形成了具有區(qū)域分布特征的多種形態(tài)的初晶碳化物，如樹枝狀(圖4b)、等軸晶狀(圖4c)、團簇狀(圖4d)等。

2.2 熔覆層性能分析

2.2.1 顯微硬度

TC4鈦合金表面不同WC添加量熔覆層的維氏硬度分布如圖5所示。從表5可以看出，3組配方的熔覆層厚度均約220 μm。在覆層表面到深度100 μm左右其硬度值較高，相對于基體硬度(3 000 MPa左右)提高了2倍以上。整個熔覆層的顯微硬度隨著距外表面距離的增加而逐漸下降。這主要是由于基材金屬對熔覆層的稀釋作用造成的。此外，從硬度分布曲線還可以發(fā)現(xiàn)，隨著WC顆粒添加量的不同，熔覆層的硬度也有不同程度的波動。第Ⅰ組配方熔覆層距外表面距離不超過100 μm區(qū)間，其硬度值在7 500～8 000 MPa。該值隨著WC含量的增加明顯增大，測得與第Ⅲ組配方試樣熔覆層硬度值相差將近4 000～5 000 MPa左右。這主要是由于WC的存在及分布狀況不同，導致熔覆層不同部位析出的硬質(zhì)相及其含量不同所致。

圖5 TC4鈦合金表面不同WC添加量熔覆層的維氏硬度分布Fig.5 Vicker’s hardness distribution of cladding layer with different WC content

2.2.2 磨損試驗

在相同的實驗參數(shù)下，對比基體材料與不同WC添加量的覆層材料的磨損性能，結果見圖6。由圖6可以看出，基材表面在磨損試驗時間為225 min時，就出現(xiàn)了較為明顯的磨損凹槽，而覆層材料在磨損試驗進行了500 min時，與基材相比，只是出現(xiàn)了輕微的磨損痕跡。這表明，覆層材料的耐磨性能優(yōu)于基體TC4鈦合金。

圖6 基體材料與覆層材料表面磨損對比Fig.6 Surface wear of base material and clad material

綜上分析可知，當Ni粉中加入極具抗磨能力的WC顆粒后，多數(shù)WC在激光熔覆過程中會發(fā)生溶解重新析出，以固溶形式存在于枝晶間的組織中，形成共晶組織包圍初生相枝晶組織的連續(xù)網(wǎng)絡狀結構，起到固溶強化的作用。這種網(wǎng)絡狀結構對于提高涂層耐磨性能具有十分積極的作用，枝晶組織會因其周圍的網(wǎng)絡硬質(zhì)相骨架的承載作用而得到增強的效果，同時也會對網(wǎng)絡硬質(zhì)相骨架起到增韌的效果，兩種組織相互依托，相互增強，有利于涂層耐磨性的提高。當WC含量較高時，部分未溶的WC顆粒發(fā)生潰散，在凝固速度較慢、擴散進行充分的情況下，可以使得分解的WC小顆粒均勻彌散分布在網(wǎng)絡狀結構上，起到硬質(zhì)顆粒強化作用。

3 結論

(1)激光熔覆過程中，WC會發(fā)生燒蝕和分解，由于其冷卻速度較快，導致WC發(fā)生分解后的擴散不能得以進行，從而隨著WC含量的增加，在熔覆層組織中會出現(xiàn)大量非均勻存在的WC顆粒潰散團。

(2)TC4鈦合金通過激光表面熔覆Ni與WC混合粉末，其表面硬度可得到明顯提高，且熔覆層硬度由里及表逐漸升高，隨著WC含量的增加，熔覆層的硬度分布均勻性下降。

(3)激光熔覆層中存在硬質(zhì)顆粒強化、固溶強化和細晶強化等多種強化機制。由于多種強化機制的共同作用，顯著地提高了熔覆層的硬度，使熔覆層具有極高的耐磨性能。

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Research of Ni/WC Composite Coatings on TC4 titanium Alloy by Laser Cladding

Wang Pei，Li Zhengxian，Huang Chunliang，Wang Shaopeng，Ye Yuansheng
(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research，Xi’an 710016，China)

In order to improve the wear resistance and usability of titanium alloy，coatings on the surface of TC4 titanium alloy were prepared by the laser cladding method with Ni and WC mixed powder.The effects of different WC addition on the phase composition，microstructure，hardness and wear resistance were studied.The results show that the three different groups of cladding material can all substantial increase the surface hardness and wear resistance after laser cladding.But with the increase of WC content，uniformity of the cladding layer is reduced，small particles of WC appears，and microstructures begin to diversify，and uniformity of the surface hardness is also reduced.

titanium alloy;laser cladding;Ni/WC composite coating;wear resistance

10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2014.03.010

2014－03－17

王培(1984—)，女，工程師。