高功率半導(dǎo)體激光寬帶熔覆WC-NiSiB耐磨涂層的組織結(jié)構(gòu)與性能

雷劍波，顧振杰，牛 偉，王云山

?

高功率半導(dǎo)體激光寬帶熔覆WC-NiSiB耐磨涂層的組織結(jié)構(gòu)與性能

雷劍波，顧振杰，牛 偉，王云山

(天津工業(yè)大學(xué)激光技術(shù)研究所，天津 300387)

采用3 kW高功率半導(dǎo)體激光器，在45鋼基體上制備不同WC含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%~80%)的WC-NiSiB復(fù)合涂層，用掃描電鏡(SEM)、能譜儀(EDS)及X射線衍射(XRD)對(duì)熔覆層的微觀組織、成分分布及物相進(jìn)行表征，并測(cè)試涂層試樣的硬度與耐磨性能。結(jié)果表明，激光熔覆WC-NiSiB復(fù)合涂層組織主要由γ-Ni、WC、W2C、WB、W2B、Ni4B3及Ni4W等物相組成，熔覆層與基體形成冶金結(jié)合。涂層與基體的結(jié)合區(qū)，從熔合線開(kāi)始逐漸向上的組織依次為垂直于界面的胞狀晶、柱狀晶和枝狀晶，熔覆層中部為沿一定方向生長(zhǎng)的樹(shù)枝晶，表層為異向生長(zhǎng)的細(xì)小樹(shù)枝晶。隨WC顆粒含量增加，涂層中WC顆粒分布更加密集。WC含量為60%時(shí)，WC顆粒分布均勻致密，熔覆層無(wú)裂紋，熔覆層的硬度最高達(dá)到1291 HV，為NiSiB合金層硬度的2.7倍，耐磨性是NiSiB合金層的6.8倍。

激光技術(shù)；激光熔覆；碳化鎢；WC-NiSiB復(fù)合層；顯微組織

金屬增材制造包括激光熔覆立體成型、直接金屬沉積、電子束熔融和電子束自由成形制造[1]。作為金屬增材制造技術(shù)領(lǐng)域獨(dú)具特色的技術(shù)之一，激光熔覆技術(shù)能顯著改善基材表面耐磨、耐蝕等性能[2?4]，提高零件使用壽命。

Ni基粉末具有良好的潤(rùn)濕性、耐腐蝕性及高溫自潤(rùn)滑作用，而WC材料具有高熔點(diǎn)、高硬度及高穩(wěn)定性，因此關(guān)于WC-Ni基復(fù)合涂層的制備工藝、物理性能、力學(xué)性能等已有大量研究[5?10]。楊膠溪等[11]采用1.5 kW半導(dǎo)體激光器，在304不銹鋼表面制備WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)60%的WC-Ni超硬復(fù)合材料，熔覆過(guò)程中涂層極易出現(xiàn)裂紋和因WC分解而產(chǎn)生的氣孔；吳萍等[12]利用CO2激光器，采用不同的工藝參數(shù)在A3鋼表面制備Ni/WC復(fù)合涂層，基體與陶瓷硬質(zhì)相間存在明顯的界面和較大的性能差異，易出現(xiàn)陶瓷顆粒脫落、應(yīng)力集中及裂紋等；徐建國(guó)等[13]采用3 kW CO2激光器，在45鋼表面制備的WC/Ni合金涂層，隨WC顆粒含量增加，熔覆層裂紋敏感性增加。

隨著半導(dǎo)體激光功率及光束質(zhì)量的提高，采用高功率半導(dǎo)體激光器進(jìn)行激光熔覆已得到初步應(yīng) 用[14?16]。45鋼作為性價(jià)比最高的中碳鋼之一，廣泛應(yīng)用于軸承、模具等行業(yè)，本文作者采用3 kW半導(dǎo)體激光器，在45鋼材料表面激光熔覆制備WC-NiSiB寬帶復(fù)合涂層，研究不同WC含量的WC-NiSiB熔覆層的組織、成分、硬度及耐磨性，對(duì)于提高45鋼的性能及延長(zhǎng)其使用壽命具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

基體材料為45鋼，尺寸為100 mm×60 mm×10 mm。熔覆材料選用WC/NiSiB合金混合粉末，其中WC粉末粒度為30～50 μm，NiSiB合金粉末粒度為45～125 μm。NiSiB合金粉末的成分列于表1。

表1 NiSiB合金粉末成分

1.2 涂層制備

將NiSiB合金粉末與WC粉末混合均勻后，直接鋪粉在45鋼表面，預(yù)置層厚度為3 mm，采用德國(guó)生產(chǎn)的DILAS 3 kW高功率半導(dǎo)體激光器制備WC含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為20%、40%、60%和80%的WC-NiSiB復(fù)合涂層，焦點(diǎn)處光斑尺寸為12 mm×2 mm，焦距300 mm，掃描速度為3 mm/s。采用同樣方法在45鋼表面制備NiSiB熔覆層，作為對(duì)比試樣。

1.3 性能檢測(cè)

將涂層試樣用DK77型電火花數(shù)控切割成尺寸為10 mm×10 mm×20 mm的試塊，研磨、拋光后，用王水((HCL):(HNO3)=3:1)進(jìn)行腐蝕，再用酒精沖洗干凈，風(fēng)機(jī)吹干，然后用GX51型金相顯微鏡、NANOSEM 430型掃描電鏡及D/MAX-2500型X衍射儀對(duì)熔覆層的金相組織、顯微組織、成分及物相進(jìn)行觀察與分析。用DHV-1000型維氏數(shù)顯顯微硬度計(jì)對(duì)熔覆層硬度進(jìn)行測(cè)試，在涂層的橫截面上，測(cè)試從基體垂直向上到涂層表層間不同位置的硬度，同一水平線上取3點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，取平均值。加載時(shí)間15 s，載荷4.9 N。

將熔覆層試樣切割成尺寸為12.3 mm× 12.3 mm×19mm的塊狀樣品，用丙酮清洗掉表面的金屬屑和油污后，分別用精確度為萬(wàn)分之一克的電子天平稱量3次，取平均值作為試樣的初始質(zhì)量。在MRH-200型高速環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件為：載荷600 N，轉(zhuǎn)速300 r/min，干摩擦，試驗(yàn)時(shí)間為15 min。試驗(yàn)結(jié)束后取下試樣，丙酮清洗后用電子天平稱量3次，取平均值作為磨損后的質(zhì)量。初始質(zhì)量與磨損后的質(zhì)量差即為試樣的質(zhì)量磨損量。并用GX51型金相顯微鏡對(duì)磨損面形貌進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

圖1所示為WC顆粒含量(WC)分別為20%、40%、60%和80%的WC-NiSiB熔覆層宏觀形貌。一般激光熔覆層寬度為1~5 mm，而從圖中看出熔覆道寬度達(dá)15 mm，為傳統(tǒng)熔覆道的5倍以上。(WC)為20%及40%的熔覆層表面連續(xù)，成形良好；(WC)為60%時(shí)熔覆層出現(xiàn)部分波浪形痕跡，熔覆道邊緣存在少許不完全融化的顆粒；(WC)增加至80%時(shí)，熔覆層變薄，熔覆道邊緣出現(xiàn)大量不完全融化的顆粒。

圖1 WC-NiSiB激光熔覆層的表面宏觀形貌

2.2 顯微組織

圖2所示為WC-NiSiB激光熔覆層的金相組織。在高能量密度激光束作用下，WC顆粒在熔池內(nèi)充分流動(dòng)，形成分布較好的熔覆層；基體與熔覆層結(jié)合處形成一條白亮帶，無(wú)氣孔、間隙及夾渣等現(xiàn)象，說(shuō)明基體與熔覆層間形成良好的冶金結(jié)合；從圖(c)可見(jiàn)，當(dāng)(WC)為60%時(shí)，WC顆粒均勻地分布在熔覆層內(nèi)，無(wú)沉降和氣孔，獲得較理想的高WC含量的WC-NiSiB合金熔覆層；(WC)為80%時(shí)，大量WC顆粒聚集在一起，形成部分區(qū)域性的WC顆粒聚集。

圖3所示為(WC)為20%的WC-NiSiB熔覆層截面形貌，圖3(a)、(b)和(c)分別為熔覆層底部靠近基體處組織、熔覆層中部組織和熔覆層表層組織。從圖中可看出，熔覆層組織致密，晶粒細(xì)小，與基體結(jié)合牢固，具備典型的快速凝固組織特征。

靠近基體附近的涂層組織表現(xiàn)為垂直于界面生長(zhǎng)的胞狀結(jié)構(gòu)，在界面結(jié)合處有一明顯白亮帶，從熔合線開(kāi)始逐漸向上的初晶相依次為平面晶生長(zhǎng)、柱狀晶生長(zhǎng)和樹(shù)枝狀晶生長(zhǎng)；熔覆層中部為樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)，晶粒生長(zhǎng)具有一定方向性；熔覆層的最上層為枝晶結(jié)構(gòu)，生長(zhǎng)無(wú)方向性，這是因?yàn)槿鄹矊禹敳繉儆谌鄢刈詈竽虆^(qū)域，散熱渠道多，既可以通過(guò)已凝固的熔覆層，又可通過(guò)表面與外界進(jìn)行熱交換，溫度梯度/結(jié)晶速率趨于零，此時(shí)結(jié)晶速度最大，故涂層表層組織為異向生長(zhǎng)的細(xì)小樹(shù)枝晶。熔覆層中部區(qū)域主要依靠基體散熱，所以其組織呈現(xiàn)為一定方向性生長(zhǎng)的較粗樹(shù)枝晶?？拷w的區(qū)域，由于基體的激冷作用，使得熔池底部與基體結(jié)合處溫度梯度較大，結(jié)晶速率較小，此時(shí)垂直于界面方向散熱最快，因此熔覆層底部組織表現(xiàn)為垂直于界面生長(zhǎng)的胞狀晶，然后由柱狀晶過(guò)渡到枝晶。

2.3 相組成

圖4所示為WC-NiSiB熔覆層的XRD譜。由圖可知，不同WC含量的WC-NiSiB熔覆層的物相組成基本相同，主要由γ-Ni固溶體，碳化物硬質(zhì)相WC、W2C、以及金屬間化合物Ni4B3、Ni4W等組成。WC顆粒對(duì)激光的吸收系數(shù)較高，在高能激光束的作用下，WC一部分原位自生成W2C，析出的C、W元素與B、Ni元素生成Ni4W、W2B、Ni4B3等多種硬質(zhì)相；(WC)為80%時(shí)，WC發(fā)生嚴(yán)重溶解燒蝕，其含量減少，且基體熔化嚴(yán)重，熔覆層稀釋率增加，大量Fe擴(kuò)散進(jìn)入熔池，與C、W元素生成FeW3C新相。

圖2 不同WC含量的WC-NiSiB熔覆層金相組織

圖3 20%WC-NiSiB熔覆層截面不同部位的顯微組織

圖4 不同WC含量的WC-NiSiB熔覆層X(jué)RD譜

2.4 表面形貌

圖5所示為WC-NiSiB熔覆層的表面SEM形貌，圖中A、B、C、D、E等組織的EDS分析結(jié)果列于表2。由圖5可見(jiàn)，隨WC含量增加，熔覆層中WC顆粒分布更密集；(WC)為20%的熔覆層中WC顆粒尺寸為30～50 μm；(WC)為60%的熔覆層中WC顆粒尺寸為15～30 μm，這是因?yàn)閃C顆粒對(duì)激光吸收系數(shù)較金屬合金高得多，隨WC含量增加，激光熔覆相同厚度WC-NiSiB熔覆層所需最小比能量減少，相同工藝參數(shù)下熔覆層溫度升高[17-18]，使得熔覆層內(nèi)WC顆粒發(fā)生溶解而細(xì)化。

(WC)為20%的熔覆層中，WC顆粒均勻分布，顆粒周圍分布著暗灰色樹(shù)枝晶，樹(shù)枝晶間存在白亮色共晶組織。結(jié)合表2所列分析結(jié)果與圖4可以推斷，暗灰色樹(shù)枝晶組織A為γ-Ni固溶體，Ni元素較富集；樹(shù)枝晶間的共晶組織B除了富含F(xiàn)e、Ni元素外，還含有較多的B、W、Si等元素，這是因?yàn)锽、W等元素易從固溶體中析出，與Ni元素形成Ni4W、Ni4B3等新的化合物偏聚于樹(shù)枝晶間。

(WC)為40%和60%的熔覆層中WC顆粒分布密集，尺寸減小，結(jié)合表2中WC顆粒本體(圖5(b)中的C組織)與WC顆粒邊緣的D組織的EDS分析結(jié)果以及圖4可知，WC與周圍NiSiB合金之間產(chǎn)生了原子擴(kuò)散，生成W2C及W2B等硬質(zhì)相，使WC顆粒與Ni基合金基體間結(jié)合更加牢固。

(WC)為80%的熔覆層中含有等軸狀、柱狀及交互結(jié)晶狀等多種形態(tài)的初晶狀組織。由于WC含量高，在高能激光束作用下WC顆粒發(fā)生較明顯的溶解現(xiàn)象，與周圍NiSiB中的合金元素結(jié)合，重新凝固成新的柱狀碳化物；未溶解的WC顆粒為碳化物的異質(zhì)形核提供生長(zhǎng)基底，從而形成交互結(jié)晶狀碳化物。對(duì)圖5(d)中的等軸晶E進(jìn)行EDS分析，結(jié)果表明該組織除富含F(xiàn)e、Ni、W元素，還含有C、B 元素，結(jié)合圖4可知，該組織由γ-Ni固溶體和W2C、W2B及FeW3C等組成。

圖5 不同WC含量的WC-NiSiB熔覆層顯微組織(SEM)

表2 WC-NiSiB熔覆層的EDS分析結(jié)果

2.5 顯微硬度分布

圖6所示為WC-NiSiB熔覆層的硬度分布。從圖中可以看出，隨WC含量增加，由于熔覆層內(nèi)WC顆粒分布更加密集，顯微硬度明顯提高。但WC含量為80%的熔覆層硬度反而比60%WC的熔覆層，略有下降，可能是因?yàn)閃C含量太高，重新析出相的成分及含量有所變化，從而影響熔覆層整體硬度。NiSiB熔覆層(未添加WC)的平均硬度為480 HV，是45鋼基體硬度(320 HV)的1.5倍；WC含量為60%的熔覆層硬度達(dá)到1 291 HV，為基體硬度的4倍，是NiSiB熔覆層硬度的2.7倍。由于WC-NiSiB復(fù)合涂層中析出大量的碳化物硬質(zhì)相及金屬間化合物，彌散分布于熔覆層內(nèi)，使涂層的顯微硬度顯著提高。熔覆層結(jié)合區(qū)附近的硬度低于熔覆層中、上部位的硬度，這是由于基體金屬對(duì)熔覆層的稀釋造成的。

圖6 激光熔覆層的硬度分布

2.6 耐磨性能

圖7所示為激光熔覆試樣的磨損量。從圖可看出，NiSiB熔覆層的磨損量為6.2 mg，WC顆粒的添加極大地提高了熔覆層的耐磨性能。隨WC添加量增加，磨損量減小，即耐磨性能提高；(WC)為60%時(shí)涂層的耐磨性能最好，質(zhì)量磨損量為0.9 mg，其耐磨性能是NiSiB合金熔覆層的6.8倍。(WC)為80%時(shí)，熔覆層的耐磨性能略有下降。

圖7 WC-NiSiB熔覆層的質(zhì)量磨損量

圖8 (a)、(b)所示分別為NiSiB熔覆層和20%WC- NiSiB合金熔覆層的磨損表面形貌，由圖可見(jiàn)，NiSiB合金熔覆層磨痕較細(xì)密且數(shù)量較多，表面磨損較一致；添加WC顆粒后，磨損量明顯減小，表面存在WC等硬質(zhì)顆粒，這是因?yàn)榧尤隬C后，包裹在WC等硬質(zhì)顆粒表面的NiSiB合金被大量磨削，使得硬質(zhì)顆粒WC等裸露出來(lái)，對(duì)之后的摩損起緩解作用，從而增強(qiáng)熔覆層的耐磨性。

圖8 熔覆層磨損形貌

3 結(jié)論

1) 采用高功率半導(dǎo)體激光熔覆技術(shù)在45鋼表面制備熔覆層，WC-NiSiB熔覆層與基體形成冶金結(jié)合，無(wú)明顯氣孔、裂紋及夾渣等缺陷，熔覆層組織主要由γ-Ni固溶體WC、W2C、WB、W2B、Ni4B3、Ni4W及FeW3C等組成。

2) 隨WC含量增加，熔覆層中WC顆粒分布更加密集，WC含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為80%時(shí)，初晶WC形態(tài)包括柱狀、等軸晶狀及交互結(jié)晶狀等。結(jié)合區(qū)組織表現(xiàn)為底部垂直于界面的胞狀晶，然后再柱狀晶過(guò)渡到枝狀晶；中部為一定方向生長(zhǎng)的枝晶，上部為異向生長(zhǎng)的細(xì)小樹(shù)枝晶。

3)(WC)為60%時(shí)熔覆層硬度最高，為1 291 HV，是NiSiB合金熔覆層硬度的2.7倍，耐磨性是NiSiB合金熔覆層的6.8倍。

REFERENCES

[1] 李滌塵, 賀健康, 田小永, 等. 增材制造: 實(shí)現(xiàn)宏微結(jié)構(gòu)一體化制造[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2013, 49(6): 129?135. LI Di-chen, HE Jian-kang, TIAIN Xiao-yong et al. Additive manufacturing: Integrated fabrication of macro/microstructures [J]. Journal of Mechanical Engineering, 2013, 49(6): 129?135.

[2] 周野飛, 高士友, 王京京. 激光熔覆高碳鐵基合金組織性能研究[J]. 中國(guó)激光, 2013, 40(12): 46?50. ZHOU Ye-fei, GAO Shi-you, WANG Jing-jing. Microstructure- property of laser cladding high carbon Fe-based alloy [J]. Chinese Journal of Lasers, 2013, 40(12): 46?50.

[3] 潘 滸, 趙劍峰, 劉云雷, 等. 激光熔覆修復(fù)鎳基高溫合金稀釋率的可控性研究[J]. 中國(guó)激光, 2013, 40(4): 109?115. PAN Hu, ZHAO Jian-feng, LIU Yun-lei, et al. Controllability research on dilution ratio of nickel-based superalloy by laser cladding reparation [J]. Chinese Journal of Lasers, 2013, 40(4): 109?115.

[4] SUBRATA M, PAUL C P, KUKREJA L M, et al. Application of taguchi-based gray relational analysis for evaluating the optimal laser cladding parameters for AISI1040 steel plane surface [J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013, 66(1/4): 91?96.

[5] 溫慶豐, 劉 瑩, 黃偉峰, 等. 機(jī)械密封端面材料WC-Ni硬質(zhì)合金的研究進(jìn)展[J]. 粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2011, 16(1): 1?6. WEN Qing-feng, LIU Ying, HUANG Wei-feng, et al. Development of research on WC-Ni cemented carbides of mechanical seal face materials [J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2011, 16(1): 1?6

[6] PAUL C P, MISHRA S K, TIWARI P, et al. Solid-particle erosion behaviour of WC/Ni composite clad layers with different contents of WC particles [J]. Optics and Laser Technology, 2013, 50: 155?162.

[7] 龍堅(jiān)戰(zhàn), 徐 濤, 彭 文, 等. 粉末冶金法制備WC-Ni-3Al復(fù)合材料的組織與性能[J]. 粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2012, 17(1): 63?68. LONG Jian-zhan, XU Tao, PENG Wen, et al. Microstructure and properties of WC-Ni3Al composities prepared by powder metallurgy [J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2012, 17(1): 63?68.

[8] 樊增彬. WC/Ni基合金激光熔覆工藝及熔覆層特性研究[D]. 青島: 山東大學(xué), 2012: 35?52. FAN Zeng-bin. The characteristic research of WC/Ni base alloy laser cladding technology and cladding layer [D]. Qingdao: Shandong University, 2012: 35?52.

[9] HUANG S W, SAMANDI M, BRANDT M. Abrasive wear performance and microstructure of laser clad WC/Ni layers [J]. Wear, 2004, 256(11/12): 1095?1105.

[10] ACKER K V, VANHOYWEGHEN D, PERSOONS R, et al. Influence of tungsten carbide particle size and distribution on the wear resistance of laser clad WC/Ni coatings [J]. Wear, 2005, 258(1/4): 194?202.

[11] 楊膠溪, 王智勇, 左鐵釧. 高功率半導(dǎo)體激光熔覆絮狀WC- Ni基超硬復(fù)合材料[J]. 中國(guó)激光, 2009, 36(12): 3262?3266. YANG Jiao-xi, WANG Zhi-yong, ZUO Tie-chuan. High power diode laser cladding aggregate tungsten carbrid-Ni based superhard composites [J]. Chinese Journal of Lasers, 2009, 36(12): 3262?3266.

[12] 吳 萍, 姜恩永, 周昌熾, 等. 激光熔覆Ni/WC復(fù)合涂層的組織和性能[J]. 中國(guó)激光, 2003, 30(4): 357?360. WU Ping, JIANG En-yong, ZHOU Chang-chi, et al. Microstructure and properties of Ni/WC composite prepared by laser cladding [J]. Chinese Journal of Lasers, 2003, 30(4): 357?360.

[13] 徐國(guó)建, 黃 雪, 傅新皓, 等. Ni基合金與WC混合粉末的激光熔覆層組織[J]. 硬質(zhì)合金, 2012, 29(5): 297?301. XU Guo-jian, HUANG Xue, FU Xin-hao, et al. Microstructure of laser cladding prepared by mixed powder of Ni-based alloys and WC [J]. Cemented Carbide, 2012, 29(5): 297?301.

[14] 王啟明. 中國(guó)半導(dǎo)體激光器的歷次突破與發(fā)展[J]. 中國(guó)激光, 2010, 37(9): 2190?2197. WANG Qi-ming. Breakthroughs and development of semiconductor laser in China [J]. Chinese Journal of Lasers, 2010, 37(9): 2190?2197.

[15] 王 躍, 劉國(guó)軍, 李俊承, 等. GaSb基半導(dǎo)體激光器功率效率研究[J]. 中國(guó)激光, 2012, 39(1): 60?63. WANG Yue, LIU Guo-jun, LI Jun-cheng et al. Study of the ohmic contact of GaSb-based semiconductor laser [J]. Chinese Journal of Lasers, 2012, 39(1): 60?63.

[16] 郭士銳, 陳智君, 張群莉, 等. 大功率半導(dǎo)體激光表面改性的研究進(jìn)展[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2013, 50(5): 55~62. GUO Shi-rui, CHEN Zhi-jun, ZHANG Qun-li, et al. Research progress on laser suface modification by high-power diode laser [J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2013, 50(5): 55?62.

[17] 戎 磊, 黃 堅(jiān), 李鑄國(guó), 等. 激光熔覆WC顆粒增強(qiáng)Ni基合金涂層的組織與性能[J]. 中國(guó)表面工程, 2010, 23(6): 40?44, 50. RONG Lei, HUANG Jian, LI Zhu-guo et al. Microstructure and property of laser cladding Ni-based alloy coating reinforced by WC particles [J]. Chine Surface Engieering, 2010, 23(6): 40?44, 50.

[18] 周圣豐, 戴曉琴, 鄭海忠. 激光熔覆與激光?感應(yīng)復(fù)合熔覆WC-Ni60A涂層的結(jié)構(gòu)與性能特征[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2012, 48(7): 113?118. ZHOU Sheng-feng, DAI Xiao-qin, ZHENG Hai-zhong. Characteristics on structure and properties of WC-Ni60A coating by laser cladding and laser-induction hybrid cladding [J]. Journal of Mechanical Enginerring, 2012, 48(7): 113?118.

(編輯 湯金芝)

Microstructure and properties of WC-NiSiB wear resistant coating by high power diode laser broadband cladding

LEI Jian-bo, GU Zhen-jie, NIU Wei, WANG Yun-shan

(Laser Engineering Center, Tianjin Polytechnic University, Tianjin, 300387, China)

WC-NiSiB composite coatings with different WC contents were prepared on 45 steel substrate using 3kW high power diode laser. The morphology, composition and phase transformation of laser cladding layer were studied by scanning electronic microscope (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), and X-ray diffraction (XRD), respectively. The results show that the phase compositions of diode laser cladding WC-NiSiB alloy are γ-Ni、WC、W2C WB、W2B、Ni4B3、Ni4W, etc; the cladding layer has a metallurgical bonding with substrate; the morphology of crystal grain at the bottom of lading layer is cell structure, whose growth is perpendicular to the interface of cladding and substrate; then the columnar grain transits to dendrite structure; the morphology of crystal grain at the central and top zones of layer is dendritic structure and grows with a single direction, but the crystal grain at surface layer grows with random direction; with the increase of WC particle content, distribution of WC in the coating is more intensive. When WC content is 60%, WC particle distribute uniformly and there is no crack in the layer. The highest hardness of HV 1217 in cladding layer is 2.7 times of NiSiB coating and it’s wear resistance is 6.8 times of NiSiB coating.

laser technology; laser cladding; WC; WC-NiSiB coating; microstructure

TG665

A

1673-0224(2015)2-304-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61475117);國(guó)家自然科學(xué)資金委員會(huì)與中國(guó)民用航空局聯(lián)合資助項(xiàng)目(U1333121)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(12JCQNJC02800)；天津市科技支撐重大專項(xiàng)項(xiàng)目(13ZCZDGX01109)

2014-08-12；

2014-11-14

雷劍波，副教授，博士。電話：022-8395528；E-mail: ljbtj@163.com