Ni包WC含量對(duì)激光熔覆Ni45/Ni-WC復(fù)合涂層顯微組織與性能的影響

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(1.中國(guó)兵器科學(xué)研究院寧波分院 焊接與表面再制造技術(shù)研究室，浙江 寧波 315103；2.中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所 稀土磁性功能材料實(shí)驗(yàn)室，浙江 寧波 315201)

0 前言

激光熔覆是一種先進(jìn)的新型表面改性技術(shù)，它將合金粉末與基材表面薄層同時(shí)瞬間熔化并快速凝固，在基材上形成致密的冶金結(jié)合熔覆涂層，以改善工件表面的耐磨、耐蝕、抗氧化等性能[1-2]。該技術(shù)具有基材變形小、復(fù)合涂層稀釋率低、涂層耐磨耐蝕性能好、界面結(jié)合強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3]，可以成功地將金屬的延展性、高強(qiáng)度和陶瓷相的高熔點(diǎn)、較好的化學(xué)穩(wěn)定性、高硬度等性能結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成一種新的復(fù)合材料，是制備金屬基復(fù)合涂層的理想方法[4]。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)激光熔覆Ni-WC復(fù)合涂層的性能進(jìn)行了研究。成誠(chéng)等人[5]在42CrMo合金表面制備Ni包WC涂層來(lái)研究激光功率對(duì)涂層組織及性能的影響。研究結(jié)果表明，隨著激光功率的增大，由于涂層中的WC顆粒逐漸分解為Fe-C化合物，導(dǎo)致其硬度逐漸減小。劉興光等人[6]對(duì)45號(hào)鋼基體進(jìn)行激光熔覆Ni包WC金屬陶瓷涂層強(qiáng)化處理，結(jié)果表明，與45號(hào)鋼基體相比，熔覆層的耐磨與耐蝕性能均有顯著提高。此外，不同的Ni-WC含量對(duì)所制備的涂層組織和性能具有重要影響，目前已成為材料學(xué)領(lǐng)域的熱門課題。Guo C.等人[7]在不銹鋼基體上熔覆了不同Ni-WC含量的NiCrBSi/Ni-WC復(fù)合涂層，研究發(fā)現(xiàn)Ni-WC顆粒經(jīng)過(guò)激光熔覆作用生成了硬質(zhì)相WC，使得涂層的硬度和耐磨性能顯著提高。顏永根等人[8]在低碳鋼表面激光熔覆了鈷基合金涂層以及添加不同含量Ni包WC的Co+Ni-WC復(fù)合涂層。結(jié)果表明，添加WC改變了Co60涂層的定向枝晶生長(zhǎng)模式，并細(xì)化了枝晶組織，且WC加入量提高，效果越明顯。

在不同的基體材料和熔覆材料下，可能會(huì)有不同的演變規(guī)律。因此利用激光熔覆技術(shù)在Q235鋼板上制備Ni包WC粉末增強(qiáng)Ni45合金熔覆層，并系統(tǒng)研究了不同Ni包WC粉末含量對(duì)熔覆層的顯微組織、稀釋率及顯微硬度的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 涂層制備

試驗(yàn)所用基材為Q235鋼，尺寸為100 mm×100 mm×10 mm，試驗(yàn)前用砂紙對(duì)基材表面進(jìn)行打磨并用丙酮清洗干凈。所用熔覆材料為鎳基自熔性合金粉末Ni45與不同含量Ni包WC粉末組成的混合粉末。Ni45合金粉末粒度為44～104 μm，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。Ni包WC粉末粒度為38～74 μm，其中WC粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88%，余量為Ni。Ni45合金粉末和Ni包WC粉末形貌如圖1所示。將Ni包WC粉末分別以質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%,10%，20%和30%比例摻入Ni45合金粉末，并將混合粉末置于行星式球磨機(jī)中混合均勻。試驗(yàn)前將粉末放入烘箱中150 ℃下烘烤2 h。

表1 Ni45合金粉末和Q235基材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 粉末SEM形貌

利用IPG YLS-3000-CL光纖激光器采用側(cè)向送粉方式進(jìn)行激光熔覆。工藝參數(shù)為：激光功率2 kW，掃描速度3 mm/s，光斑直徑5 mm，送粉速率8 g/min，送粉氣體流量為7 L/min，Ar氣保護(hù)氣體流量為12 L/min。

1.2 測(cè)試分析方法

將試樣沿垂直于掃描方向線切割成塊狀制備金相試樣，試樣橫截面經(jīng)過(guò)研磨和拋光后用王水(濃HNO3與濃HCl體積比為1∶3)腐蝕，采用FEI Quanta FEG250場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)對(duì)涂層進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)的觀察與分析；并用SEM自帶的能譜分析儀(EDS)檢測(cè)分析微區(qū)的化學(xué)成分；采用布魯克D8 ADVANCE X射線衍射儀(XRD)對(duì)熔覆層進(jìn)行物相分析；用401MVSD型顯微硬度計(jì)測(cè)定涂層的維氏顯微硬度，載荷5 N，加載時(shí)間10 s，測(cè)量3次取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 熔覆層的相構(gòu)成

圖2為添加不同Ni包WC的鎳基復(fù)合涂層的X射線衍射圖譜。激光熔覆的特點(diǎn)就是加熱和冷卻速度較快，是一種非平衡凝固，這必將導(dǎo)致凝固后的組織中存在過(guò)飽和固溶體和相的晶格畸變。由于熔覆層中可能存在的相所對(duì)應(yīng)的衍射峰彼此非常接近甚至重疊在一起，因此完整準(zhǔn)確地識(shí)別涂層中的所有相非常困難[9]。對(duì)衍射圖譜進(jìn)行仔細(xì)地分析，能夠初步得出：各熔覆層中除了原有的γ-Ni，M7C3和FeNi3相外，還由于Ni包WC的加入引進(jìn)了WC和W2C相。

圖2 不同Ni包WC含量下Ni基復(fù)合涂層的射線衍射圖譜

2.2 熔覆層的宏觀形貌與稀釋率

圖3為不同Ni包WC粉末含量下熔覆層橫截面宏觀形貌。由圖3可知，熔覆層致密，無(wú)裂紋和氣孔，并且熔覆層與基體的結(jié)合界面是一道明顯的圓弧線，說(shuō)明熔覆層和基體之間形成了良好的冶金結(jié)合。

圖3 不同Ni包WC含量下熔覆層截面的宏觀形貌

熔覆層的稀釋率表示基體材料在熔覆層中的擴(kuò)散程度，稀釋率的大小直接影響熔覆層的性能。稀釋率過(guò)大，基體對(duì)熔覆層的稀釋作用大，損害熔覆層固有的性能；稀釋率過(guò)小，熔覆層與基體不能在界面形成良好的冶金結(jié)合，熔覆層易剝落。稀釋率通過(guò)式(1)進(jìn)行計(jì)算[10]。

(1)

式中：η為熔覆層的稀釋率；h為基體的熔深；H為熔覆層的高度。不同Ni包WC含量稀釋率的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，隨著Ni包WC含量的增加，熔覆層的稀釋率逐漸增大。這是由于隨著WC含量的增加，熔覆相同厚度涂層所需最小比能量減小，導(dǎo)致了相同工藝條件下整個(gè)熔覆層溫度升高[11]。

2.3 熔覆層的顯微組織

圖4為不同Ni包WC含量下熔覆層的微觀組織。其中，圖4a為不含Ni包WC熔覆層的顯微組織。對(duì)圖4a中白色枝晶和枝晶間的灰色塊體進(jìn)行EDS點(diǎn)分析，結(jié)果經(jīng)計(jì)算得白色枝晶的成分相對(duì)含量為62.32%Ni，9.53%Cr，23.15%Fe，2.56%Si，1.32%C，1.12%B(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，灰色塊體的成分相對(duì)含量為29.61%Ni，47.70%Fe，18.76%Cr，1.25%Si，2.16%C，0.52%B(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。因此，分析認(rèn)為熔覆層組織主要由白色的γ-Ni樹(shù)枝晶和灰色的枝晶間多元共晶組成，且周圍存在Cr，F(xiàn)e元素的偏聚。此外，對(duì)圖4a進(jìn)行EDS分析(選區(qū)面積為45 μm×40 μm)，測(cè)得其平均成分相對(duì)含量為39.68%Ni，10.34%Cr，46.55%Fe，1.02%Si，1.29%C，1.12%B(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。與Ni45自熔性粉末相比，F(xiàn)e元素含量明顯增加，而且在熔覆層出現(xiàn)了基材的Mn和C元素，這是由于在激光束的高溫作用下，基材與熔覆層發(fā)生了互擴(kuò)散，這種行為既說(shuō)明了對(duì)Ni45熔覆層存在稀釋作用，又為界面呈冶金結(jié)合提供了有力的證據(jù)。

表2 稀釋率計(jì)算結(jié)果

圖4 不同Ni包WC含量下熔覆層的微觀組織

圖4b～4d為不同Ni包WC含量下熔覆層的顯微組織。與不含Ni包WC的組織相比，含有Ni包WC熔覆層的γ-Ni枝晶持續(xù)增多且細(xì)化。結(jié)合XRD圖譜分析得出，是由于在高能激光束的作用下大部分WC會(huì)熔解，這些熔解的WC與Ni45基材的Ni，Cr，F(xiàn)e元素相互作用會(huì)形成W2C和M7C3型碳化物及FeNi3金屬化合物，將阻止粘結(jié)金屬中γ-Ni枝晶的長(zhǎng)大，從而細(xì)化熔覆層晶粒，而且Ni包WC含量越高，細(xì)化效果越明顯。

此外，對(duì)圖4b～4d進(jìn)行EDS分析(選區(qū)面積為45 μm×40 μm)，測(cè)得其平均成分相對(duì)含量見(jiàn)表3。隨著Ni包WC含量的增加，F(xiàn)e元素比重增加，說(shuō)明熔覆層的稀釋率在逐漸變大，這與表2的稀釋率結(jié)果相吻合。

2.4 顯微硬度

圖5為不同Ni包WC粉末含量下熔覆層截面的顯微硬度分布。從圖5可以看出，隨著Ni包WC含量的增加，熔覆層平均顯微硬度逐漸增加。這是由于隨著WC含量的增加，在熔覆層中形成的各種碳化物會(huì)增加，熔覆層的硬度也相應(yīng)增加。此外，圖5顯示出熔覆層的顯微硬度由表及里呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。一方面，由于熔覆表層受激光瞬時(shí)加熱又快速冷卻，組織來(lái)不及長(zhǎng)大，所以其組織比中部和低端的組織更細(xì)，使得熔覆表層的硬度高，里層的硬度低；另一方面，由于基體對(duì)熔覆層的稀釋作用，使基體的Fe元素在激光作用下擴(kuò)散到熔覆層低端，因此熔覆層底部的硬度發(fā)生下降。同時(shí)，基體的硬度最小，其平均顯微硬度為150 HV0.5，當(dāng)Ni包WC粉末含量為0%時(shí)，合金熔覆層的平均硬度為基體的3倍，當(dāng)Ni包WC粉末含量增加到30%時(shí)，合金熔覆層的平均顯微硬度最高，可達(dá)到基體的4倍。

圖5 不同Ni包WC粉末含量下熔覆層的顯微硬度

3 結(jié)論

(1) 在激光熔覆Ni包WC增強(qiáng)Ni基合金過(guò)程中，隨著Ni包WC含量的增加，熔覆層的稀釋率逐漸增大。

(2) 隨著Ni包WC含量的增加，合金熔覆層中γ-Ni枝晶持續(xù)增多且細(xì)化。而且Ni包WC含量越高，細(xì)化效果越明顯。

(3) 隨Ni包WC含量的增加，熔覆層平均硬度逐漸增加。當(dāng)Ni包WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時(shí)，熔覆層平均硬度約為基體的3倍，當(dāng)Ni包WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到30%時(shí)，熔覆層平均硬度可達(dá)到基體的4倍。