Ti對(duì)等離子堆焊Ni基Cr 3C2涂層組織與性能的影響

斯松華，姜閃閃，王妍妍

(安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002)

等離子堆焊技術(shù)是一種表面改性技術(shù)，具有成本低、操作簡(jiǎn)單、效率高等特點(diǎn)［1－3］.隨著表面改性技術(shù)的不斷發(fā)展，金屬基復(fù)合材料因其高硬度及良好的耐磨性能在金屬表面改性中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛［4－7］.鎳基合金由于良好的高溫和耐蝕性能，近年來(lái)受到較多關(guān)注［8］.曾志強(qiáng)等［9］分別在Ni45、Ni55粉末中添加不同含量的WC粉末制備強(qiáng)化層，均對(duì)基體產(chǎn)生十分明顯的強(qiáng)化作用.但是WC密度大，脆性高，在熔覆過(guò)程中大顆粒未熔WC聚集在堆焊層底部，在磨損過(guò)程中易剝落，影響耐磨性.楊再江等［10］系統(tǒng)研究了 Cr3C2、WC增強(qiáng)Ni基焊層微觀結(jié)構(gòu)和耐磨粒磨損性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加Cr3C2、WC的焊層耐磨性均有明顯提高.Cr3C2作為一種陶瓷材料，具有高熔點(diǎn)、高硬度等特點(diǎn)，是一種良好的耐摩擦磨損材料.侯清宇等［11］采用等離子堆焊技術(shù)在低碳鋼表面分別制備了不同含量的Cr3C2/鎳基涂層，研究發(fā)現(xiàn)，隨著Cr3C2含量的增加，堆焊層的耐磨性顯著提高，但Cr3C2加入量太高時(shí)，堆焊涂層工藝特性變差，同時(shí)涂層碳化物大大增多，不均勻性增加，在磨損過(guò)程中易開裂剝落，耐磨性反而下降.TiC具有高強(qiáng)度、高硬度，可作為制備高性能復(fù)合材料的增強(qiáng)相，但直接加入TiC，基體與增強(qiáng)相的相容性差，不利于改善涂層質(zhì)量.Ti為強(qiáng)碳化物形成元素，研究表明［12－14］，利用原位合成技術(shù)在金屬基陶瓷復(fù)合粉末中加入合金元素Ti，通過(guò)化合反應(yīng)或置換反應(yīng)能夠制備出以TiC顆粒為增強(qiáng)相的復(fù)合熔覆層，有利于改善組織提高性能.

本文采用等離子堆焊技術(shù)在Q235碳鋼表面制備3種涂層，分別為Ni50合金涂層、Cr3C2/Ni復(fù)合涂層和 Ti/Cr3C2/Ni復(fù)合涂層，研究添加Cr3C2及在此基礎(chǔ)上添加Ti對(duì)Ni50合金涂層組織、硬度以及耐磨性能的影響，期望通過(guò)復(fù)合添加Cr3C2和Ti可以改善Ni50合金涂層的組織與耐摩擦磨損性能，使堆焊層具有高硬度的同時(shí)具有良好的韌性，以防止裂紋的產(chǎn)生.

圖1 Ni50(a，d)、Cr 3C2/Ni(b，e)、Ti/Cr 3C2/Ni(c，f) 涂層的顯微組織Fig.1 Microstructures of the(a，d)Ni50，(b，e)Cr3C2/Ni，and(c，f)Ti/Cr3 C2/Ni coatings

1 材料與方法

試驗(yàn)選用Q235作為堆焊基板材料，試樣尺寸為100 mm×80 mm×30 mm.堆焊材料選用Ni基自熔性合金粉末，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為:0.56C，4.3Si，3.3B，4.2Fe，16.3Cr，其余為 Ni，其粒徑53～120μm，Cr3C2粉末粒徑40～82μm，Ti粉末粒徑50～90μm.采用感重0.1 mg的FA2204B電子天平按設(shè)計(jì)比例稱量，分別配置Ni基自熔性合金粉末、Cr3C2/Ni復(fù)合粉末、Ti/Cr3C2/Ni復(fù)合粉末，經(jīng)研磨后預(yù)置在基板材料表面.堆焊前將試樣置于干燥箱中，200℃下干燥2 h待用.

采用PTA－400E型等離子噴焊機(jī)在基板上堆焊3 種合金層(Ni50、Cr3C2/Ni、Ti/Cr3C2/Ni)，堆焊層厚度約3 mm，工藝參數(shù)如下:工作電流130～140 A，送粉電 壓 25 V，擺動(dòng)速度1 800 mm/min，擺動(dòng)寬度23 mm，噴距7 mm.將堆焊后的試樣置于加熱爐中160℃保溫2.5 h并隨爐冷卻.金相試樣沿垂直等離子弧掃描方向切取，經(jīng)打磨、拋光后采用王水進(jìn)行腐蝕，利用OLYMPUS-PME3型光學(xué)顯微鏡對(duì)各堆焊層的顯微組織進(jìn)行觀察，采用PHILIP-KL30型掃描電鏡結(jié)合EDS能譜儀觀察各堆焊層的組織形貌并對(duì)堆焊層成分進(jìn)行分析.

采用HV－1000型顯微硬度計(jì)檢測(cè)各涂層截面的硬度，試驗(yàn)加載力為9.8 N，保壓時(shí)間10 s.通過(guò)MMS－2A環(huán)－塊磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)定各堆焊層的耐摩擦磨損性能，上試樣尺寸為30 mm×7 mm×6.5 mm，對(duì)磨環(huán)材料為GCr15，試驗(yàn)條件如下:加載力300 N，設(shè)定轉(zhuǎn)速250 r/min，磨損時(shí)間0.5 h.采用超聲波清洗儀，用丙酮對(duì)試樣磨損前后進(jìn)行清洗后并稱重，采用PHILIP-KL30型掃描電鏡對(duì)試樣的磨損形貌進(jìn)行觀察.

2 結(jié)果與分析

2.1 堆焊層的組織

圖1所示為3種堆焊層中部的典型顯微組織.

由圖1可知:Ni50合金涂層顯微組織主要由γ－Ni固溶體基體和共晶組織組成，如圖1(a)和(d)所示;添加40%的Cr3C2后，涂層的顯微組織發(fā)生了明顯變化，Cr3C2/Ni復(fù)合涂層組織優(yōu)先析出大量長(zhǎng)桿狀、塊狀及顆粒狀的初生相，如圖1(b)和(e)所示;復(fù)合添加 Ti及 Cr3C2后，Ti/Cr3C2/Ni復(fù)合涂層組織中初生相尺寸明顯減小且分布更均勻，如圖1(c)和(f)所示.

表1為3種涂層掃描組織成分分析結(jié)果.由表1可知，A區(qū)富含Ni元素并含有少量的C、Si，分析可知［15］，A 區(qū)應(yīng)當(dāng)為固溶了 C、Cr、Si、Fe 等元素的γ－Ni固溶體基體，B區(qū)應(yīng)當(dāng)為共晶組織.C、F區(qū) Cr、Fe含量較高，因此應(yīng)當(dāng)為富 Cr碳化物;D、E區(qū)均以Ni為主，并且含有較高含量的Cr，根據(jù)掃描照片可以判斷，D區(qū)為γ－Ni枝晶組織，E區(qū)為γ－Ni+化合物相的共晶組織.復(fù)合添加Ti及Cr3C2后，Ti/Cr3C2/Ni復(fù)合涂層組織中優(yōu)先析出的碳化物尺寸明顯減小且分布更均勻，這是由于TiC的形成溫度高于含Cr碳化物，在冷卻過(guò)程中優(yōu)先析出TiC，這些TiC可以作為碳化物的形核核心，起到細(xì)化與均勻化碳化物及枝晶組織的作用.

表1 中各區(qū)域的微區(qū)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 EDS micro-analysis of different regions shown in Fig.1(mass fraction/%)

2.2 堆焊層的硬度及耐磨性

圖2為3種涂層的顯微硬度分布，可以看出，3種涂層的硬度呈明顯階梯狀，在熔合線附近硬度迅速降低，說(shuō)明等離子堆焊稀釋率低，表面堆焊層性能得以保持［16］.Ni50、Cr3C2/Ni、Ti/Cr3C2/Ni 3種涂層的截面平均硬度分別為 658、839、828 HV.Cr3C2加入后，涂層的顯微組織發(fā)生了明顯變化，析出的大量碳化物作為一種增強(qiáng)硬質(zhì)相顯著提高了涂層的截面硬度.但是，由于熔池中較高含量的未熔Cr3C2降低了對(duì)流作用，這些未熔的Cr3C2顆?？梢宰鳛樾魏撕诵模闪舜罅看髩K的碳化物，并松散無(wú)序地分布于金屬基體上，導(dǎo)致Cr3C2/Ni復(fù)合涂層的硬度上下波動(dòng)，很不穩(wěn)定.加入適量的合金元素Ti可以起到彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用，使堆焊層組織更致密均勻，降低了硬度起伏.

圖2 各堆焊層的硬度分布Fig.2 Micro-hardness profile of the plasma surfacing layers

圖3 所示為各堆焊涂層的滑動(dòng)磨損失重，可以看出，相對(duì)于Ni基合金涂層，Cr3C2/Ni涂層的磨損失重降低了58.8%，Ti/Cr3C2/Ni復(fù)合涂層的磨損失重降低了67.9%，相對(duì)耐磨性分別提高了1.4倍和2.1倍，Ti/Cr3C2/Ni復(fù)合涂層的磨損失重最少.

圖3 3種涂層的磨損失重Fig.3 Sliding wear loss of all coatings

圖4 為3種涂層在滑動(dòng)磨損試驗(yàn)中的磨損形貌，可以看出:Ni50合金涂層的表面磨損形貌中出現(xiàn)較寬而深的犁溝，犁溝周圍有細(xì)小的磨屑，以磨粒磨損為主，在滑動(dòng)磨損試驗(yàn)中，加載載荷產(chǎn)生的摩擦力對(duì)摩擦表面產(chǎn)生剪切、犁皺和切削作用，產(chǎn)生槽狀磨痕;添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%的Cr3C2后，Cr3C2/Ni復(fù)合涂層的表面磨損形貌中出現(xiàn)大量的層片狀剝落現(xiàn)象，表面犁溝明顯減輕，以疲勞磨損為主，這是由于涂層表面在載荷作用下產(chǎn)生微裂紋，隨后產(chǎn)生剝落并形成凹坑;Ti/Cr3C2/Ni復(fù)合涂層磨損表面幾乎沒(méi)有犁溝，剝落現(xiàn)象較Cr3C2/Ni涂層明顯得到改善，因此其耐磨性最好.

由于大量高硬度 Cr3C2粒子的加入，Cr3C2/Ni復(fù)合涂層組織中有大量大塊的硬質(zhì)碳化物顆粒，能夠顯著提高涂層的硬度及耐摩擦磨損性能，但這些粗大硬質(zhì)相脆性大，在摩擦磨損試驗(yàn)中其本身易斷裂，與基體形成的界面也不穩(wěn)定，易開裂，在循環(huán)應(yīng)力作用下容易從涂層中剝落下來(lái).加入適量Ti，有利于原位合成TiC，并且能夠促進(jìn)Cr3C2的熔解，析出的細(xì)小硬質(zhì)相有助于減小應(yīng)力集中，降低涂層的開裂傾向，改善涂層的耐摩擦磨損性能，同時(shí)碳化物尺寸減小與均勻分布使其與枝晶及共晶組織接觸面積增大，結(jié)合更加緊密，因此在抵抗對(duì)磨環(huán)循環(huán)應(yīng)力時(shí)不易產(chǎn)生剝落.

圖4 各涂層的磨損形貌Fig.4 Morphology of worn surfaces of coatings

3 結(jié)論

1)Ni50合金涂層組織主要由γ－Ni固溶體基體和共晶組織組成;Cr3C2/Ni復(fù)合涂層主要由大量長(zhǎng)桿狀、塊狀初生碳化物和細(xì)小枝晶組織組成;復(fù)合添加Ti元素后，Ti/Cr3C2/Ni復(fù)合涂層中碳化物尺寸較小且分布均勻，組織明顯細(xì)化.

2)與 Ni50合金涂層相比，加入Cr3C2后，Cr3C2/Ni復(fù)合涂層硬度提高了26%，表面磨損形貌中出現(xiàn)了層片狀的剝落現(xiàn)象，槽狀犁溝變淺減少，其相對(duì)耐磨性提高了1.4倍.

3)復(fù)合添加Cr3C2與Ti后，相對(duì)于Cr3C2/Ni復(fù)合涂層，Ti/Cr3C2/Ni復(fù)合涂層硬度變化不大，但硬度起伏較小，分布更均勻.Ti/Cr3C2/Ni涂層滑動(dòng)磨損表面只有輕微犁溝及剝落，表現(xiàn)出較好的耐磨損性能，與Ni50合金涂層相比，其相對(duì)耐磨性提高了2.1倍.