真空環(huán)境與基體預(yù)熱對(duì)激光熔覆WC增強(qiáng)鎳基合金涂層組織和性能的影響

(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，青島 266520)

0 引 言

激光熔覆技術(shù)是隨著激光技術(shù)發(fā)展而新興的一種用于金屬表面改性的方法，具有能量密度高、熔覆效率高等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了廣泛的應(yīng)用和快速的發(fā)展[1-2]。但是，激光熔覆過程是一個(gè)快速加熱和快速冷卻的過程，所制備的涂層主要依靠基體來冷卻散熱，導(dǎo)致基體和涂層的溫度梯度大，從而產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，使得涂層極易產(chǎn)生裂紋缺陷；激光熔覆過程中的輸入能量較高，導(dǎo)致易揮發(fā)的黏結(jié)劑在大氣環(huán)境中從涂層中逸出的速率很低，極易殘留在涂層中而形成氣孔缺陷。這些缺陷嚴(yán)重限制了激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用范圍。國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)激光熔覆層中出現(xiàn)的氣孔、裂紋缺陷進(jìn)行了大量研究，取得了一些研究進(jìn)展[3]。李震等[4]研究發(fā)現(xiàn)，隨著激光功率的增加，WC增強(qiáng)鎳基合金熔覆層的組織變得更細(xì)小，但涂層中有氣孔產(chǎn)生；郭華鋒等[5]提出可以通過引入超聲振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)以及基體預(yù)熱等措施來解決激光熔覆層中的裂紋缺陷問題；劉洪喜等[6]與王玉玲等[7]分別研究了機(jī)械振動(dòng)和超聲振動(dòng)對(duì)激光熔覆層缺陷以及組織與性能的影響。以上研究雖然均在一定程度上減少了激光熔覆層中裂紋和氣孔的數(shù)量，提高了涂層的性能，但并未從根本解決氣孔和裂紋問題。作者在前人研究的基礎(chǔ)上，基于真空環(huán)境可減少氣孔數(shù)量，基體預(yù)熱可防止裂紋產(chǎn)生的原理，研究了在真空和基體預(yù)熱條件下激光熔覆WC增強(qiáng)鎳基合金涂層的宏觀與微觀形貌、物相組成、硬度和耐磨性能，并與在大氣環(huán)境氮?dú)庵贝当Ｗo(hù)和基體未預(yù)熱條件下的進(jìn)行對(duì)比。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

基體材料為45鋼，對(duì)基體表面進(jìn)行磨削、拋光和清潔處理。熔覆層材料為中國(guó)冶金科學(xué)院生產(chǎn)的WC增強(qiáng)鎳基合金粉，粒徑為48～106 μm，組成如表1所示。在基體熔覆表面預(yù)置一層厚度為1 mm的WC增強(qiáng)鎳基合金粉，黏結(jié)劑為無水乙醇，在80 ℃下烘烤4 h。利用高透光玻璃對(duì)自制的真空箱進(jìn)行密封，透光率95%以上，真空度為100 Pa，并用云母加熱片將預(yù)置合金粉的試樣預(yù)熱至200 ℃，再采用Rofin FL020型光纖激光器進(jìn)行激光熔覆試驗(yàn)，經(jīng)優(yōu)化后的工藝參數(shù)為激光功率1 600 W，掃描速度4 mm·s-1，搭接率30%，光斑直徑5 mm。將所制備的涂層試樣記作1#試樣。對(duì)比試樣為在大氣環(huán)境氮?dú)庵贝当Ｗo(hù)、基體不預(yù)熱條件下激光熔覆的涂層試樣，記作2#試樣。

表1 WC增強(qiáng)鎳基合金粉的組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Composition of WC reinforced nickel-based alloy powder (mass) %

采用線切割方法在涂層試樣上垂直于涂層表面截取尺寸為10 mm×10 mm×16 mm的試樣，涂層截面經(jīng)打磨、拋光，用王水腐蝕15 s后，用S-3400N型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察涂層的截面微觀形貌。將涂層表面打磨平整，用D/Max2500PC型X射線衍射儀(XRD)分析涂層的物相組成。采用FM700型顯微硬度計(jì)從距涂層表面0.3 mm處每隔0.1 mm測(cè)涂層試樣的截面硬度，距涂層表面相同距離處測(cè)3個(gè)點(diǎn)取平均值，載荷為1 N，保載時(shí)間為5 s。在涂層試樣上截取尺寸為10 mm×10 mm×16 mm的試樣，采用UMT-3型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)涂層表面進(jìn)行干摩擦條件下的磨損試驗(yàn)，對(duì)磨件為直徑9.25 mm的GCr15軸承鋼球，運(yùn)動(dòng)方式為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，載荷為10 N，頻率為2 Hz，試驗(yàn)時(shí)間為20 min。采用S-3400N型掃描電鏡觀察磨損形貌。將垂直于磨痕寬度的方向定義為x軸，垂直于涂層表面的方向定義為y軸，采用Mitutoyo SJ-210型表面粗糙度儀測(cè)試磨痕截面輪廓。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 宏觀形貌

圖1 不同試樣的宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of different samples: (a) 1# sample and (b) 2# sample

由圖1可以看出：1#試樣表面平整，金屬光澤性好，表面未出現(xiàn)裂紋，且表面的熔渣極少；2#試樣表面有許多貫穿整個(gè)涂層的縱向裂紋，且表面有許多熔渣。真空環(huán)境改善了激光熔覆時(shí)熔池內(nèi)液體的流動(dòng)性，同時(shí)可防止激光熔覆后涂層表面發(fā)生二次氧化，因此涂層表面平整，金屬光澤性好?；w預(yù)熱可以減小激光熔覆過程中的溫度梯度，降低涂層的過冷度，減小涂層中的熱應(yīng)力，防止裂紋產(chǎn)生；基體預(yù)熱還可加速鐵元素向涂層中的擴(kuò)散，使涂層中鐵含量升高，而鐵元素可以降低涂層的熔點(diǎn)，從而提高熔池中液體的流動(dòng)性[8]。因此，在真空和基體預(yù)熱條件下的涂層表面光滑，熔渣極少。

2.2 微觀形貌與物相組成

由圖2可以看出：不同試樣的涂層與基體間均有一條明亮的結(jié)合帶，說明兩種工藝下基體與涂層間均形成了良好的冶金結(jié)合[9]；1#試樣涂層組織主要為胞狀晶，組織均勻致密，涂層中不存在裂紋和明顯的氣孔；2#試樣涂層組織多為樹枝晶和柱狀晶，組織粗大且不均勻，涂層中存在氣孔和貫穿整個(gè)涂層的裂紋，并延伸到基體，同時(shí)還存在WC聚集區(qū)和硬質(zhì)相聚集區(qū)。在真空環(huán)境中，熔池內(nèi)液體的流動(dòng)性較好，產(chǎn)生的氣體可在內(nèi)外壓差的作用下于短時(shí)間內(nèi)快速?gòu)娜鄢刂幸莩?，因此涂層中未見明顯的氣孔；基體預(yù)熱可減小涂層的溫度梯度，降低裂紋出現(xiàn)的可能性，同時(shí)促進(jìn)鐵元素向涂層擴(kuò)散，降低涂層的熔點(diǎn)，提高液體的流動(dòng)性，使熔池內(nèi)成分更均勻[10]，因此涂層組織致密均勻，且主要為胞狀晶。在大氣環(huán)境氮?dú)庵贝当Ｗo(hù)、基體不預(yù)熱條件下，熔池內(nèi)液體流動(dòng)性差，成分不均勻，在結(jié)晶時(shí)易發(fā)生枝晶偏析，從而形成樹枝晶和柱狀晶；同時(shí)液體流動(dòng)性差還會(huì)導(dǎo)致成分聚集，使涂層在靠近結(jié)合帶的區(qū)域出現(xiàn)WC聚集區(qū)和硬質(zhì)相聚集區(qū)。此外液體流動(dòng)性差還會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的氣體無法及時(shí)從熔池中逸出，因此涂層中存在明顯的氣孔。當(dāng)基體未預(yù)熱時(shí)，熔體過冷度大，使得涂層中產(chǎn)生過大的殘余熱應(yīng)力，導(dǎo)致涂層在WC聚集區(qū)和硬質(zhì)相聚集區(qū)產(chǎn)生了貫穿整個(gè)涂層的裂紋，并延伸到基體。

圖2 不同試樣的截面微觀形貌Fig.2 Cross section microscopic morphology of different samples: (a) 1# sample, bottom of the coating; (b) 2# sample, bottom of the coating; (c) 1# sample, middle of the coating and (d) 2# sample, middle of the coating

圖3 不同試樣涂層的XRD譜Fig.3 XRD spectra of coating in different samples

由圖3可以看出：1#試樣涂層的物相主要由Cr23C6、Cr3C2、γ-Ni、FeNi組成；2#試樣涂層的物相主要由Cr23C6、CrB、γ-Ni、FeNi3組成?？芍?，在兩種工藝條件下制備的涂層都是由鎳基固溶體和金屬間化合物組成的。涂層中均未出現(xiàn)WC相，這是因?yàn)樵诖蠹す夤β氏?，涂層表面的WC極易燒損或分解成W2C和C，分解出的碳元素與其他元素形成新的碳化物[11]。涂層中的鉻和碳元素在一定條件下會(huì)發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)鉻含量較高時(shí)生成Cr23C6相，當(dāng)鉻含量較低時(shí)生成Cr3C2相。Cr23C6相為尺寸較大的硬質(zhì)相，會(huì)增加涂層的硬度和脆性，從而增大裂紋產(chǎn)生的可能性。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，1#試樣涂層中Cr23C6相的含量明顯低于2#試樣涂層中的。這主要是由于在真空和基體預(yù)熱條件下，熔池中液體的流動(dòng)性好，元素?cái)U(kuò)散速率加快，涂層中的元素分布更均勻，元素聚集現(xiàn)象減弱，涂層中碳含量相對(duì)升高，鉻含量相對(duì)降低，從而促進(jìn)Cr23C6相向細(xì)小的Cr3C2相轉(zhuǎn)變，因此涂層中的鉻碳化物主要以Cr3C2相的形式存在。由此可知，真空環(huán)境與基體預(yù)熱可以減少涂層中粗大的硬質(zhì)相組織，從而降低開裂傾向[12]。

2.3 顯微硬度

由圖4可知，1#試樣和2#試樣涂層的平均顯微硬度分別為751.14，836.57 HV?？芍?，采用真空、基體預(yù)熱200 ℃的工藝可在一定程度上降低涂層的硬度。真空環(huán)境與基體預(yù)熱可提高熔池內(nèi)液體的流動(dòng)性，加速元素的擴(kuò)散，使基體的成分大量進(jìn)入涂層中，導(dǎo)致涂層硬度降低[13]。同時(shí)，涂層中硬質(zhì)相的減少也會(huì)導(dǎo)致涂層硬度的降低。

圖4 不同試樣的截面硬度分布曲線Fig.4 Cross section hardness distribution curves of different samples

圖5 不同試樣涂層的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線Fig.5 Curve of friction coefficient vs time of coating in different samples

2.4 耐磨性能

由圖5可以看出，1#試樣和2#試樣涂層的穩(wěn)定摩擦因數(shù)分別約為0.50，0.65，在真空和基體預(yù)熱條件下涂層的摩擦因數(shù)降低了約23%，該涂層具有更好的耐磨性能。在大氣環(huán)境氮?dú)庵贝当Ｗo(hù)和基體不預(yù)熱條件下，涂層表面存在一些氣孔和裂紋，這些缺陷會(huì)增大涂層的摩擦因數(shù)，并且磨損多在氣孔或裂紋處產(chǎn)生，因此涂層的耐磨性能較差。在真空和基體預(yù)熱條件下，涂層組織均勻致密，表面無裂紋、氣孔等缺陷，因此涂層的摩擦因數(shù)較??；同時(shí)，在該條件下熔池內(nèi)液體的流動(dòng)性較好，使得涂層中的金屬間化合物彌散分布在鎳基固溶體中，從而顯著提高了涂層的抗黏附能力，即在相同的摩擦條件下，涂層表面抵抗外界硬質(zhì)顆粒侵入的能力更好，因此涂層的耐磨性能更好[14-15]。

圖6 不同試樣的表面磨損形貌Fig.6 Surface wear morphology of different samples: (a) 1# sample and (b) 2# sample

圖7 不同試樣表面磨痕的截面輪廓曲線Fig.7 Sectional profile curves of wear scar on surface of different samples

由圖6可以看出：1#試樣表面沿著摩擦方向未出現(xiàn)明顯的材料堆積和塑性變形現(xiàn)象，表面存在一些形狀不規(guī)則的劃痕、小凹坑以及一些細(xì)小的磨粒，因此在真空和基體預(yù)熱條件下涂層的磨損形式主要為磨粒磨損；2#試樣表面出現(xiàn)明顯的塑性變形現(xiàn)象，且沿著摩擦方向在磨痕前沿出現(xiàn)材料堆積現(xiàn)象，同時(shí)在反復(fù)摩擦過程中表面有不規(guī)則的大塊狀碎片剝落，因此在大氣環(huán)境氮?dú)庵贝当Ｗo(hù)和基體不預(yù)熱條件下涂層的磨損形式主要為黏著磨損和疲勞剝落。圖7中輪廓曲線凹陷的深度表示涂層的磨損深度，曲線凹陷的橫截面積代表在截面上涂層的磨損量;利用該橫截面上的磨損量來評(píng)估整個(gè)涂層的磨損量，則曲線凹陷的橫截面積越小，涂層的磨損量越小，涂層的耐磨性能越好[16]。由圖7可以計(jì)算出，1#試樣和2#試樣的磨痕橫截面積分別約為0.40×10-3，0.95×10-3mm2，說明在真空和基體預(yù)熱條件下涂層的耐磨性能更好。綜上可知，在真空和基體預(yù)熱200 ℃條件下，激光熔覆WC增強(qiáng)鎳基合金涂層的硬度雖然比大氣環(huán)境氮?dú)庵贝当Ｗo(hù)和基體無預(yù)熱條件下的有所降低，但其組織均勻致密，不存在裂紋和氣孔，耐磨性能更好，由此該涂層具有良好的綜合性能。

3 結(jié) 論

(1) 在真空和基體預(yù)熱200 ℃條件下，激光熔覆WC增強(qiáng)鎳基合金涂層中不存在裂紋與氣孔，涂層組織均勻致密，以胞狀晶為主，涂層中物相主要由Cr23C6、Cr3C2、γ-Ni、FeNi組成，Cr23C6硬質(zhì)相含量低于在大氣環(huán)境氮?dú)庵贝当Ｗo(hù)和基體不預(yù)熱條件下激光熔覆涂層的。

(2) 在真空和基體預(yù)熱200 ℃條件下，涂層的平均顯微硬度為751.14 HV，比大氣環(huán)境氮?dú)庵贝当Ｗo(hù)和基體不預(yù)熱條件下的低約85.43 HV；涂層的穩(wěn)定摩擦因數(shù)為0.50，其磨痕橫截面積約為0.4×10-3mm2，比大氣和基體不預(yù)熱條件的分別降低約23%和58%，耐磨性能顯著提高。