碳化鎢耐磨材料激光熔覆關(guān)鍵問題

王冬春 杜錦濤 劉輝 欒程群

摘要：碳化鎢材料具有高硬度、高熔點等特性，被作為硬質(zhì)相廣泛用于激光熔覆表面強化，能夠大幅提升表面耐磨、耐腐蝕性能。碳化鎢在提升激光熔覆層性能的同時，也帶來了氣孔、裂紋、碳化鎢顆粒不均等工藝問題，圍繞碳化鎢材料激光熔覆過程熱歷程與微觀組織演化、熔池對流與元素擴散、碳化鎢分解與熱損傷、熱應(yīng)力與缺陷抑制，以及碳化鎢涂層磨損機理等關(guān)鍵問題，國內(nèi)外開展了諸多研究，對此進行全面闡述。在此基礎(chǔ)上，指出碳化鎢材料激光熔覆研究中的不足以及未來發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：碳化鎢;激光熔覆;微觀組織;熱損傷;缺陷抑制

0? ? 前言

激光熔覆技術(shù)是一種先進制造技術(shù)，將高功率密度激光束輻照到基材表面，使基材與熔覆層材料迅速熔化凝固，獲得與基材冶金結(jié)合的涂層。激光熔覆層具有耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等優(yōu)異性能。該技術(shù)自1974年由美國的D. S. Gnanamuth[1]提出以來，已取得長足進展。硬質(zhì)相耐磨材料由粘接相與硬質(zhì)相組成，分別起粘結(jié)作用和強化作用。粘接相與金屬基材冶金結(jié)合;硬質(zhì)相以固體顆粒形式分布在熔覆層內(nèi)部，以提高耐磨性，其中以碳化鎢（WC）應(yīng)用最為廣泛。

WC為六方晶格結(jié)構(gòu)，理論密度為15.77 g/cm3，熔點2 600～2 870 ℃，硬度可達2 000 HV以上，WC可與Co形成固溶體，與Co有好的濕潤性[2]。WC顆粒在金屬表面的激光合金化研究較早見于美國海軍研究實驗室[3]，在鋁合金和鈦合金表面形成厚度約為1 mm的高耐磨性WC/TiC合金化層。WC作為硬質(zhì)相用于激光熔覆，最早見于美國巴特爾實驗室[4]，將WC等硬質(zhì)顆粒加入Co基粉末，獲得了較高硬度的耐磨熔覆層。20世紀80年代末以來，國內(nèi)學者針對WC材料激光熔覆技術(shù)進行了廣泛研究[5-7]。

WC材料激光熔覆層具有較高硬度和耐磨性，激光熔覆過程中的熱歷程、熔池對流、元素分解與擴散、熱應(yīng)力是影響WC熔覆層性能與缺陷的重要因素，在激光熔覆制備過程存在一系列科學與工程技術(shù)難題，國內(nèi)外學者已做了大量工作[8-10]。從復雜物理現(xiàn)象中提取科學問題，并對這些科學問題開展研究工作具有重大意義。

1 WC材料激光熔覆關(guān)鍵問題

激光與熔覆層材料相互作用熱歷程會影響微觀組織演化與熱應(yīng)力;熔池流動為WC顆粒在熔覆層中的分布提供驅(qū)動力;WC顆粒分解，使C和W元素隨熔池流動與熔覆層中的其他元素發(fā)生相互作用，形成復雜化合物，尤其是C元素與空氣中的O發(fā)生反應(yīng)，會引發(fā)熔覆層氣孔，作為裂紋源頭，造成涂層開裂、腐蝕等失效問題。

1.1 熱歷程與微觀組織演化

激光熔覆熱歷程對熔池演化、晶粒形核與生長、化合物有重要影響，決定了熔覆層微觀組織。波蘭波茲南工業(yè)大學Dariusz Bartkowski[11]等人研究了激光功率對WC/Stellite-6熔覆層微觀組織與耐磨性的影響，加入60%WC后，微觀組織由樹枝晶向共晶混合物轉(zhuǎn)變。中國石油大學韓彬等[12]分析了掃描速度對組織和耐磨性的影響，隨著掃描速度的增大，底部柱狀晶外延生長層寬度減小，組織晶粒細化，顯微硬度增大，耐磨性提高。哈爾濱工業(yè)大學李福泉等[13]研究了NiCrFeBSi粉末中不同WC含量引起的熔覆層微觀組織變化，如圖1所示，WC質(zhì)量分數(shù)為20%時，熔覆層主要包含γ-（Fe，Ni）樹枝晶和晶間富W碳化物;WC質(zhì)量分數(shù)為33%時，熔覆層由大量團絮狀共晶組織組成，其中心為塊狀M23C6，周圍為M23C6和γ-（Fe，Ni）組成的共晶組織;WC質(zhì)量分數(shù)為50%時，熔覆層中生成了大量塊狀M6C、雪花狀M23C6和針狀Cr4Ni15W組織。

清華大學鐘敏霖等[14]研究了不同WC含量Co基熔覆層的凝固特征，WC質(zhì)量分數(shù)為0～36%時，凝固特征以共晶枝晶和枝晶間共晶為主導，WC完全溶解，凝固組織包含α-Co、α-CoCr和M7C3類碳化物;WC質(zhì)量分數(shù)為45%～100%時，凝固特征以各種塊狀、花狀、蝴蝶狀及星狀析出物和基體為主導，大部分WC溶解，微觀組織包含WC、Co和各種Co-W-C/Fe-W-C復雜碳化物。WC含量對涂層不同區(qū)域組織變化趨勢也有影響。上海交通大學黃堅等[15]對WC/NiCrFeBSi合金熔覆層上下部區(qū)域的顯微組織進行了分析，隨著WC含量增加，熔覆層上部區(qū)域γ-Ni枝晶先粗化后變細，熔覆層下部區(qū)域枝晶組織持續(xù)增多且粗化。英國劍橋大學Martin SPARKES等[16]采用超音速激光沉積技術(shù)獲得WC-Ni基涂層，在超音速激光沉積涂層中的相主要有Cr7C3、Cr23C6、FeNi和WC，與激光熔覆涂層相組成有顯著不同，具有更高的硬度和耐磨性。

1.2 熔池流動與元素擴散

對于WC材料激光熔覆，熔池流動的影響主要體現(xiàn)在WC顆粒分布上，熔池流動性越差，WC顆粒傾向于沉積在熔池底部，隨著熔池流動性的增強，WC顆粒分布則趨向均勻。西班牙奧維爾多大學Fernández M R[17]等在NiCrFeBSi合金粉末中添加WC進行激光熔覆，如圖2所示，WC顆粒沉積在熔池底部，提出應(yīng)根據(jù)涂層表面的WC含量來評估涂層摩擦磨損性能，涂層表面的WC含量與粉末設(shè)計中WC含量之間的關(guān)系有待進一步研究，用以指導在生產(chǎn)過程中WC含量的選擇。信陽師范學院余本海等[18]研究發(fā)現(xiàn)，電磁攪拌加速了熔池的傳熱、傳質(zhì)和對流過程，大大增加了熔池的過冷度并提高了形核率，使熔覆層組織細化和均勻化。江蘇大學周建忠等[19]研究了電磁復合場輔助激光熔覆技術(shù)制備IN718/WC復合涂層，復合電磁場產(chǎn)生了向下的安培力，增強了熔池中的Marangoni對流，強化的Marangoni對流使WC顆粒在復合涂層中均勻分布。比利時陶瓷研究中心Deschuyteneer D[20]等研究發(fā)現(xiàn)250～400 μm尺寸WC顆粒受重力作用到達熔池底部，在Manragoni對流作用下移動到熔池邊緣。

波蘭西里西亞工業(yè)大學Damian Janicki[21]發(fā)現(xiàn)帶棱角WC顆粒在熔池中更易溶解，但帶棱角WC顆粒增強Ni基涂層的耐磨性要高于球形WC顆粒增強Ni基涂層，如圖3所示，這是帶棱角WC顆粒間的互鎖機制導致的。此結(jié)論和Deschuyteneer D[20]得到的結(jié)論不相符，可能原因是兩者設(shè)計的WC含量不同，Deschuyteneer D所使用粉末中WC顆粒含量為30%，而Damian Janicki所使用粉末中WC含量為60%，不同的WC顆粒含量會引起磨損機制的變化，推測只有當WC顆粒含量超過一定閾值后，互鎖機制才會顯示出明顯作用。

1.3 WC顆粒溶解與熱損傷

WC顆粒溶解過程是漸變的，對于一個WC顆粒，部分WC溶解進入熔池，殘余WC仍以顆粒形式存在，部分溶解可認為是一種熱損傷過程。波蘭礦冶大學J. Przybylowicz等[22]研究發(fā)現(xiàn)，WC顆粒在熔池溶解形成的二次碳化物硬度偏低，因此需要抑制激光熔覆WC顆粒溶解。英國諾丁漢大學J. Folkes等[23]發(fā)現(xiàn)WC顆粒會隨著基材表面的熔化擴散至基材內(nèi)部，形成Ti、W的碳化物（TiC、W2C）。英國諾丁漢大學A. T. Clare等[24]研究了激光工藝參數(shù)對WC顆粒在熔池中演變的影響，增加單位長度激光能量和降低掃描速度都會增大WC顆粒的溶解。天津工業(yè)大學周圣豐等[25-26]比較了激光熔覆與激光感應(yīng)復合熔覆在獲得WC/Ni基熔覆層之間的差別，提出WC顆粒的三種熱損傷機制：溶解—擴散、塌陷—溶解—析出、濕陷—溶解—擴散機制的控制，如圖4所示。

1.4 熱應(yīng)力與缺陷控制

WC材料激光熔覆缺陷主要為裂紋和氣孔。大部分裂紋缺陷是熱應(yīng)力積累等原因所致。哈爾濱工業(yè)大學李俐群等[27]研究了WC材料激光熔覆裂紋萌生機理，裂紋在WC顆粒中萌生，并沿共晶相擴展，多層熔覆帶來的熱應(yīng)力循環(huán)加速了裂紋萌生和擴展的速度，如圖5所示。

山東大學李亞江等[28]對Ni60/WC熔覆層的剪切強度和斷裂特征進行研究，熔覆層抗剪強度達到279.8 MPa以上，超過母材的75%。斷口分析表明，熔覆層界面具有脆性—韌性混合斷裂特征，WC顆粒在界面上沉積，能夠削弱界面結(jié)合強度。中科院半導體所的林學春等[29]研究了基材成分對Ni基WC涂層內(nèi)缺陷的影響，Ni和Cr元素含量高的基材上的涂層氣孔和裂紋明顯較少;基材的導熱性能對涂層的稀釋率與性能具有明顯影響。

通過引入輔助工藝可以顯著改善缺陷。美國南衛(wèi)理公會大學的Radovan Kovacevic等[30-31]引入感應(yīng)加熱系統(tǒng)，使熔池演變均勻平順，獲得的熔覆層也更為均勻，且沒有裂紋與孔洞。同時指出WC顆粒含量梯度變化是減少熔覆層裂紋的一種可行方式。西班牙拉科魯尼亞大學M. J. Tobar等[32]利用送粉系統(tǒng)的延遲來獲得長度方向上WC含量的等距變化。日本大阪工業(yè)科學技術(shù)研究所Yamaguchi等[33]研究了氧濃度對WC-Co激光熔覆的影響，結(jié)果表明，較低的氧濃度和優(yōu)化的熱輸入可以有效防止激光熔覆過程中碳氧反應(yīng)引起的氣孔和脫碳。伊朗Malek Ashtar技術(shù)大學Erfanmanesh等[34]研究發(fā)現(xiàn)在納米結(jié)構(gòu)WC-12Co激光熔覆過程，氬氣保護的顯微硬度和孔隙率比無氬氣保護的顯著提高，孔隙率降低到1%以下。上海交通大學的李鑄國等[35]通過改變粉末配比，在熔覆層厚度方向上獲得了WC含量逐漸變化的多層熔覆層，實現(xiàn)裂紋和氣孔等缺陷的有效抑制。華南理工大學劉江文等[36]在310S不銹鋼表面激光熔覆Inconel625-10%WC粉末，對熔覆層進行550 ℃保溫2 h的退火處理，并對比退火前后熔覆層的抗熱震性能，發(fā)現(xiàn)退火處理能緩解熔覆層內(nèi)部的殘余應(yīng)力，減少位錯等缺陷，提高熔覆層的抗熱震性能。

1.5 碳化鎢涂層的磨損機理

微觀組織直接決定了涂層耐磨性。浙江工業(yè)大學姚建華等[37]針對Co基WC激光熔覆層，發(fā)現(xiàn)涂層中主要為Co、CoCx、Fe3W3C、（Cr，F(xiàn)e）23C6，依靠硬質(zhì)相CoCx、Fe3W3C、（Cr，F(xiàn)e）23C6及磨損過程中CoO、CoO、Cr2O3等氧化物的作用，涂層的室溫/高溫耐磨性能都高于基體2倍以上，在600 ℃時，熔覆層磨損機制為磨粒磨損和粘著磨損。北京航空制造工程研究所鞏水利等[38]在TA15鈦合金基材表面激光同軸送粉熔覆Ni60A-Ni包WC-TiB2-Y2O3混合粉末，涂層主要由γ-（Fe，Ni），WC，α-W2C，M12C，Ti-B化合物，Ti-Al金屬間化合物，Mo，Zr與V元素的碳化物以及非晶相構(gòu)成，主要磨損機制為磨粒磨損與粘著磨損，納米晶顆?？墒雇繉幽p表面光滑，有利于摩擦系數(shù)與磨損量的降低。北京航空航天大學王華明等[39]在TA15鈦合金表面制備了WC/TA15激光熔覆層，初生（TiW）C/TiC相和（TiW）C+（Ti，W）共晶組織組成硬質(zhì)相，涂層在磨料磨損及干滑動磨損條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能，較鈦合金基材耐磨性能提高幾十至上百倍，如圖6所示。廣東工業(yè)大學揭曉華等[40]使用脈沖激光獲得了Co基WC涂層，在溫度高于200 ℃時，熔覆層的磨損機制表現(xiàn)為磨粒磨損與粘著磨損;200～500 ℃時，磨損機制轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微擦傷與氧化磨損共同作用;600 ℃時磨損機制為塑性涂抹，熔覆層摩擦系數(shù)與磨損量均隨溫度的升高而降低。廣東科學院Ma等[41]在PH13-8Mo鋼上激光熔覆NiCrBSi-WC涂層，涂層摩擦系數(shù)0.28，磨損率3.92±0.72×10×6 m3/（N·m）。

2 工程應(yīng)用

WC硬質(zhì)相激光熔覆在工業(yè)應(yīng)用中的研究逐漸增多。瑞典H?gan?s公司R. Seger[42]對多種商業(yè)WC顆粒進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)球形鑄造WC耐磨性最好，其次是熔融破碎WC和單晶WC，燒結(jié)Co包WC在重疊區(qū)域的耐磨性較差，但其涂層的表面粗糙度要優(yōu)于其他材料。英國諾丁漢大學Clare A T[43]等探索了Ti-6Al-4V/WC涂層作為抗水射流沖擊掩模材料的可能性，熔覆層中WC質(zhì)量分數(shù)達到76%后，在受平面水射流和磨料水射流作用下，熔覆層抗腐蝕性分別達到基材的13倍和8倍。西班牙IK4科技大學Josu Leunda等[44]研究了WC耐磨材料在復雜腔內(nèi)表面激光熔覆應(yīng)用，采用預(yù)熱和制備緩沖涂層的方法，實現(xiàn)了無缺陷NiCr/WC復合涂層。比利時VITO的Jo. Verwimp等[45]在H11熱作模具鋼表面獲得無缺陷50%WC/Ni基涂層，發(fā)現(xiàn)預(yù)熱是獲得無缺陷涂層的必要前提。中國科學院半導體研究所趙樹森等[46]采用60%WC-12Co/Ni材料，成功實現(xiàn)了煤化工領(lǐng)域Mogas特種閥門內(nèi)流道沖蝕缺陷激光修復。湖南大學宋立軍等[47]利用WC/316不銹鋼粉末修復了304不銹鋼表面的梯形槽，隨著WC含量增加，磨損機制由粘著磨損變?yōu)槟チＤp。WC材料激光熔覆應(yīng)用報道日漸增多，說明以WC為代表的硬質(zhì)相材料激光熔覆具有廣闊的應(yīng)用前景，需要不斷挖掘和探索。

3 結(jié)論

（1）WC材料激光熔覆技術(shù)能夠顯著提高材料表面的耐磨性。對WC復合材料激光熔覆的熱歷程與微觀結(jié)構(gòu)演化、熔池流動與元素擴散、WC顆粒分解與熱損傷、熱應(yīng)力與缺陷控制、磨損機理等方面開展了廣泛基礎(chǔ)于應(yīng)用研究，取得顯著研究成果，在一定程度上促進了工業(yè)應(yīng)用。

（2）WC復合材料激光熔覆在仍面臨大面積熔覆氣孔與裂紋難題，包括：WC顆粒沉降機理與勻化;WC分解與缺陷抑制、WC材料的激光噴涂新技術(shù)等，需要進行深入研究，以其解決WC材料大面積高效高質(zhì)量激光熔覆面臨的技術(shù)瓶頸。

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