激光熔覆60%WC-Ni涂層參數(shù)及性能研究*

張理 畢貴軍 曹立超 常云龍

激光熔覆60%WC-Ni涂層參數(shù)及性能研究*

張理1,2畢貴軍1,2曹立超2常云龍1,3

（1.廣東中科德弗激光科技有限公司，廣東 佛山 528000 2.廣東省科學(xué)院智能制造研究所，廣東 廣州 510070 3.沈陽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110000）

鎳基碳化鎢（WC-Ni）復(fù)合材料是常用的激光熔覆材料之一，可有效改善材料表面的耐磨性。但由于碳化鎢（WC）屬于硬脆材料，受熱易分解、溶解、氧化等，導(dǎo)致熔覆層中WC體積分?jǐn)?shù)受限，且涂層容易存在裂紋。因此，當(dāng)前針對該種材料的激光熔覆研究主要集中于較低的WC含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)<50%）。為進(jìn)一步探究高含量WC（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞50%）鎳基合金的激光熔覆層性能，首先，以60%WC-Ni粉末為激光熔覆材料，以CCS-B鋼板為基材，分別研究激光功率、送粉速度、激光掃描速度對熔覆層寬度、高度及稀釋率的影響規(guī)律；然后，確定合適的熔覆參數(shù)組合，并在基材表面加工制備熔覆層；最后，分別對基材和熔覆層進(jìn)行硬度和摩擦磨損實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果顯示：與基材相比，熔覆層平均硬度達(dá)到81.44 HRC，提高了5.45倍；同樣時(shí)間內(nèi)摩擦磨損量降低93.6%，摩擦系數(shù)降低12.37%，熔覆層的硬度和耐磨性均獲得顯著提升。

激光熔覆；工藝參數(shù)；硬度；耐磨性

0 引言

激光熔覆技術(shù)是一種以高能量密度激光束為熱源，將特定材料融化在基材表面，從而形成一層具有特定性能熔覆層的新型材料表面改性方法[1]。該方法因具有熔覆層與基材形成強(qiáng)度較高的冶金結(jié)合、基體熱變形量小、基體對熔覆層稀釋率低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于金屬材料工件的表面強(qiáng)化、修復(fù)等領(lǐng)域[2]。

Ni基合金粉末潤濕性、耐磨性、耐腐蝕性較好，并具有高溫自潤滑的作用，在激光熔覆領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛[2-3]。WC具有硬度高、耐磨性好的特點(diǎn)，并與Ni基材料之間的潤濕性較好[4]。因此，激光熔覆WC顆粒增強(qiáng)Ni基合金涂層具有較好的耐磨性，該方法是近些年的研究熱點(diǎn)并逐步在工業(yè)界獲得廣泛應(yīng)用[2]。王開明等[2]在Ni60A粉末中加入20%WC，發(fā)現(xiàn)隨著激光功率的增大，熔覆層平均硬度先增大后減小，當(dāng)激光功率為2 500 W時(shí)獲得最高硬度。他們還研究了WC含量對激光熔覆Ni基WC復(fù)合涂層組織和性能的影響[4]，并指出WC的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，熔覆層耐磨性能最好，耐磨性為Ni60A涂層的3倍以上。李福泉等[5]制備了WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%、33%、50%的Ni基熔覆層，硬度分別達(dá)到730、760、810 HV。戎磊等[6]在CCS-B鋼板上熔覆WC顆粒增強(qiáng)Ni基合金涂層，當(dāng)WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到30%時(shí)，熔覆層平均硬度達(dá)到基體硬度的4倍。臧春城等[7]用激光熔覆制備的Ni60+35WC-Ni涂層，硬度和耐磨性都顯著提高。雷靖峰等[8]研究U71Mn鋼表面激光熔覆Ni60-25%WC涂層發(fā)現(xiàn)，送粉量是熔覆層的最大影響因子。王燕琳等[9]利用激光熔覆在高速鋼試件表面制備了WC含量為35%的Ni基WC條紋，由于WC彌散強(qiáng)化及條紋散熱等作用，耐磨性顯著提高。丁陽喜[10]用Ni60、Ni60+15%WC、Ni60+30%WC三種成分的合金粉末進(jìn)行激光熔覆研究，研究結(jié)果表明：

Ni60+30%WC熔覆層的硬度為67～68 HRC；在加入WC硬質(zhì)相后，熔覆層的硬度變化不大，耐磨性卻獲得較大提高，相應(yīng)的脆性和產(chǎn)生裂紋的傾向增大了。

陳永剛[11]采用預(yù)置涂層法在基材45#鋼表面熔覆了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的鎳基WC復(fù)合涂層，經(jīng)過工藝優(yōu)化，獲得的涂層耐磨性是淬火45#鋼的7倍、Ni60涂層的5倍。除不銹鋼外，趙偉等[12]還在Cu-Cr-Zr三元銅合金表面制備了Ni添加WC顆粒的合金熔覆層，熔覆層平均硬度可達(dá)基體的7倍以上，耐腐蝕性也明顯提升。

由于WC屬于硬脆材料，受熱易分解、溶解、氧化等，導(dǎo)致熔覆層中WC體積分?jǐn)?shù)受限，且涂層容易存在裂紋。如李鐳昌等[13]研究發(fā)現(xiàn)，WC組織演變對裂紋產(chǎn)生的影響主要是由殘余WC顆粒內(nèi)部開裂形成裂紋源，與硬質(zhì)相元素引起成分偏析的作用產(chǎn)生；路程[14]也發(fā)現(xiàn)熱震循環(huán)會導(dǎo)致部分Ni基球形WC熔覆層的開裂損傷。

因此，當(dāng)前針對該種材料的激光熔覆研究主要集中在較低的WC含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)<50%）。為進(jìn)一步探究高含量WC（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞50%）鎳基合金的激光熔覆層性能，本文以60%WC-Ni粉末為激光熔覆材料，在CCS-B鋼板上進(jìn)行不同激光熔覆參數(shù)的研究，分析工藝參數(shù)對熔覆層質(zhì)量、形貌、顯微組織的影響，并測試熔覆層的硬度及耐磨性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

本次實(shí)驗(yàn)光源采用德國IPG公司摻雜鐿（Yb）稀土離子的YLS-6000-S2T型光纖激光器，最大功率為6 000 W；激光頭為大族激光的FCH10并搭載三路同軸送粉噴嘴；送粉系統(tǒng)為瑞士Metco公司的Twin-150型雙桶送粉器，送粉速度為2～150 g/min；送粉氣體及保護(hù)氣體均采用純度為99.999%的氬氣。激光頭及送粉噴嘴搭載在德國KUKA公司的KR-60HA型機(jī)器人上，機(jī)器人重復(fù)定位精度為±0.05 mm，額定負(fù)載為60 kg，打印過程在KUKA的KP2-HV HW雙軸變位機(jī)上完成。實(shí)驗(yàn)設(shè)備平臺如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備平臺

本次實(shí)驗(yàn)采用的基體材料為船舶常用的CCS-B鋼板，尺寸為100 mm×100 mm×5 mm，成分如表1所示；熔覆粉末選用比利時(shí)H?gan?s公司的鎳包碳化鎢粉末，其中WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，成分如表1所示，鎳包碳化鎢粉末微觀形貌如圖2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)材料成分表

圖2 鎳包碳化鎢粉末微觀形貌

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

激光熔覆過程中需要將激光功率、送粉速度、激光掃描速度（熔覆速度）、送粉氣體及保護(hù)氣的壓力和流量等多個(gè)參數(shù)優(yōu)化組合，才能獲得高質(zhì)量的熔覆層。其中，激光功率、送粉速度和激光掃描速度這3個(gè)參數(shù)對熔覆層的影響較大。熔覆層的幾何形狀包括熔覆寬度、熔覆高度和熔覆深度。在激光熔覆過程中，稀釋率是指熔覆粉末和基體材料在激光的作用下熔化，基體材料進(jìn)入熔覆層，導(dǎo)致熔覆層成分發(fā)生變 化[15]，其計(jì)算公式[16-17]為

式中：

——熔覆深度；

——熔覆高度。

其中，熔覆高度和熔覆深度可以在顯微圖片中通過測量得出具體數(shù)值。在保證熔覆層和基體之間沒有缺陷，形成冶金結(jié)合的前提下，需盡量控制稀釋率。稀釋率過高，可能導(dǎo)致基體過度稀釋涂層，涂層開裂、變形傾向增加、性能降低[18]，且材料未能有效形成涂層，利用率降低。而稀釋率過低，可能導(dǎo)致基體與涂層結(jié)合不好，涂層剝落[19]。本次實(shí)驗(yàn)獲得的代表性合金熔覆層橫截面形貌如圖3所示。

圖3 本實(shí)驗(yàn)獲得的代表性合金熔覆層橫截面形貌圖

本次實(shí)驗(yàn)通過控制變量法，在分別單獨(dú)改變激光功率、送粉速度、激光掃描速度的情況下，測量單道熔覆的高度、寬度、深度，并計(jì)算稀釋率，以探究單工藝參數(shù)對熔覆層質(zhì)量的影響。

本次實(shí)驗(yàn)選取激光功率變量分別為800、900、 1 000、1 100和1 200 W五組數(shù)據(jù)，送粉速度分別為5.5、11.0、16.5、22.0和27.5 g/min；激光掃描速度分別為300、600、900、1 200和1 500 mm/min。根據(jù)以上數(shù)據(jù)獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取合適的熔覆參數(shù)，對基體進(jìn)行多層多道熔覆，觀察熔覆結(jié)果，并將基體和熔覆結(jié)果分別進(jìn)行硬度、摩擦磨損等實(shí)驗(yàn)測試，對比基體和熔覆層的耐磨性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)以往實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)及參考文獻(xiàn)，本次實(shí)驗(yàn)將光斑直徑固定為2.5 mm，保護(hù)氣體壓力為0.1 Mpa，流量為15 L/min，送粉氣體壓力為0.1 MPa，流量為15 L/min。

1）探究激光功率對熔覆層形貌的影響。固定送粉速度為11.0 g/min，激光掃描速度為600 mm/min，激光功率為800～1 200 W，每次實(shí)驗(yàn)增加100 W，共5組，其宏觀形貌如圖4所示。垂直于掃描方向分別切割熔覆層，并經(jīng)研磨、拋光后，在顯微鏡下測量各部分尺寸，計(jì)算稀釋率，結(jié)果如表2所示。

圖4 不同激光功率下熔覆層的宏觀形貌

表2 不同激光功率下熔覆層的尺寸及稀釋率

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，整理獲得圖5，更為直觀地觀察激光功率對熔覆層形貌的影響。

從圖5可以看出：隨著激光功率增加，熱輸入也增加，單道熔覆的高度、寬度、深度、稀釋率均有所提高，該結(jié)果與張雪[20]、李震等[21]的研究結(jié)論相符；當(dāng)激光功率從800 W增加到1 200 W時(shí)，單道熔覆高度從439.05 μm增加到537.15 μm，寬度從2 189.5 μm增加到2 434.76 μm，稀釋率從23.99%增加到31.09%；當(dāng)激光功率增加50%時(shí)，熔覆高度、寬度、稀釋率分別增加了22.34%、11.20%、29.60%。相比之下，激光功率對熔覆高度和稀釋率的影響更為明顯。在激光功率從800 W增加到900 W時(shí)，稀釋率增加了19%，增加明顯，而隨后增加速度平緩，激光功率從900 W增加到1 200 W時(shí)，稀釋率僅增加了9.33%。

圖5 激光功率對熔覆層形貌的影響

2）探究送粉速度對熔覆層形貌的影響。固定激光功率為900 W，激光掃描速度為600 mm/min，送粉速度為5.5～27.5 g/min，每次實(shí)驗(yàn)增加5.5 g。其中送粉速度為11.0 g/min時(shí)與圖4的2號一致。不同送粉速度下，熔覆層的宏觀形貌如圖6所示，熔覆層的尺寸及稀釋率如表3所示。

圖6 不同送粉速度下熔覆層的宏觀形貌

表3 不同送粉速度下熔覆層的尺寸及稀釋率

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，整理獲得圖7，更為直觀地觀察送粉速度對熔覆層形貌的影響。

從圖7可以看出：隨著送粉速度增加，單道熔覆的高度和寬度均有所增加，稀釋率快速降低；當(dāng)送粉速度從5.5 g/min增加到27.5 g/min時(shí)，熔覆寬度從 2 238.57 μm增加到2 382.86 μm，高度從254.29 μm增加到990.00 μm，而稀釋率從50.14%降至2.76%；當(dāng)送粉速度增加400%時(shí)，熔覆高度增加了289.32%，熔覆寬度僅增加了6.45%，而稀釋率降低了94.50%，說明送粉速度對熔覆高度、深度和稀釋率的影響較大，而對熔覆寬度影響較小。

3）探究激光掃描速度對熔覆層形貌的影響。固定激光功率為900 W，送粉速度為11.0g/min，激光掃描速度為300～1 500 mm/min，每次實(shí)驗(yàn)增加300 mm/min。其中激光掃描速度為600 mm/min時(shí)與圖4中的2號一致。不同激光掃描速度下，熔覆層的宏觀形貌如圖8所示，熔覆層的尺寸及稀釋率如表4所示。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)，整理獲得圖9，更為直觀地觀察激光掃描速度對熔覆層形貌的影響。

圖8 不同激光掃描速度下熔覆層的宏觀形貌

表4 不同激光掃描速度下熔覆層的尺寸及稀釋率

圖9 激光掃描速度對熔覆層形貌的影響

由圖9可知：隨著激光掃描速度增加，熱輸入降低，熔覆的高度、寬度均有所下降，而稀釋率卻明顯增大；當(dāng)激光掃描速度從300mm/min增加到1 500mm/min時(shí)，熔覆高度從864.76μm下降到224.29μm，熔覆寬度從2 402.38 μm下降到1 739.05 μm，而稀釋率從17.45%增加到42.63%；當(dāng)激光掃描速度增加400%時(shí)，熔覆高度、寬度分別降低了74.06%、27.61%，稀釋率則增加了144.24%，說明激光掃描速度對于熔覆高度和稀釋率的影響更大。在激光掃描速度增加的過程中，熔覆高度先急劇下降，達(dá)到600 mm/min后則開始平緩下降，稀釋率也隨著激光掃描速度的增加而增加并趨于平緩。

為進(jìn)一步驗(yàn)證激光熔覆WC-Ni涂層的性能，從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果中選取合適的參數(shù)進(jìn)行多層多道熔覆實(shí)驗(yàn)。當(dāng)激光功率取900 W，送粉速度取11.0 g/min，激光掃描速度取600 mm/min時(shí)，單道熔覆層的熔覆高度為469.35 μm，寬度為2 294.03 μm，稀釋率為28.88%，結(jié)果比較合適。因此，選擇此參數(shù)組合進(jìn)行多層多道熔覆實(shí)驗(yàn)，送粉氣體及保護(hù)氣體為氬氣，多層多道熔覆的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表5所示。

表5 多層多道熔覆實(shí)驗(yàn)參數(shù)

為保證熔覆效果及消除熔覆層的力學(xué)各向異性，本次實(shí)驗(yàn)采用0° ～ 90°打印測量，打印路徑及打印后表面成型情況如圖10所示。共打印3層，測量可得熔覆層的總厚度為2.3 mm，長寬均為40 mm，表面成型良好。

圖10 多層多道熔覆策略及結(jié)果

將熔覆結(jié)果進(jìn)行切割、并用金相砂紙進(jìn)行研磨、拋光后，在顯微鏡下觀察熔覆層的顯微組織如圖11所示。

從圖11可以看到：球形WC均勻分布在熔覆層內(nèi)部，潤濕性良好；界面處熔覆層與基體結(jié)合性良好，未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋等明顯缺陷。

隨機(jī)選取基體和熔覆層5處，利用洛氏硬度計(jì)分別對其硬度進(jìn)行測量，結(jié)果顯示基體的平均硬度為12.62 HRC，鎳基碳化鎢涂層的平均硬度為81.44 HRC，相比于基體，熔覆層的硬度提高了5.45倍。

分別從基體和熔覆層取樣，樣品為半徑5 mm的圓柱形，通過旋轉(zhuǎn)式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對兩者進(jìn)行干摩擦磨損測試。選用的對摩擦副為4 mm氧化鋁球，轉(zhuǎn)速為200 r/min，載荷1 000 g，摩擦?xí)r間為30 min，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如表6所示。

表6 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

經(jīng)過摩擦磨損實(shí)驗(yàn)測試后，可計(jì)算得出，基體磨損量為12.5 mg，鎳基碳化鎢熔覆層磨損量為0.8 mg。同等條件下，鎳基碳化鎢熔覆層的磨損量降低了93.6%；基體與對摩擦副之間的摩擦系數(shù)為0.446 2，而鎳基碳化鎢熔覆層摩擦系數(shù)為0.391 0，摩擦系數(shù)降低了12.37%。

3 結(jié)論

本文分別探究了激光功率、送粉速度、激光掃描速度3個(gè)單獨(dú)變量對單道熔覆層形貌的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）隨著激光功率增加，熔覆高度、寬度及稀釋率均會有所增大，激光功率達(dá)到900 W后，再增加激光功率，稀釋率增加不明顯；

2）隨著送粉速度增加，熔覆高度顯著增加，稀釋率急劇下降，送粉速度對熔覆高度以及稀釋率的影響較大，而對熔覆寬度的影響較?。?/p>

3）激光掃描速度對熔覆高度及稀釋率的影響較大，隨著激光掃描速度增加，熔覆高度、寬度均有所下降，而稀釋率則明顯提升，超過600 mm/min后，熔覆下降高度趨于平緩。

激光熔覆WC涂層能夠顯著提高基材的硬度以及耐磨性，本次實(shí)驗(yàn)獲得的激光熔覆鎳基碳化鎢涂層硬度較基體提高了5.45倍，達(dá)到81.44 HRC，耐磨性提高了10倍以上。

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Study on Parameters and Properties of Laser Cladding 60%WC-Ni Coating

ZHANG Li1, 2BI Guijun1, 2CAO Lichao2CHANG Yunlong1, 3

(1. Guangdong, CAS Dofortune Laser Technology Co., Ltd. Foshan 200240, China 2. Institute of Intelligent Manufacturing, GDAS, Guangzhou 510070, China 3. School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110000, China)

WC-Ni matrix composite is one of the commonly used laser cladding materials, it is able to effectively improve the wear resistance of the material surface. However, as WC is a hard and brittle material, it is easy to decompose, dissolve and oxidize when heated, leading to the limited volume fraction of WC in the cladding layer, and the coating is prone to crack. Therefore, the current laser cladding research on this material mainly focuses on the low WC content (mass fraction<50%). In order to further explore the laser cladding properties of high content WC nickel-based alloy (mass fraction>50%), 60%WC-Ni powder was used as laser cladding material, and CCS-B steel plate was used as the base material in this work. The effects of laser power, powder feeding rate and cladding speed on the width, height and dilution rate of the cladding layer were studied respectively. Finally, the appropriate combination of cladding parameters was determined, and the cladding layer was formed on the surface of the substrate. The hardness, friction and wear tests of substrate and cladding layer were carried out respectively, results showed that the average hardness of the cladding layer is 81.44HRC, 5.45 times higher than that of the matrix, the abrasion loss and wear coefficient were reduced by 93.6% and 12.37% in the same time. The hardness and wear resistance of the cladding layer are significantly higher than that of the matrix ascension.

laser cladding; process parameters; hardness; wear resistance

TG174.44

A

1674-2605(2022)02-0001-08

10.3969/j.issn.1674-2605.2022.02.001

張理，男，1990年生，博士研究生、助理研究員，主要研究方向：激光增材制造。E-mail: l.zhang@giim.ac.cn

畢貴軍，男，1971年生，博導(dǎo)，研究員，主要研究方向：激光增材制造。

曹立超，男，1991年生，碩士，工程師，主要研究方向：爬壁機(jī)器人、增材制造。

常云龍，男，1963年生，博導(dǎo)，教授，主要研究方向：焊接及增材制造。

基金項(xiàng)目：佛山市科技創(chuàng)新項(xiàng)目（FS0AA-KJ919-4402-0101）

張理,畢貴軍,曹立超,等.激光熔覆60%WC-Ni涂層參數(shù)及性能研究[J].自動化與信息工程,2022,43(2):1-7,22.

ZHANG Li, BI Guijun, CAO Lichao, et al. Study on parameters and properties of laser cladding 60%WC-Ni coating[J]. Automation & Information Engineering, 2022,43(2):1-7,22.