60 %wt WC鎳基涂層組織及耐磨性研究

崔 靜,李洪威,楊廣峰

(1.中國民航大學航空工程學院,天津 300300;2.中國民航大學交通科學與工程學院,天津 300300)

1 引 言

AF1410是一種損傷容限超高強度馬氏體鋼,是飛機起落架的重要鋼材之一,也適用于飛機上的承力梁、連接件和平尾大軸等結構[1-2],其使用過程中承受嚴重的摩擦磨損,因此有必要探索改進涂層技術以提升該種鋼材對應關鍵零件表面的耐磨性能。

激光熔覆技術生產(chǎn)的涂層具有稀釋率低、熱影響區(qū)窄、晶粒細小等優(yōu)點[4]。鎳基碳化鎢涂層由于引入高硬度的陶瓷相WC兼具優(yōu)良的耐磨性和耐蝕性,Ma Qunshuang等人[5]采用寬帶激光熔覆技術制備WC顆粒增強的Ni60復合涂層,發(fā)現(xiàn)一種由內陶瓷顆粒和細小層狀共晶組成的有芯共晶結構。內部陶瓷為W2B5硼化物,層狀共晶為(Cr,W)23C6和γ-(Ni,Fe)的混合物。對于涂層的力學性能,由于WC顆粒的高硬度和二次碳化物的生成,復合涂層的硬度一般高于基材,在摩擦磨損實驗中表現(xiàn)出更低的摩擦系數(shù)和磨損率從而增強涂層的耐磨性。Xingchen Yan等人[6]在PH 13-8 Mo 鋼表面制備了20 %WC含量的NiCrBSi涂層,測得其最低平均磨損系數(shù)為0.28,最低磨損率為3.92±0.72×10-6mm3/(N·m),然而采用激光熔覆在AF1410鋼表面制備鎳基增強涂層的防護應用卻相對較少。

本實驗選取WC含量為60 %的NiCrBSi粉末,采用激光熔覆技術在AF1410鋼表面變掃描速度制備鎳基WC涂層,主要討論了該含量WC下涂層內顯微組織,硬度及耐磨性,希望對激光熔覆技術在AF1410鋼表面強化領域的應用提供進一步理論支撐。

2 材料及實驗設計

2.1 實驗材料

采用半圓形直徑55 mm,厚9 mm的AF1410鋼基材和商用牌號為52052的NiCrBSi-WC粉末(ASTM B214),粉末的化學成分見表1。

表1 粉末化學成分(wt. %)

2.2 實驗設計

AF1410基體用砂紙打磨,酒精清洗后預熱至150 ℃開始熔覆;激光制造過程使用連續(xù)模式光纖激光器、六軸工業(yè)機器人和同軸送粉移動式激光熔覆系統(tǒng)(MobilMRO-2)進行,加工工藝參數(shù)設定為:保護氣體(氮氣)流量7/15 L/min,光斑直徑3.5 mm,搭接率40 %。加工完畢后放入保溫箱緩慢冷卻。涂層加工參數(shù)包括激光功率和掃描速度如表2所示。激光熔覆工藝示意圖[4]如圖1(a),所選粉末如圖1(b)所示。

表2 激光加工參數(shù)

2.3 性能測試及組織觀察

試樣橫截面拋光后利用金相刻蝕劑(HNO3∶HCl∶HF=1∶1∶1)蝕刻,使用超聲波清洗機(CS-602)清洗樣本以避免污染。利用掃描電子顯微鏡(SEM Hitachi S-3400N)及配套能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)觀察微觀結構并檢測元素種類及含量。使用顯微硬度儀(HVS-1000)沿涂層橫截面從頂部向下至基體間隔150 μm打點測量顯微硬度,載荷0.1 gf,重復測量三次取平均值。對摩擦學測試所用試件打磨至拋光,以Si3N4(1400HV)作為對磨球,在用酒精清洗冷風吹干后使用MPX-3G銷盤摩擦磨損試驗機分別依次測試AF1410鋼基材、經(jīng)激光加工涂層試件的摩擦系數(shù)曲線。測試參數(shù):載荷50 N,摩擦半徑1.5 mm,轉速600 r/min,測試時間60 min,環(huán)境溫度8～16 ℃。測試完畢后采用配套探針式磨痕測量儀測量對應磨損體積。

3 分析與討論

3.1 XRD物相分析

圖2為熔覆層組織的X射線衍射圖,可知熔覆層主要的物相為WC、W2C(亞穩(wěn)態(tài)相)等碳化物及γ-(Ni,Fe)固溶體,此外還有少量M23C6和M3C7碳化物。普通激光熔覆的熔池中的典型溫度約為1800～2300 ℃,熔池內硬質相的溶解與析出反應式如(1)～(6)。熱力學條件下的吉布斯自由能判據(jù)表明[7],WC的標準吉布斯自由能變化在2000 K時約為-33 kJ/mol,原位生成W2C的傾向大于生成WC。吉布斯自由能變化為負,表明反應是自發(fā)的,理論上可能出現(xiàn)WC與W2C共存的狀態(tài),這與檢測結果相符。各參數(shù)下衍射峰形態(tài)高度相似,可見掃描速度不影響生成物相。由W-C二元相圖可知,W和C在Ni溶液中溶解度有限[8],當溫度從2300 ℃開始下降,一定含量的W和C首先會從Ni溶液中析出,從而原位生成亞穩(wěn)態(tài)βW2C/αWC。

圖2 涂層XRD衍射圖譜

2WC→W2C+C

(1)

W2C→2W+C

(2)

W+C→WC

(3)

2W+C→W2C

(4)

23M+6C→M23C6(M=Fe,Ni)

(5)

7M+3C→M7C3(M=Fe,Cr)

(6)

3.2 顯微組織

各試件顯微組織形態(tài)相似,以2#涂層為例,圖3給出了該涂層典型顯微組織照片,涂層底部主要為魚骨狀共晶組織和內部含暗黑色顆粒的蜂窩狀組織。向上觀察如圖3(c),涂層的基本微觀組織以樹枝晶與暗黑色顆粒為主,枝晶區(qū)占據(jù)整個涂層的大部分,主要組成為密集的胞狀或等軸樹枝晶。在涂層的表面枝晶形態(tài)變?yōu)闂l狀矩形(圖3(c)并在WC顆粒周圍沿邊緣呈放射狀外延生長。

圖3 2#試件涂層橫截面各個部位顯微組織

3.3 EDS元素檢測

涂層中部等軸/胞狀枝晶區(qū)某位置局部點掃元素檢測結果如圖4。可知點1幾乎全部由C元素組成,點3和點4含量最多的元素均為W,C,雖然在電子顯微鏡下呈現(xiàn)出兩種不同的物相(塊狀和枝晶狀),但它們的各元素組成和占比十分相似。點2和點5分別對應類似暗黑色顆粒狀和蜂窩壁狀的兩種物相,它們所含的主要元素均為Ni,Fe,C,點2暗黑色顆粒狀物相比點5Ni元素更多而C元素更少。Cr元素主要存在于塊狀碳化物,枝晶和蜂窩壁狀物相中(點3,點4,點5),其中Cr元素在塊狀碳化物中的含量最高,已經(jīng)接近合金的名義成分。

結合XRD分析結果可知,涂層主要的物相為二次生成的W2C枝晶、WC矩形條狀枝晶,γ-(Ni,Fe)固溶體顆粒及各種具有不規(guī)則形態(tài)的M23C6、M7C3型碳化物。WC的在高溫下產(chǎn)生熱損傷,其邊界遭到侵蝕,靠外的部分溶解為游離的W和C原子,然后隨濃度梯度不同析出碳化物枝晶。Ni,Fe的原子半徑接近有較好的冶金相容性,在凝固的過程中優(yōu)先形成以Ni元素為主體的γ-(Ni,Fe)奧氏體并不斷從熔融狀態(tài)的熔池中吸收Ni原子長大,并呈暗黑色顆粒狀形態(tài)。剩余的Ni,Fe,Cr和部分C原子則沿形成的γ-(Ni,Fe)晶粒邊析出M23C6、M7C3。

根據(jù)經(jīng)典的快速凝固理論[9],涂層的微觀特征主要由溫度梯度與凝固速率的比值G/R決定。涂層-基底交界處G/R較大,形成平面晶冶金結合帶,向上溫度梯度逐漸減少,凝固速率逐漸加快,G/R值減小,涂層內組織呈樹枝晶生長?？紤]到空氣的導熱系數(shù)低于金屬基底,在涂層頂部略靠下的位置生成的含W碳化物顆粒尖端有足夠時間形核長大成具有大寬高比的矩形條狀枝晶。沿涂層頂部向下,熔池中隨溫度梯度逐漸減小,由于更快的冷卻速度導致的成分過冷,更多形成了尺寸較小的樹枝晶/胞狀樹枝晶。

由于殘余WC顆粒的熱傳導能力遠高于NiCrBSi,殘余WC顆粒為非均勻異質形核提供了形核點,W原子和C原子依附WC顆粒周圍更容易形核從而沿半徑方向向外輻射狀析出,使得WC顆粒呈鋸齒狀或花瓣狀。WC屬于不等軸晶系,在液相凝固過程中WC的通過溶解-析出機理長大時具有方向性,因此凝固后WC顆粒尺寸較大且呈現(xiàn)矩形狀的棱角[10]。

3.4 硬 度

沿涂層深度方向平均硬度分布情況如圖5所示(避開WC顆粒),可知顯然涂層硬度高于基體,與基體相比,涂層的硬度平均提高了約46 %,其硬度強化機制主要包括首先析出的含W碳化物如WC/W2C/WC0.85等誘導的晶粒細化,以及溶解的W、Cr等大原子固溶在γ-(Ni,Fe)引起晶格畸變產(chǎn)生的固溶強化;晶界析出的M23C6、M7C3等硬質相碳化物也對硬度的提升做出了貢獻[11]。涂層表面硬度較高,過度區(qū)靠近基底處硬度開始快速下降,這很可能與AF1410鋼中的Fe元素混入從而降低了含W碳化物的比例有關,在低掃描速度的情況下(1#和2#),硬度下降區(qū)間較窄,而3#和4#件硬度在距離基底250μm左右就開始下降,這意味著高掃描速度Fe稀釋的程度較大,不利于涂層整體硬度的提升。

圖5 橫截面硬度分布

3.5 摩擦學性能

圖6(a)給出了摩擦磨損實驗的宏觀示意圖,圖6(c)為測試的摩擦系數(shù)結果。摩擦系數(shù)是表征材料耐磨性能的關鍵特征之一,主要和材料表面粗糙度有關[12]?？v觀摩擦系數(shù)曲線,基體在1500轉以后進入穩(wěn)定磨損階段,而涂層的摩擦系數(shù)曲線的“振幅”遠大于基體,并且總體上來看仍然不斷的起伏,這是涂層表面殘余WC顆粒的分布不均導致的。對磨球旋轉一周,凸出的WC顆粒與對磨球激烈的碰撞導致接觸面的摩擦系數(shù)較大,離開WC顆粒后摩擦系數(shù)瞬間減小。如圖6(b)當破碎的WC顆粒和硬質相磨屑粘連到磨痕上發(fā)生加工硬化后,摩擦系數(shù)波動減小,直至硬質層和WC顆粒脆化脫落,新的WC顆粒暴漏出來,進入下一個循環(huán)周期。盡管每一個階段持續(xù)時間不同,NiCrBSi-WC涂層的摩擦系數(shù)曲線整體均呈波動較大—較平穩(wěn)—波動較大的階段周期循環(huán)(圖6(c))。

圖6 摩擦學實驗結果

磨損率的計算公式如式(7)[13],圖6(d)給出了基體和各涂層平均摩擦系數(shù)和磨損率?？芍?在當前激光器參數(shù)下,涂層的平均摩擦系數(shù)處于在0.45～0.5之間且小于基體,高于Xingchen Yan等人制備20 %WC含量NiCrBSi涂層的最低平均摩擦系數(shù)。隨掃描速度改變平均摩擦系數(shù)略微增加,磨損率先增大后減小。NiCrBSi-WC涂層的耐磨性相對于AF410鋼基體得到了極大增強,每個涂層的磨損率平均較基體減少30倍,達到2.02×10-7mm3/(N·m),功率2800 W,10 mm/s參數(shù)下涂層的平均磨損率較基體減少近60倍達到8.78×10-8的量級,約為20 %WC含量NiCrBSi涂層最低磨損率的44倍。

(7)

式中,V為平均磨損體積(mm3);N為施加載荷(N);L為磨痕長度。

4 結 論

本文在AF1410鋼表面激光熔覆WC含量60 %NiCrBSi涂層,分析其顯微組織,硬度和耐磨性。得到以下結論:

(1)鎳基涂層物相主要以呈現(xiàn)為樹枝晶形態(tài)的WC、W2C、WC0.85等含鎢碳化物以及在樹枝晶間隙呈現(xiàn)為暗黑色顆粒的γ-(Ni,Fe)為主,夾雜有少量M23C6、M7C3。

(2)涂層的硬度和耐磨性得到了極大增強,摩擦系數(shù)有所降低,最優(yōu)平均磨損率相對基體減少了近60倍達到8.78×10-8mm3/(N·m)。