Co基超合金粉末激光熔覆修復管件的修復層微觀結(jié)構(gòu)及抗磨損性能

摘要：Co基超合金粉末具有優(yōu)異的綜合性能，特別是耐磨損和耐腐蝕性能良好。在激光熔覆過程中，Co基合金粉末能夠形成致密的熔覆層，與基材形成良好的冶金結(jié)合。Co基超合金粉末激光熔覆修復層具有優(yōu)異的耐磨性能，能夠顯著提高管件等機械零件和工程構(gòu)件的耐磨性，延長其使用壽命，同時具有良好的自熔性和潤濕性，有利于熔覆層的形成與質(zhì)量提升。試驗采用激光熔覆技術(shù)，分別在304不銹鋼基體表面制備WC/Co合金涂層和Co基合金粉末涂層，比較兩種涂層微觀組織及抗磨損性能，為Co基合金粉末激光熔覆修復管件的修復層性能研究提供參考。

關(guān)鍵詞：Co基合金涂層；激光熔覆；修復再制造；微觀結(jié)構(gòu)；耐磨性能

中圖分類號：TG174.44 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）02-00-04

Microstructure and wear resistance of repair layer for Co-based superalloys powder laser cladding repair of pipe fittings

LI Gao1，2

（1. Gansu Vocational amp; Technical College of Nonferrous Metallurgy;

2. Gansu Jinzechuan Additive Manufacturing Co.， Ltd.， Jinchang 737100， China）

Abstract： Co based superalloys have excellent comprehensive properties， especially good wear resistance and corrosion resistance. During the laser cladding process， Co based alloy powder can form a dense cladding layer and form a good metallurgical bond with the substrate. The Co based superalloys powder laser cladding repair layer has excellent wear resistance， which can significantly improve the wear resistance of mechanical parts and engineering components such as pipes， extend their service life， and have good self melting and wetting properties， which is conducive to the formation and quality improvement of the cladding layer. The experiment uses laser cladding technology to prepare WC/Co alloy coating and Co based alloy powder coating on the surface of 304 stainless steel substrate， and compares the microstructure and wear resistance of the two coatings， thus providing reference for the study of the repair layer performance of Co based alloy powder laser cladding repair pipes.

Keywords： Co based alloy coating; laser cladding; repair and remanufacture; microstructure; wear resistance performance

激光熔覆技術(shù)是先進的表面處理技術(shù)，利用高能激光束將所選的涂層合金粉末迅速熔化、擴展并凝固在基材表面，形成一層與基底材料緊密結(jié)合的覆蓋層，能夠改善基體材料的性能，如耐磨損、耐熱、耐腐蝕和抗氧化等[1]。試驗驗證Co基超合金修復層在提升管件等機械零件和工程構(gòu)件耐磨性方面的實際效果，為實際應用提供可靠的數(shù)據(jù)支持。其間深入了解Co基超合金粉末在激光熔覆過程中的行為特性，揭示其微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，明確微觀結(jié)構(gòu)如何影響修復層的抗磨損性能[2]。Co基超合金粉末激光熔覆修復管件的修復層微觀結(jié)構(gòu)及抗磨損性能研究有助于延長機械零件和工程構(gòu)件的使用壽命，為企業(yè)帶來額外的經(jīng)濟收益。

1 激光熔覆技術(shù)原理

激光熔覆是指科學技術(shù)不斷創(chuàng)新下，融合材料、光學、電學、物理及化學等學科的先進技術(shù)，在不同的填料方式下將選擇的涂層材料放置于被涂覆的基體表面，隨后利用高能密度的激光束對涂層材料和基體表面的薄層進行同步加熱，使其迅速熔化[3]。激光熔覆的優(yōu)勢是熔覆質(zhì)量高，冷卻速度快，耐磨、耐腐蝕性良好，能夠在機體表面形成性能優(yōu)良的合金層，提高工件的抗磨損與耐腐蝕性能，延長工件使用壽命，在低成本基材上制備出高性能合金功能層，節(jié)省材料成本[4]。目前，激光熔覆技術(shù)廣泛應用在汽車制造、冶金工業(yè)、航空航天及海洋工程等領(lǐng)域。作為一種綠色制造技術(shù)，激光熔覆技術(shù)可以減少材料浪費，降低能源消耗，有助于實現(xiàn)環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展目標，具有良好的發(fā)展前景[5]。

2 Co基超合金粉末激光熔覆涂層性能研究

2.1 Co基超合金粉末涂層裂紋性能

在Co基超合金粉末激光熔覆涂層性能的研究中，裂紋性能直接影響涂層整體質(zhì)量與應用效果。在激光熔覆過程中，由于其良好的潤濕性和自熔性，Co基超合金粉末通常具有較好的抗裂紋性能。然而，裂紋的產(chǎn)生仍然受到多種因素的影響，如熔覆工藝參數(shù)（激光功率、掃描速度、光斑直徑等）、基體材料的熱膨脹系數(shù)、涂層與基體的熱匹配性、熔覆層的應力分布等。裂紋敏感性可以通過優(yōu)化工藝參數(shù)、添加適量的合金元素（如Ni、Cr）進行改善。Ni元素能夠降低Co基合金熔覆層的熱膨脹系數(shù)，減小合金的熔化溫度區(qū)間，從而有效防止熔覆層產(chǎn)生裂紋。裂紋通常出現(xiàn)在熔覆層與基體的界面處或熔覆層內(nèi)部，以橫向裂紋、縱向裂紋或網(wǎng)狀裂紋的形式出現(xiàn)。裂紋的形成機制主要包括熱應力引起的開裂、相變應力引起的開裂以及凝固收縮引起的開裂等。

2.2 Co基超合金粉末涂層耐磨性能

Co基超合金粉末涂層具有良好的耐磨性能，主要因為其具有較高的硬度、良好的韌性以及優(yōu)異的抗氧化性和耐腐蝕性，使得涂層在摩擦磨損過程中能夠抵抗磨粒的切削和犁削作用，減少磨損量[6]。涂層中的硬質(zhì)相（如碳化物、硼化物等）起到重要的承載作用，它們能夠承擔大部分載荷并有效抑制接觸表面的塑性變形和微裂紋的擴展。涂層耐磨性能的影響因素有多種，包括涂層成分、組織結(jié)構(gòu)、硬度、表面粗糙度以及摩擦磨損條件。優(yōu)化涂層的成分和組織結(jié)構(gòu)，比如添加適量的硬質(zhì)相、細化晶粒，顯著提高涂層的耐磨性能。同時，降低涂層的表面粗糙度有助于減少磨損量。通過磨損試驗來評估Co基超合金粉末涂層的耐磨性能，試驗結(jié)果表明，與基體材料相比，激光熔覆Co基超合金粉末涂層具有更好的耐磨性能，隨著涂層中硬質(zhì)相含量的增加和晶粒的細化，涂層的耐磨性能進一步提升。

3 試驗參數(shù)

選取304不銹鋼，利用激光熔覆技術(shù)進行不銹鋼基體表面的Co基與WC/Co基合金涂層制備，設(shè)備為型號ZKZM-10000的高速激光熔覆系統(tǒng)（功率為10 kW），不銹鋼規(guī)格為100 mm×100 mm×15 mm。通過打磨、超聲清洗與烘干等方式處理試樣，將機體表面的水分、粉塵與雜物完全去除。兩種涂層材料的制備分別選取Co基超合金粉末與WC/Co基合金粉末。Co基超合金粉末的成分及含量如表1所示。

試驗前，還需要明確使用激光熔覆技術(shù)的工藝參數(shù)，包括搭接率、激光功率、保護氣壓、送粉速度及掃描速度等，重要參數(shù)為激光功率和掃描速度，二者對涂層質(zhì)量影響極大。Co基與WC/Co基合金涂層制備中，要設(shè)定不同的激光熔覆工藝參數(shù)，從而制備出優(yōu)異的涂層性能。激光熔覆工藝參數(shù)如表2所示。

明確涂層激光熔覆制備工藝后，分別制備Co基與WC/Co基合金涂層，并選取線切割機，制成熔覆試樣直徑15 mm、厚5 mm的圓柱體金相試樣，通過拋光與打磨處理后觀察分析涂層微觀組織，并利用王水溶液（HCI與HNO3的體積比為3∶1）進行涂層抗腐蝕處理，并在NovaNanoSEM450型場發(fā)射掃描電鏡下觀察。同時，涂層表面硬度檢測中，可利用維氏硬度計對涂層表面顯微硬度進行檢測，利用HT-1000型摩擦磨損試驗機對不同涂層摩擦系數(shù)進行測試，參數(shù)如表3所示。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 涂層微觀組織

Co基合金涂層通常具有復雜的微觀結(jié)構(gòu)。一是相組成。Co基合金涂層包含Co的固溶體基體、碳化物以及其他金屬間化合物。碳化物的形態(tài)與分布對涂層性能影響較大。二是組織結(jié)構(gòu)。激光熔覆技術(shù)制備的Co基合金涂層通常包含界面熔合區(qū)、柱狀枝晶區(qū)及熔覆金屬中心的胞狀區(qū)。柱狀枝晶區(qū)是涂層中常見的組織結(jié)構(gòu)，其形成與激光熔覆過程的快速冷卻和凝固有關(guān)[7]。

WC/Co基合金涂層是一種由碳化鎢（WC）顆粒和鈷（Co）黏結(jié)相組成的復合材料。一是相組成。WC/Co基合金涂層主要由WC相和Co相組成。WC相是硬質(zhì)相，負責提供涂層的硬度和耐磨性；Co相是黏結(jié)相，負責將WC顆粒牢固地結(jié)合在一起。二是組織結(jié)構(gòu)。WC/Co基合金涂層的微觀組織通常表現(xiàn)為WC顆粒均勻分布在Co黏結(jié)相中，WC顆粒的形態(tài)和尺寸對涂層的性能有重要影響[8-9]。

4.2 涂層耐磨性能

對比兩種涂層耐磨性能，可通過維氏硬度計測量涂層顯微硬度與摩擦系數(shù)進行表征，結(jié)果如表4所示。由表4可知，對比Co基與WC/Co基合金涂層的顯微硬度分布，WC/Co基合金涂層組織較Co基合金涂層更加均勻細密，WC的引入進一步增強涂層的硬度，說明WC/Co基合金涂層耐磨性能優(yōu)于Co基合金涂層。

4.3 涂層耐磨腐蝕性能

為了對比兩種涂層耐磨腐蝕性能，使用電化學腐蝕法進行測試分析，Co基、WC/Co基合金涂層腐蝕電位及腐蝕電流密度如表5所示。由表５可知，Co基合金涂層腐蝕電位（-0.238 V）明顯比WC/Co合金涂層腐蝕電位（-0.250 V）高，但腐蝕電流密度（6.280×10-7 A/cm2）明顯比WC/Co合金涂層腐蝕電流密度（7.645×10-7 A/cm2）低，結(jié)果顯示，Co基合金涂層耐腐蝕性優(yōu)于WC/Co合金涂層。

5 結(jié)論

試驗利用高速激光熔覆技術(shù)分析304不銹鋼基體表面Co基合金涂層與WC/Co合金涂層的制備，比較分析兩種涂層微觀結(jié)構(gòu)與抗磨損性能。結(jié)果表明，WC/Co合金涂層在微觀結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出更高的均勻性和細密性。從界面到涂層表面，凝固組織由柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S枝晶，涂層與基體之間形成良好的冶金結(jié)合，無微觀裂紋與氣孔缺陷。這種細密的微觀結(jié)構(gòu)有助于提升涂層的整體性能。Co基合金涂層也表現(xiàn)出與基體良好的冶金結(jié)合，但其微觀組織相較于WC/Co合金涂層可能略顯粗大，且在某些情況下可能觀察到少量的氣孔或微裂紋，尤其是在與其他合金元素混合使用時。

WC/Co合金涂層含有高硬度的WC顆粒，其顯微硬度明顯高于Co基合金涂層。這種高硬度使得WC/Co合金涂層在耐磨性方面表現(xiàn)優(yōu)異，摩擦系數(shù)低于Co基合金涂層，表明其耐磨性能更好。Co基合金涂層也具有一定的硬度和耐磨性，但相比之下，其顯微硬度和耐磨性能不及WC/Co合金涂層。然而，Co基合金涂層在某些情況下可能表現(xiàn)出更好的韌性和抗拉伸性能。WC/Co合金涂層的電化學腐蝕電位低于Co基合金涂層，但其腐蝕電流密度較高。特定的腐蝕環(huán)境中，WC/Co合金涂層的耐腐蝕性能可能略遜于Co基合金涂層。由于成分特性，Co基合金涂層通常表現(xiàn)出較好的耐腐蝕性能。在電化學腐蝕測試中，其腐蝕電位較高，腐蝕電流密度較低，表明它在腐蝕環(huán)境下具有較好的穩(wěn)定性。

采用激光熔覆技術(shù)修復的Co基超合金粉末修復層，通常也表現(xiàn)出與基體良好的冶金結(jié)合，修復層結(jié)構(gòu)致密，無氣孔和宏觀裂紋。修復層的微觀組織可能與粉末的成分和工藝參數(shù)密切相關(guān)。Co基超合金粉末激光熔覆修復層具有較高的硬度和良好的耐磨性，能夠有效延長管件等零部件的使用壽命。其抗磨損性能主要得益于Co基合金本身的優(yōu)異性能以及激光熔覆過程中形成的致密修復層。

總的來說，激光熔覆WC/Co合金涂層在硬度、耐磨性方面表現(xiàn)優(yōu)異，但耐腐蝕性能可能略遜于Co基合金涂層，而Co基合金涂層則在耐腐蝕性能和韌性方面更具優(yōu)勢。在管件等零部件的修復中，采用Co基超合金粉末激光熔覆技術(shù)，系統(tǒng)可以形成結(jié)構(gòu)致密、無缺陷的修復層，顯著提升零部件的抗磨損性能和使用壽命，可為耐磨涂層和耐腐蝕涂層的應用提供參考。

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收稿日期：2024-12-17

基金項目：金昌市企業(yè)科技專員項目（JC〔2024〕甘肅金澤川增材制造有限公司）。

作者簡介：李杲（1985—），陜西商洛人，碩士，副教授。研究方向：數(shù)控加工、模具設(shè)計、計算機輔助設(shè)計。