TC4钛合金表面激光熔覆Ni包WC复合涂层研究

王 培，李争显，黄春良，王少鹏，叶源盛

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

TC4钛合金表面激光熔覆Ni包WC复合涂层研究

王 培，李争显，黄春良，王少鹏，叶源盛

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

为了提高钛合金的耐磨性能及使用性能，采用激光熔覆法在TC4钛合金基体上制备了Ni与WC混合粉末涂层，研究了不同WC添加量对熔覆层的物相组成、显微组织、硬度及耐磨性能的影响。结果表明，三组不同的熔覆材料经过激光熔覆后，都可以使材料表面硬度和耐磨性能较基材大幅度增加。但是随着WC含量的增加，熔覆层均匀性降低，出现小颗粒的WC团，并且组织开始多样化，且硬度分布均匀性也有所下降。

钛合金;激光熔覆;Ni/WC复合涂层;耐磨性

0 引言

钛及钛合金具有密度低、比强度高、无磁性、良好的耐蚀性、优异的生物相容性、较好的低温韧性和高温机械性能等优点，在航空航天、石油化工和生物医疗等领域得到了广泛应用。然而，钛合金由于摩擦系数较高、硬度较低、耐磨性能较差，阻碍了其在某些工况条件下的使用。国内对钛合金的表面改性技术已有大量研究，如采用物理气相沉积［1］、喷涂［2］、微弧氧化［3］、渗碳［4］等方法在钛合金表面制备耐磨涂层。激光表面改性技术作为一种无接触、无污染、高效、灵活的先进表面改性技术，近年来得到了广泛的研究和应用。利用该项技术对钛合金进行表面改性处理的工作主要有激光淬火［5］、激光氮化［6］、激光表面合金化以及激光熔覆［7］等。熔覆材料由传统的铁基、镍基和钴基合金逐渐转变为在这些合金的基础上加入WC、TiC、SiC、TiN等陶瓷粉末，形成金属－陶瓷复合涂层。

本研究选用WC-12Co/Ni25A复合粉末，首先在基体材料表面预置厚度均匀的涂层，再采用激光熔覆工艺制备出耐磨涂层。主要分析不同WC添加量对熔覆层的物相组成、显微组织、硬度及耐磨性能的影响，旨在为TC4钛合金表面激光熔覆Ni包WC复合涂层的工业化应用提供基础。

1 实验

基体材料选用TC4钛合金，试样尺寸为20 mm×20 mm×5 mm，表面打磨抛光并用丙酮清洗干净后备用。涂敷料为Ni25A和WC-12Co的机械混合粉末，成分设计见表1。其中Ni25A粉末的化学成分(质量分数)为Si 2.3%、B 1.75%、Fe 1.25%、C 0.1%、Ni为余量。Ni25A粉末的粒径为45～106 μm，WC-12Co粉末的粒径小于150 μm。用粘结剂把均匀混合的复合粉末制成膏状后涂敷在TC4钛合金表面，预置厚度为1.0 mm左右。采用JHM－1GY－400D型激光焊接机进行激光熔覆。其工艺参数为:输出电流80～160 A，脉宽2～12 ms，频率5～15 Hz，扫描速度150～300 mm/min，搭接率50%左右。激光熔覆时采用氩气保护。

表1 涂敷料的成分设计(原子分数/%)Table 1 The composition design of coating material

选用X射线衍射仪进行物相分析;用JSM－6460型扫描电镜及附带的能谱仪对激光熔覆层的组织形貌、微区成分进行分析;用HXD－1000TM型电子显微硬度计对熔覆层的显微硬度进行测量;用MS-T3000摩擦磨损试验仪对熔覆层的摩擦磨损性能进行测试，实验参数为转速 500 r/min、载荷1 000 g、回转半径5 mm，摩擦副为Si3N4陶瓷滚珠;用MFT－4000多功能材料表面性能试验机对磨损轨迹的表面轮廓和磨痕面积进行表征。

2 结果与讨论

2.1 熔覆层物相及显微组织分析

2.1.1 物相分析

图1为TC4钛合金表面3组不同涂敷料经激光熔覆得到的复合涂层的XRD图谱。由图1可以看出，随着WC含量的增多，衍射峰越来越多，熔覆层中的物相组成越来越复杂。熔覆层除形成不同配比的NiTi相外，还含有WC、TiVC2及Co3C等多种碳化物硬质相，这些硬质相对熔覆层硬度和耐磨性能的提高起到了重要的作用。其中，第Ⅰ组配方的熔覆层由Ni3Ti、Co3V、Co3C及Al(Ni/Co)组成(图1a)，第Ⅱ组配方的熔覆层由 WC、Co0.15Ni0.85Ti、TiVC2、NiTi、(Ni/Co)3V、Al(Ni/Co)及 Co3C 组成(图1b)，第Ⅲ组配方的熔覆层由WC、Co0.15Ni0.85Ti、TiVC2、NiTi、(Ni/Co)3V、Al(Ni/Co)、Co3C 及 Co3W组成(图1c)。

相对于金属粉末，WC粉末在熔池温度过高时容易烧损，其溶解反应方程式如下:

图1 TC4钛合金表面3组配方熔覆层的XRD衍射图谱Fig.1 XRD patterns of cladding layer

由物相分析可知，第Ⅰ组熔覆层中WC基本全部发生了溶解，并在合金元素含量较高的地方重新析出了新的碳化物，W元素以固溶形式存在于枝晶组织中，含量很低，未检测出。第Ⅱ组和第Ⅲ组熔覆层中则有WC相，说明存在未完全溶解的WC相或WC颗粒溶解后的重新结晶相。随着WC含量的增加，多种元素的溶解游离导致重新析出许多新的合金相，当W元素以固溶形式存在于枝晶组织并达到饱和值时，则在熔覆层中生成了Co3W合金相(图1c)。这说明激光熔覆过程中WC颗粒的部分溶解使熔覆层溶液中W和C含量增加，并形成了许多含W和C的金属间化合物。

2.1.2 形貌分析

图2为TC4钛合金表面第Ⅰ组涂敷料经激光熔覆得到的复合涂层的显微组织。由图2可以看出，第Ⅰ组成分配比下制备的熔覆层与基材形成良好的冶金结合，组织致密、厚度均匀、无裂纹和气孔等缺陷，熔覆层主要由初生的树枝晶Ni3Ti和枝晶间的共晶组织组成，且熔覆层顶部组织比底部组织细小。

图2 TC4钛合金表面第Ⅰ组配方激光熔覆复合涂层显微组织Fig.2 Microstructures of coating in the first group

图3为TC4钛合金表面第Ⅱ组涂敷料经激光熔覆得到的复合涂层的显微组织。

图3 TC4钛合金表面第Ⅱ组配方激光熔覆复合涂层显微组织Fig.3 Microstructures of coating in the second group

与图2对比可以看出，当WC含量增加时，熔覆层均匀性降低，出现小颗粒陶瓷相，并且组织开始多样化(图3a)。第Ⅱ组成分配比下制备的熔覆层的组织发生了明显转变，熔覆层底部的扩散层组织更为粗大(图3b)。熔覆层主要由溶解后重新结晶的复杂共晶相(图3c)以及白色的陶瓷相颗粒团组成(图3d)。陶瓷相颗粒团主要是WC相，其生成主要是由于熔覆层上部冷却速度较快，一部分WC颗粒虽然发生了溃散，但未及时扩散所导致的。

钛合金在液相时是极其活泼的金属，几乎可以与所有的陶瓷颗粒发生相互作用，导致陶瓷相的溶解和重新析出，从而使陶瓷相的形态、种类以及分布发生很大变化。图4为TC4钛合金表面第Ⅲ组配方经激光熔覆得到的复合涂层显微组织。

图4 TC4钛合金表面第Ⅲ组配方激光熔覆复合涂层显微组织Fig.4 Microstructures of coating in the third group

由图4可以看出，第Ⅲ组成分配比下制备的熔覆层组织有大量未完全溶解破裂的WC小颗粒团(图4a)。由于WC颗粒分布密集，且冷却速率极快，导致液态金属的对流或扩散过程进行的不充分，使区域与区域之间存在较大的成分差异，熔覆层内各部位之间的温度梯度和凝固速率不同，最终形成了具有区域分布特征的多种形态的初晶碳化物，如树枝状(图4b)、等轴晶状(图4c)、团簇状(图4d)等。

2.2 熔覆层性能分析

2.2.1 显微硬度

TC4钛合金表面不同WC添加量熔覆层的维氏硬度分布如图5所示。从表5可以看出，3组配方的熔覆层厚度均约220 μm。在覆层表面到深度100 μm左右其硬度值较高，相对于基体硬度(3 000 MPa左右)提高了2倍以上。整个熔覆层的显微硬度随着距外表面距离的增加而逐渐下降。这主要是由于基材金属对熔覆层的稀释作用造成的。此外，从硬度分布曲线还可以发现，随着WC颗粒添加量的不同，熔覆层的硬度也有不同程度的波动。第Ⅰ组配方熔覆层距外表面距离不超过100 μm区间，其硬度值在7 500～8 000 MPa。该值随着WC含量的增加明显增大，测得与第Ⅲ组配方试样熔覆层硬度值相差将近4 000～5 000 MPa左右。这主要是由于WC的存在及分布状况不同，导致熔覆层不同部位析出的硬质相及其含量不同所致。

图5 TC4钛合金表面不同WC添加量熔覆层的维氏硬度分布Fig.5 Vicker’s hardness distribution of cladding layer with different WC content

2.2.2 磨损试验

在相同的实验参数下，对比基体材料与不同WC添加量的覆层材料的磨损性能，结果见图6。由图6可以看出，基材表面在磨损试验时间为225 min时，就出现了较为明显的磨损凹槽，而覆层材料在磨损试验进行了500 min时，与基材相比，只是出现了轻微的磨损痕迹。这表明，覆层材料的耐磨性能优于基体TC4钛合金。

图6 基体材料与覆层材料表面磨损对比Fig.6 Surface wear of base material and clad material

综上分析可知，当Ni粉中加入极具抗磨能力的WC颗粒后，多数WC在激光熔覆过程中会发生溶解重新析出，以固溶形式存在于枝晶间的组织中，形成共晶组织包围初生相枝晶组织的连续网络状结构，起到固溶强化的作用。这种网络状结构对于提高涂层耐磨性能具有十分积极的作用，枝晶组织会因其周围的网络硬质相骨架的承载作用而得到增强的效果，同时也会对网络硬质相骨架起到增韧的效果，两种组织相互依托，相互增强，有利于涂层耐磨性的提高。当WC含量较高时，部分未溶的WC颗粒发生溃散，在凝固速度较慢、扩散进行充分的情况下，可以使得分解的WC小颗粒均匀弥散分布在网络状结构上，起到硬质颗粒强化作用。

3 结论

(1)激光熔覆过程中，WC会发生烧蚀和分解，由于其冷却速度较快，导致WC发生分解后的扩散不能得以进行，从而随着WC含量的增加，在熔覆层组织中会出现大量非均匀存在的WC颗粒溃散团。

(2)TC4钛合金通过激光表面熔覆Ni与WC混合粉末，其表面硬度可得到明显提高，且熔覆层硬度由里及表逐渐升高，随着WC含量的增加，熔覆层的硬度分布均匀性下降。

(3)激光熔覆层中存在硬质颗粒强化、固溶强化和细晶强化等多种强化机制。由于多种强化机制的共同作用，显著地提高了熔覆层的硬度，使熔覆层具有极高的耐磨性能。

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［2］姬寿长，李争显，杜继红，等.Ti6Al4V合金表面超音速火焰喷涂WC－12Co涂层组织及相分析［J］.稀有金属材料与工程，2012，41(11):2005－2009.

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［5］戴振东，王珉，杨生荣.面扫描激光淬火对钛合金微动磨损性能的影响［J］.摩擦学学报，1999，19(2):107－111.

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Research of Ni/WC Composite Coatings on TC4 titanium Alloy by Laser Cladding

Wang Pei，Li Zhengxian，Huang Chunliang，Wang Shaopeng，Ye Yuansheng
(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research，Xi’an 710016，China)

In order to improve the wear resistance and usability of titanium alloy，coatings on the surface of TC4 titanium alloy were prepared by the laser cladding method with Ni and WC mixed powder.The effects of different WC addition on the phase composition，microstructure，hardness and wear resistance were studied.The results show that the three different groups of cladding material can all substantial increase the surface hardness and wear resistance after laser cladding.But with the increase of WC content，uniformity of the cladding layer is reduced，small particles of WC appears，and microstructures begin to diversify，and uniformity of the surface hardness is also reduced.

titanium alloy;laser cladding;Ni/WC composite coating;wear resistance

10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2014.03.010

2014－03－17

王培(1984—)，女，工程师。