功率对激光熔覆Ni基WC涂层组织与硬度的影响

史强 许寅明 候博玲

摘   要：使用YLS-6000-BR用于钎焊的三光点光纤激光器对合金42CrMo表面的Ni基WC涂层进行测验，判断激光功率对于合金42CrMo表面的Ni基WC涂层性能、组织结构影响。伴随YLS-6000-BR设备运作功率的增加，合金42CrMo表面的Ni基WC涂层组织表现出粗化发展趋势，在功率持续增加的过程中，Ni基WC涂层的颗粒发生分解，出现Fe-C化合物，Ni基WC涂层的硬度也持续减小，YLS-6000-BR激光功率调整至1800W，涂层硬度最大值为1050HV，而伴随功率增加，其硬度逐渐衰减，表示Ni基WC涂层虽然能够显著增加合金材料的物理性能，但是激光对于Ni基WC涂层性能、组织有影响，实际造成损伤和功率大小有关。

关键词：Ni基WC涂层  激光测试  物理性能

中图分类号：TG456.7                              文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）03（a）-0101-02

WC涂层以高硬度、高稳定性、高耐热性等优势，得到广泛应用，国内外常将WC涂层用于CO基合金或者Ni基合金中，以达到提高材料物理性能的效果。Ni基WC涂层粉末是用WC颗粒包裹制备而成的材料，Ni基和WC颗粒可起到相互保护、相互促进的作用，如此就能够进一步提高WC颗粒的稳定性，并保证涂层表面有较高的一致性。激光本身是能量极为集中的物理状态，通过激光照射合金基材，能够促使合金基材熔化，对于各种基材、涂层的物理稳定性有着极为突出的影响。但当前国内还少有通过激光来测试Ni基WC涂层物理性能的权威文献，本文立足于该空白，探究功率对激光熔覆Ni基WC涂层组织与硬度的影响。

1  试验材料以及方法

本次研究所用材料为42CrMo合金材料结构钢，该结构钢的成分为“C：0.39-0.44;SI：0.18-3.36;Mn：0.6-0.7;Cr：1.0-1.1;Mo：0.16-0.24;Ni<0.04;Cu<0.04;P<0.036;S<0.036（均为比例）”。42CrMo合金材料结构钢常用于加工制作变速箱齿轮、增压器传动结构、连杆结构等，因此对于其耐磨性的要求较高。试验中所用42CrMo合金材料结构钢，尺寸为200mm×60mm×8mm，在测试前，去除结构钢表面存在的灰尘、铁锈、油污等，用800目砂纸进行初步处理，然后用丙酮进行清洗，最后让其放置在无尘室中自然干燥，保证结构钢的表面满足激光测试要求。结构钢表面熔覆粉末为Ni基WC粉末，颗粒直径在100目左右，粉末成分为“NI：0.59;Cr0.12;B：0.04;Si：0.03;Co：0.05;WC：0.05（均为比例）”。

试验采用YLS-6000-BR用于钎焊的三光点光纤激光器，在确保基材性状良好涂层和基层适应良好的情况下，开始测验。YLS-6000-BR激光功率测试为1800W、2400W、3000W、3200W，试验样品用硝基盐酸腐蚀10s然后利用金相显微镜检查样品表面的微观结构，并用X射线对其进行物理性状分析，硬度测试主要采用HV-1000A硬度计检查，检查取多个点，最终结果为多点检查平均值。磨损检查主要采用“Disc pin type friction and wear tester”，设备转速为每分钟840转，载荷设置为430g，摩擦半径为2mm，摩擦时间为30min，测量采用FA2004电子天平。

2  试验结果

2.1 微观组织

1800W、2400W、3000W、3200W条件下，样品微观组织发生明显变化，在1800W条件下，样品表面微观组织为“细小树枝晶”，树枝的发展方向不连续、无规律;在2400W条件下，样品表面微观组织为“胞状树枝晶”;在3000W条件下，样品表面的二次晶越发粗化;在3200W条件下，样品表面结晶急速粗化，且有着明显的粗大结晶，均垂直在界面方向。由此可见，伴随激光功率的增加，Ni基WC涂层熔池获得的能量也就越多，且存在晶核合一、数目急速减少的情况。

2.2 Ni基WC涂层成分

Ni基WC涂层伴随激光功率的增加，WC颗粒逐步开始分解，而在功率达到3200W时，熔池内的能量更加充沛，促进了Fe和Ni的扩散，形成大量Ni3Fe。

2.3 硬度

在不同1800W、2400W、3000W、3200W条件下，熔覆层强化颗粒导致熔覆层的硬度大于基材的硬度，在1800W条件下，显微镜测试其硬度最大可达1050HV，伴随着硬度进一步增加，硬度逐渐衰弱。该现象和表面微观结构粗化有直接关系，在激光功率增加到一定程度时，WC颗粒出现激素分解的情况，以致于Ni基WC涂层的WC颗粒含量减少（主要和Fe发生反应形成其他元素），Ni基WC涂层原有结构被破坏。

2.4 磨损性能

在磨损性能测试的过程中，涂层的平均摩擦因数为0.596，在WC颗粒的强化作用下，在Ni基WC涂层的影响下，减小了熔覆层表面摩擦力，以致于摩擦力矩减小，摩擦性能因此提高。

3  讨论

激光对于Ni基WC涂层物理性能、组织均有着较为突出的影响，选择合理的激光功率，能够获得不同条件下Ni基WC涂层的物理性状变化结果，在本次研究中，伴随激光功率上升，Ni基WC涂层的硬度等参数也发生了较大变化。Ni基WC涂层的使用的确能够大幅度提高基材的表面硬度性能、抗摩擦性能，在1800W激光功率影响下，Ni基WC涂层仍旧能够保持良好硬度，高功率的激光才能够促使Ni基WC涂层中WC颗粒和Fe发生反应，以致于原有结构被破坏。从Ni基WC涂层受激光影响的粗化反应看，激光导致Ni基WC涂层粗化，会直接致使涂层在摩擦条件下受到的磨损加剧，以致于其抗摩擦性能下降，但是也可考虑：在磨损条件下，同时受激光影响，粗化表面或会导致涂层磨损脱落量增加，所以激光功率对于基材的抗磨损性能影响并不显著。

4  结语

综上所述，Ni基WC涂层是性能较为良好的涂层，能够适应多种环境下的工作需求，在激光测试条件下仍旧表现出良好性能，尽管Ni基WC涂层在高功率激光影响下，抗磨损性能、硬度性能逐步下降，但是Ni基WC涂层实际受到激光影响的机理还有待商榷，望广大研究人员能够从磨损、粗化相互作用的角度对Ni基WC涂层性能进一步进行研究，以为Ni基WC涂层在我国工业生产、制造中的应用提供可靠的参考借鉴。

参考文献

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