TiC 添加量对等离子熔覆Ni60–WC复合涂层性能的影响

秦利锋

（中铁工程装备集团盾构制造有限公司，河南 郑州 450000）

WC拥有优异的耐蚀性、耐磨性、耐热冲击性和热强性，且WC拥有高硬度、高弹性模量、抗氧化性强、低热膨胀系数等优点。由于WC颗粒在高温下能被Ni润湿，因此在制备镍基自熔合金时加入适量的WC颗粒可以形成含WC的弥散型超硬合金。在实际使用过程中为进一步提高硬质合金材料的硬度和耐磨性，往往再添加TiC、TiB2等硬质相。TiC的耐磨性和硬度比WC高[1-2]，WC−TiC−Ni硬质合金中的TiWC2不但可以提高合金的强度和硬度，而且可以提高合金材料的耐磨性[3]。本试验以WC/Ni为研究主体，考察了TiC粉末添加量对熔覆层耐磨性的影响。

1 实验

1.1 材料

以45钢为基材，喷涂前进行表面喷砂处理，采用无水乙醇超声波清洗后烘干。在按一定比例混合好的Ni60A与12Ni–WC合金粉末中添加一定质量分数的200 ~ 325目TiC。

1.2 样品制备

采取同步送粉式等离子束熔覆设备进行熔覆层制备。工艺参数为：电流130 A，熔覆速率400 mm/min，送粉气流速1.2 m3/h，离子气流速0.3 ~ 0.5 m3/h，保护气流速0.8 ~ 1.2 m3/h，熔覆距离140 mm。所得样品的外观如图1所示。

图1 不同TiC添加量的等离子熔覆层的原始形貌 Figure 1 Morphologies of plasma cladding layers with different dosages of TiC

1.3 试验方法

采用线切割机取样，使用NOVASEM 450型场发射扫描电子显微镜(SEM)、日本理光D/MAX2500PC型X射线衍射仪(XRD)进行物相分析。利用FM-700型显微维氏硬度计对试样进行显微硬度检测，从合金表面开始每个检测点间隔400 μm，均匀向内部连续检测15个点，试验载荷200 g，加载时间10 s。使用 CETR UMT-3MO型多功能摩擦磨损试验机对熔覆层表面进行测试，对磨介质为Al2O3球，载荷100 N，滑动速率10 mm/s，单次有效滑动距离6 mm，磨损时间2 h，使用TRIB分析软件对实验数据进行处理。

2 结果与讨论

2.1 物相分析

图2显示熔覆层组织均匀致密，熔覆层与基体材料之间为冶金结合，熔覆层表面无裂纹和气孔，结合过渡区宽度为10 ~ 30 μm。

图2 WC/Ni + 5% TiC熔覆层纵切面的显微组织 Figure 2 Cross-sectional microstructure of WC/Ni + 5% TiC cladding layer

图3显示熔覆层中的Cr多以Cr4Ni5W、Cr2Ni3形式存在，Ti多以TiWC2形式存在。分析主要原因为：Ti元素的活性比Cr元素高，且生成TiWC2的吉布斯自由能比CrxCy低，因此Ti与C的亲和力比Cr与C的亲和力强[4-5]。

图3 WC–TiC–Ni熔覆层的X射线衍射谱图 Figure 3 XRD patterns of WC–TiC–Ni cladding layers

在熔覆过程中WC脱碳分解形成W2C和W，TiWC2是由TiC与W反应生成，或是熔融状态的WC和TiC相互融合所形成，又或是TiC粉末中的游离Ti与C和W反应生成。TiWC2的高强度、高硬度、抗高温等性能[6-7]令熔覆层的硬度和强度得到进一步提高。

2.2 组织分析

图4显示熔覆层由黑色块状组织、白色鱼骨状结构、灰色组织等3种组织组成。随着TiC粉末的增加，合金组织中黑色块状组织增多，其形貌也发生改变，尖锐部位变圆滑。白色鱼骨状组织也随着TiC的增加而增多、增大。这些鱼骨状结构是由Cr的化合物和W的化合物增多后富集于晶界之间而生成的。当TiC含量继续增加至15%时，合金组织中的鱼骨状组织开始转变为蝶状和棒状组织。

图4 WC–TiC–Ni熔覆层的微观组织 Figure 4 Microstructures of WC–TiC–Ni cladding layers

根据对图5中熔覆层微观组织3个不同区域的能谱分析结果(见表1)作进一步分析。

表1 WC/Ni + 20% TiC熔覆层中不同区域的EDS分析结果 Table 1 WC/Ni + 20% TiC cladding layer area EDS analysis results

图5 WC/Ni + 20% TiC熔覆层的局部形貌 Figure 5 Local morphology of WC/Ni + 20% TiC cladding layer

a区(黑色块状组织)：EDS分析数据显示该区域只含Ti和C元素，认为黑色块状组织是未参与组织转变的TiC粉末。TiC均匀分散在熔覆层合金中可以有效提高合金组织的耐磨性和强度。

b区(白色鱼骨状组织)：该区域为W元素富集区，结合EDS结果分析可知该区域存在适量的Ni和Ti元素，由于Ti的活性比Ni、Cr元素高，因此推测该区域组织是在熔覆过程中Ti与C反应而生成的TiWC2、Cr4Ni15W等硬质相。

c区(灰色组织)：该区域为Fe和Ni的聚集区域，Cr、C、W相对较少。XRD分析数据表明该区域的组织成分以Fe3Ni2、Fe3Ni2、Cr4Ni15W、Cr2Ni3等化合物为主。

2.3 显微硬度分析

显微硬度测试前必须对试样进行抛光处理，且保证试样上下面的平行度，涂层显微硬度的测试结果如图6所示。检测结果表明随着TiC含量的递增，熔覆层的显微硬度增大。当TiC含量为20%时，复合涂层的显微硬度最高，达到 了1 072.5 HV，而WC/Ni合金的显微硬度只是944.27 HV。分析主要原因是：TiC粉末无论是强度还是硬度均高于WC[8]，其次TiC的细化晶粒和弥散强化的作用令熔覆层进一步强化。Ti、W、C元素相互反应生成TiWC2等硬质相弥散分布在合金中对熔覆层强度和硬度的进一步加强是最主要原因。

图6 WC–TiC–Ni熔覆层的显微硬度分布 Figure 6 Microhardness distribution of WC–TiC–Ni cladding layer

2.4 滑动摩擦磨损分析

摩擦磨损测试结果表明，滑动摩擦因数(μ)随着TiC含量的递增而变大，如图7所示。这是因为熔覆层中的硬质相随TiC增加而增多，粘结相对减少。

图7 WC–TiC–Ni熔覆层的滑动摩擦因数 Figure 7 Sliding friction coefficient of WC–TiC–Ni cladding layer

使用ZETA-20三维形貌检测仪对熔覆层滑动磨损深度、宽度、体积进行分析，结果表明熔覆层的体积损失量和磨损宽度随着TiC含量的增加而逐渐减小，当TiC含量增至20%时，它们均为最小，如图8所示。因此，增加TiC含量可以大幅提高熔覆层的耐磨性。

图8 WC–TiC–Ni熔覆层的滑动磨损量 Figure 8 Sliding wear loss of WC–TiC–Ni cladding layer

由图9分析可知：复合熔覆层在磨损表面没有明显的犁沟生成。随着TiC含量的递增，熔覆层磨损形貌中的层状台阶和脱落现象逐渐减轻。当TiC含量由5%提升至15%、20%时，熔覆层表面滑动磨损形貌较为平滑，几乎看不出“切削”的痕迹。

图9 不同TiC添加量的熔覆层在滑动摩擦磨损后划痕的宏观形貌 Figure 9 Macroscopic morphologies of sliding wear scratches on cladding layers with different dosages of TiC

图10显示熔覆层的磨损形貌较平滑，没有明显的犁沟。熔覆层合金的磨损方式主要为磨粒磨损，由于在滑动磨损过程中粘结相被反复挤压和切削，硬质相在Al2O3球的反复挤压和撞击下产生疲劳裂纹。随着滑动磨损过程的持续，疲劳裂纹扩展，组织脱落。

图10 不同TiC添加量的熔覆层滑动摩擦磨损后划痕的微观形貌 Figure 10 Microscopic morphologies of sliding wear scratches on cladding layers with different dosages of TiC

3 结论

(1) WC−TiC−Ni熔覆层与基体材料之间为冶金结合，熔覆层表面无裂纹和气孔。

(2) TiWC2的形成及弥散分布使得熔覆层的显微硬度和耐磨性进一步提高。

(3) WC−TiC−Ni熔覆层中的Cr多以Cr4Ni5W、Cr2Ni3存在，Ti主要以TiWC2形式存在。

(4) 随着TiC粉末的增加，熔覆层中黑色块状组织增多，其形貌也发生改变，尖锐部位变圆滑。熔覆层中的白色鱼骨状组织也随着TiC的增加而增多、增大。

(5) WC/Ni合金中TiC含量增加至20%时，熔覆层的平均显微硬度最高达1 072.5 HV，此时其耐磨性最好。