Ni60合金包覆WC粉激光熔覆涂层的组织与性能

申井义，林 晨，姚永强，刘 佳，徐欢欢

(青岛理工大学机械与汽车工程学院，青岛 266520)

0 引 言

低碳钢由于性能优异、价格低廉而广泛应用于机械制造、汽车、造船等领域。科学技术和工业水平的进步对各种工程材料的性能要求越来越高。统计表明，零部件的失效主要发生在表面，因此如何提高普通金属材料的表面性能，使其在较低的成本下满足使用要求，已经成为近年来的一个研究热点。

激光熔覆技术是一种新型的材料表面改性技术。该技术将基体材料的高塑韧性与表面改性层的高耐磨、耐腐蚀等性能相结合，从而大幅提高材料的整体性能[1-2]。与其他表面改性工艺相比，激光熔覆技术具有能量密度高、加热和冷却速率快、基体变形小、涂层晶粒细小、涂层与基体结合强度高等优点[3-5]，具有良好的发展和应用前景。碳化钨(WC)是一种具有超高硬度的陶瓷材料，在普通熔覆材料中添加一定量的WC粉可以显著提高涂层的硬度和耐磨性。然而WC的形成能较低、热导率较高[6]，在激光熔覆过程中极易发生烧损，因此一般通过提高熔覆粉体中WC的含量来保证涂层中WC的数量。但WC的脆硬性高且润湿性较差，随着其含量的增加，涂层的裂纹率增加，且更易出现WC颗粒聚集现象，反而会降低涂层的质量，影响涂层的实际应用[7-9]。镍包WC是一种具有核壳结构的球状混合粉，WC颗粒被镍基合金包裹在球状结构的中心位置。由于镍基合金对激光光波的吸收率和热导率低于WC的，在熔覆过程中可对WC颗粒起到一定的保护作用。此外，镍包WC的特殊结构还可提高WC颗粒的润湿性及其在涂层中的弥散性，有利于涂层与基体形成冶金结合。但是目前，以镍包WC为原料制备WC增强镍基合金涂层的组织与性能研究较少。因此，作者以镍包WC粉为熔覆材料，采用激光熔覆技术在45钢表面制备了WC增强Ni60镍基合金熔覆涂层，研究了涂层的显微组织、物相组成、显微硬度与耐磨性能等，并与以Ni60合金+WC机械混合粉为熔覆材料所得熔覆涂层的进行对比。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验用基体材料为45钢板，尺寸为100 mm×60 mm×15 mm。熔覆材料为中国金属冶金研究总院提供的具有核壳结构的镍包WC粉(壳材料为Ni60合金)和Ni60合金+WC机械混合粉。熔覆材料中WC质量分数均为25%，粉体粒径均为48～106 μm。由于2种熔覆材料中的粉体均为物理混合，因此其化学成分相同，具体组成见表1。

表1 熔覆材料的组成(质量分数)

将基体材料用砂纸打磨去除表面氧化皮，用无水乙醇和丙酮清洗表面去除油污后晾干；将质量分数20%的松香酒精溶液与熔覆材料混合并调成黏稠状，均匀涂敷于基体表面，放入烘干箱内进行80 ℃×4 h的烘干处理。基体表面预置粉层的厚度在1.5 mm左右。采用Rofin-FL020型光纤激光器，利用正交试验得到的最优工艺参数进行激光熔覆试验，工艺参数为：激光功率1 600 W，光斑直径5 mm，扫描速度4 mm·s-1，搭接率50%。在试验过程中通入高纯度氮气进行保护以防止涂层高温氧化，氮气流量为15 L·min-1。

1.2 试验方法

沿熔覆涂层试样的横截面截取尺寸为10 mm×10 mm×16.5 mm的金相试样，经打磨、抛光，用王水腐蚀后，采用S-3400N型扫描电子显微镜(SEM)观察截面微观形貌，并使用附带的能谱分析仪(EDS)进行微区成分分析。采用D/Max2500PC型X射线衍射仪(XRD)对涂层的物相进行分析，采用铜靶，Ka1射线,波长为0.154 18 nm，管电压为40 kV，扫描速率为4(°)·min-1。采用FM700型显微硬度计，以涂层与基体的结合界面为原点，分别向基体与涂层每隔0.1 mm进行显微硬度测试，载荷为2 N，保载时间为15 s。将涂层表面抛光后，用UMT-3型多功能摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验，选用直径为9.25 mm，硬度为60～65 HRC的GCr15轴承钢球作为对磨件，在干摩擦条件下进行往复直线运动，磨损时间为20 min，载荷为10 N，频率为2 Hz，行程为6 mm。采用Mitutoyo SJ-210型表面粗糙度仪对磨痕截面轮廓进行测试，计算磨损体积。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图1可知，2种熔覆涂层均与基体形成冶金结合，结合界面处存在一条明显的白亮带，涂层近结合界面处存在大量平行生长的等轴晶和柱状晶，组织致密。在熔融金属凝固初期，结晶速率相对较小，而涂层和基体结合处的温度梯度极大，晶粒在激冷作用下形成平面晶；随着凝固过程的继续进行，固/液相界面向涂层内部推移，温度梯度减小，结晶速率增大，大量晶粒沿温度梯度方向(即垂直于结合面方向)生长。2种熔覆涂层中部均由大量初生枝晶和卵状组织组成。其中，机械混合粉熔覆涂层中大量枝晶呈明显的鱼骨状，且枝晶中存在呈无规则带状分布的深色物质聚集区，说明该处发生了成分偏析。镍包WC粉熔覆涂层的组织较机械混合粉熔覆涂层的更为细小，成分偏析程度更轻。

图1 不同粉体熔覆涂层的微观形貌

根据金属凝固原理，影响晶粒尺寸的主要因素是晶核长大速率和形核率[10]。激光熔覆过程中液态金属的冷却速率极快，涂层中部的晶核长大速率对晶粒尺寸的影响较弱。因此，造成2种熔覆涂层组织差异的主要原因包括：一方面，镍包WC粉中镍基合金的包裹减弱了激光直射而造成的WC颗粒烧损程度，保留下来的WC颗粒在涂层凝固时起到了异质形核的作用，晶核数量增多，因此涂层组织细化；另一方面，镍包WC粉的润湿性和弥散性高于Ni60合金+WC机械混合粉的，因此镍包WC粉熔覆涂层的成分偏析程度较轻，组织分布更加均匀。成分偏析的存在导致Ni60合金+WC机械混合粉熔覆涂层对裂纹的敏感性提高，在热应力作用下更易萌生微裂纹[11-12]。

由图2可知：镍包WC粉熔覆涂层中枝晶间卵状区域(A点)富含大量的镍元素和一定量的铬、铁、碳等元素，根据共晶组织形成机理可知，该区域为γ-Ni与铬、铁等碳化物组成的亚共晶组织；涂层中深色区域(B点)的铬元素含量偏高，钨、碳元素含量也较高，可知该区域主要由铬的碳化物和少量WC组成，这是由于在枝晶凝固过程中，铬的碳化物会先于其他成分析出，在液态金属内游离聚集，同时少量WC吸附于其表面，从而形成深色偏析区；涂层中白色块状区域(C点)的钨元素质量分数高达91.42%，推断为WC聚集区。

图2 镍包WC粉熔覆涂层EDS分析位置及不同位置的EDS谱

2.2 物相组成

由图3可知，2种熔覆涂层的物相组成基本相同，主要由γ-(Ni，Fe)固溶体、WC、Cr23C6、Cr7C3、W2C等组成。Cr23C6、Cr7C3、WC、W2C均属于硬质相，可大大提高涂层的硬度和耐磨性能。合金中物相的形成主要受成分和冷却条件的影响[13-14]，熔覆材料的结构形态不影响其成分，故2种熔覆涂层的物相相同。与Ni60合金+WC机械混合粉熔覆涂层相比，镍包WC粉熔覆涂层内WC的衍射峰较强，半高宽较大。根据Dedye-Scherrer公式和X射线衍射理论，镍包WC粉熔覆涂层中WC相的结构完整性较好。

图3 不同粉体熔覆涂层的XRD谱

2.3 显微硬度

由图4可知：2种熔覆涂层的硬度均远高于基体的，且结合界面两侧硬度曲线陡峭，这说明涂层元素的扩散范围小，稀释率较低；镍包WC粉熔覆涂层的平均显微硬度为933.1 HV，略高于Ni60合金+WC机械混合粉熔覆涂层的(901.4 HV)，且硬度合金曲线波动较小。在镍包WC粉熔覆涂层的制备过程中，WC颗粒基本保留下来，既作为异质形核剂细化了晶粒，又在涂层中实现了弥散分布，从而产生了细晶强化与弥散强化效应。

图4 不同粉体熔覆涂层截面显微硬度分布曲线

2.4 耐磨性能

由图5可知：Ni60合金+WC机械混合粉熔覆涂层的摩擦因数曲线波动较大，平均摩擦因数为0.45左右；而镍包WC粉熔覆涂层的摩擦因数曲线整体变化平稳，平均摩擦因数为0.4左右。结合图1分析可知：Ni60合金+WC机械混合粉熔覆涂层的晶粒粗大，组织分布不均匀，在摩擦磨损试验中的摩擦阻力变化较大，因此摩擦因数波动明显；镍包WC粉熔覆涂层的组织均匀、致密，硬质相弥散分布，因此摩擦因数相对稳定。

图5 不同粉体熔覆涂层的摩擦因数曲线

基体、Ni60合金+WC机械混合粉熔覆涂层、镍包WC粉熔覆涂层的磨损体积分别为49.50×10-3，9.20×10-3，7.52×10-3mm3。与基体相比，2种熔覆涂层均表现出了良好的耐磨性能，且镍包WC粉熔覆涂层的磨损体积最小，耐磨性能最好。根据Holm-Archard磨损规律[15]，材料硬度与磨损量成反比，因此磨损试验结果与硬度结果相吻合。

3 结 论

(1) 镍包WC粉熔覆涂层和Ni60合金+WC机械混合粉熔覆涂层均与基体形成冶金结合；与Ni60合金+WC机械混合粉熔覆涂层相比，镍包WC粉熔覆涂层的组织更细小，成分偏析程度较轻。

(2) 镍包WC粉熔覆涂层和Ni60合金+WC机械混合粉熔覆涂层均由γ-(Ni，Fe)固溶体、WC、Cr23C6、Cr7C3、W2C等物相组成，且镍包WC粉熔覆涂层中WC相的结构完整性较好。

(3) 镍包WC粉熔覆涂层的平均显微硬度为933.1 HV，略高于Ni60合金+WC机械混合粉熔覆涂层的(901.4 HV)；镍包WC粉熔覆涂层的平均摩擦因数和磨损体积分别为0.4，7.52×10-3mm3，均低于Ni60合金+WC机械混合粉熔覆涂层的，镍包WC粉熔覆涂层的耐磨性能优于Ni60合金+WC机械混合粉熔覆涂层的。