镍基碳化钨合金粉末组织及性能

方 琳

（东莞理工学院城市学院，广东 东莞 523419）

金属材料的磨损与腐蚀破坏机械零部件、工程构件的两大主要方式之一，许多行业零件在腐蚀性环境下工作，如海洋、化工、石油等。据统计，由腐蚀造成的经济损失，在石油与天然气领域每年约100亿元，煤炭工业每年约为55.6亿元，而电力系统每年近17亿元。这就需要零件具有良好的耐腐蚀性。而镍基硬合金具有优异的耐磨和腐蚀性能，可满足强磨损、腐蚀工作环境[1]。镍基合金可通过堆焊[2]及激光熔覆[3]等方法制备。但激光熔覆制备的镍基涂层的耐磨性和耐腐蚀性较差，限制了其在恶劣环境中的广泛应用。为了解决这一问题,通常采用添加合金元素(如钨、铬、钼)、稀土氧化物(如CeO2,Y2O3,La2O3)或二次强化相(如SiC、WC、B4C，TiC)进而提高镍基涂层的性能[4]。Y.Yan等人的[5]通过复合40%316L+60%WC粉末，显著提高合金的硬度，实验得到的涂层硬度是3Cr13不锈钢基体硬度的3.1倍。其中WC是常用的耐磨涂层之一，主要用于抵抗严重磨损(粘着磨损、磨粒磨损等)，并结合高温腐蚀和高温氧化性能[6，7]。本文研究50%、60%WC镍基合金在多道激光熔覆下的金属组织及性能。

1 实验

试验基体材料为p20模具钢，镍基合金粉末成分见表1，分别配置质量配比为镍+50WC和镍+60WC的粉末合金。激光熔覆试验采用武汉锐科品牌的3000W光纤输出半导体激光器，配置同轴送粉激光熔覆头,矩形光斑直径5mm,载气式送粉1.5克/秒,用氮气保护，熔覆参数，激光功率2100W，激光扫描速度7mm/s，激光光斑5mm,多道搭接，搭接率为50%。配置金相试样，样品用HCl和HNO31：3的比例体积配置腐蚀液。采用ZEISS Sigma 500型扫描电子显微镜(SEM)及牛津X-Max20能谱仪(EDS)对涂成显微组织和物相进行分析。显微硬度测量在Nano Indenter G200型纳米压痕仪计上进行，所加平均载荷为120mN，载荷持续时间为15 s。

表1 镍基合金粉末成分

2 实验结果与分析

2.1 着色实验及熔覆表面形貌分析

激光熔覆制备的镍基+50%WC涂层着色实验分别见图1所示。50%WC复合涂层在激光熔覆具有良好的平整表面，基体与材料结合好，熔覆层表面无明显大裂纹。60%WC复合涂层在激光熔覆具有良好的平整表面，基体与材料结合好，表面发现熔覆层表面有一条明显大裂纹。裂纹原因分析，随着熔覆的深入，涂层表面逐渐变粗。这可能是连续的光束扫描会使整个材料温度升高，热的积聚造成的。涂层材料是熔化状态的，到一定的温度，导致涂层表面波动和粗糙，甚至裂纹。

图1 两种镍基合金激光熔覆着色实验

2.2 能谱分析

两种镍基复合材料微观组织面扫描能谱图见图2和图3。从图中可以看出熔覆层与热基体与涂层有明显的接合面接合面平整，结合效果好。镍基+60%WC熔覆层组织比50%的WC的含量更多，分布均匀。从图2中可以合金涂层组织成分。两种比例的镍基合金主要元质量成分对比见表2。NI+50%WC中 的Ni占73.89%，W占16.06%，C占3.67，这3主要元素占质量分数和为93.62%；Ni+60%WC中的Ni占46.73%，W占39.83%，C占8.51%，这3主要元素占质量分数和为95.07%。从数据分析中，可以看到Ni+60%WC比Ni+50%WC多了23.77%。

图2 熔覆涂层组织的EDS分析结果

图3 镍基+60%WC能谱分析

表2 两种镍基WC合同熔覆层各微区主要成分（质量百分数%）对比

2.3 纳米压痕实验及分析

微观结构中取若干个块状小块，选取组织颗粒，由涂层表面到基体均匀取多个点，进行纳米压痕实验测试，计算多个点的压入深度的、弹性模型、硬度平均值。

每个点测试了1015个数据，Ni+50%WC和Ni+60%WC分别见图4及图5，从图，可以看到从基体到涂层表面横截面的弹性模量和硬度逐步增加。50%和60%WC+Ni合金及材料在最大载荷压力下的位移偏移量分别为1241.2nm，980.2nm；最大硬度值分别为20.1GPA，35.9GPA；弹性模量值为369.16GPA，580.3GPA。两种材料在最大的载荷下位移偏移量相差858.9nm，最大硬度偏差量为15.8GPA，弹性模量偏差211.1GPA。从数据分析，可以看到Ni+60%WC比Ni+50%WC具有更好的硬度，从而验证了耐磨性也比较好。

图4 两种镍基WC合金熔覆层弹性模量实验

图5 镍基+50%WC熔覆层纳米压痕实验

3 总结

配置50%、60%的Wc的镍基合金，通过激光熔覆的方式提高模具刚的性能，在能谱分析实验中，看到各元素均匀分布，随着Wc的含量的增加，涂层表面出现了微裂纹，纳米压痕实验发现从基体、熔覆结合面、熔覆层到涂层表面硬度逐步增加，涂层组织致密及基体冶金结合，从实验中可论证镍基WC合金可有效的提高基体性能，适用于耐磨的场合。