臧春城，王延忠，張以都

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京100191)

1 引言

NiCr－Cr3C2是一種常用的金屬陶瓷粉末，兼具NiCr合金與Cr3C2粉末的優(yōu)點(diǎn)，是非常理想的耐磨、抗氧化和耐蝕材料，因而常被用于制備耐磨涂層［1－3］。激光熔覆作為先進(jìn)的表面工程技術(shù)，可以在瞬間產(chǎn)生高能量，作用在材料表面，改變表面層的組織和成分，顯著提高金屬零部件使用壽命。因此，利用激光熔覆技術(shù)在金屬零件表面熔覆鎳鉻碳化鉻陶瓷涂層以增強(qiáng)零部件的耐磨耐蝕性能，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外諸多專家學(xué)者對該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了細(xì)致的研究，并取得了一些研究成果。陸益軍等［4］利用激光重熔等離子噴涂NiCr－Cr3C2陶瓷涂層，有效提高了涂層的硬度和致密度，減少了孔隙率。李杰等［5］研究了NiCr－Cr3C2顆粒尺寸對熔覆層性能的影響，結(jié)果表明大顆粒NiCr－Cr3C2對熔覆層的顯微硬度約提高50%。劉秀波等［6－9］在NiCr－Cr3C2粉末中添加CaF2和WS2自潤滑成分，制備了自潤滑耐磨涂層，試驗(yàn)結(jié)果表明該自潤滑涂層具有較好的減摩耐磨性能。俞友軍等人［10］制備了NiCr/Cr3C2－Ag－BaF2/CaF2金屬基高溫自潤滑耐磨覆層，該涂層從室溫到500℃試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出了良好的減摩抗磨效果。

本文利用激光熔覆技術(shù)，在45鋼基體上熔覆25NiCr－75Cr3C2涂層，以期得到高硬度的耐磨金屬層表面。在初期試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在45鋼基體上直接熔覆25NiCr－75Cr3C2涂層時，由于基體與涂層材料物理性能差異較大，難以獲得較好的熔覆效果。而鎳基合金粉末通過激光熔覆能夠與45鋼基體及25NiCr－75Cr3C2涂層均有良好的結(jié)合。因此，分別以Ni45和Ni60鎳基合金為過渡層，分析了不同鎳基合金作為過渡層對25NiCr－75Cr3C2涂層的微觀組織和顯微硬度的影響。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2．1 實(shí)驗(yàn)材料

采用45鋼作為基體，其試樣尺寸為50 mm×130 mm×10 mm，試驗(yàn)前對基體表面用砂紙進(jìn)行打磨，并用無水乙醇清洗。實(shí)驗(yàn)所用的過渡層材料選用鎳基合金粉末，牌號分別為Ni45和Ni60，其規(guī)格尺寸均為－140～+325目，化學(xué)成分含量如表1所示。

表1 鎳基合金粉末的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Tab．1 Chemical composition of Ni－base alloy powder(Wt．%)

表面涂層選用鎳鉻碳化鉻復(fù)合粉末25NiCr－75Cr3C2，其中NiCr質(zhì)量百分比為25%，Cr3C2為75%，其規(guī)格尺寸為－325～+500目，理論硬度為HV0．3800～1000，工作溫度范圍≤850℃。

2．2 實(shí)驗(yàn)方法

激光熔覆試驗(yàn)采用具有高光束質(zhì)量的DISTA3000半導(dǎo)體激光器，該激光器具有熔覆效率高、速度快、能耗低、熔覆層深度分布均勻、熱影響區(qū)小的特點(diǎn)。采用FHPF－20型激光加工送粉器和同軸送粉方式。激光功率0～3000 W，掃描速度范圍0～1．2 m/min，送粉率范圍為(6～25)g/min。熔覆試驗(yàn)過程中，光斑尺寸調(diào)整為2 mm，采用正離焦量20 mm。粉末噴嘴直徑1．5 mm，噴嘴軸線與基體夾角45°。采用多道搭接，搭接率為30%。

激光熔覆后的試樣經(jīng)過線切割、打磨、拋光后，采用JXA－8100電子探針顯微分析儀(Electron Probe Microanalyzer，EPMA)觀察涂層橫截面微觀組織形貌，并用電子探針自帶的能譜分析儀(EDS)檢測和分析微區(qū)元素成分。FM－800型顯微硬度計(jì)用來測定沿涂層深度方向的顯微硬度，載荷200 gf，加載時間15 s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3．1 熔覆層的微觀組織

圖1和圖2所示分別以Ni45和Ni60為過渡層時，激光熔覆25NiCr－75Cr3C2涂層的截面微觀組織，其中，(a)為涂層組織全貌圖，(b)為涂層25NiCr－75Cr3C2接近表面處的組織，(c)為涂層25NiCr－75Cr3C2與過渡層交界處的組織，(d)為過渡層與基體交界處組織。從圖中不難看出，不同部位的組織結(jié)構(gòu)是不同的，這是由于各部分材料成分不同，以及熔覆過程中溫度場的差別所致。

圖1 以Ni45為過渡層的鎳鉻碳化鉻涂層微觀組織Fig．1 Micro－structure of 25NiCr－75Cr3 C2 with transition layer of Ni45

圖2 以Ni60為過渡層的鎳鉻碳化鉻涂層微觀組織Fig．2 Micro－structure of 25NiCr－75Cr3C2 with transition layer of Ni60

鎳基合金經(jīng)過熔覆后得到的組織比較致密均勻，與45鋼基體形成了一條細(xì)窄的光亮帶，如圖1(d)和圖2(d)中的E區(qū)，也稱為熔合區(qū)。這是由于在高能量密度激光束加熱作用下，在形成熔池的過程中，熔池和基體之間元素濃度梯度大，因而合金元素之間互相強(qiáng)烈擴(kuò)散，凝固后即形成了熔合區(qū)。過渡層的組織呈胞狀結(jié)構(gòu)，晶粒細(xì)小且尺寸均勻，這是由于激光熔覆快速加熱快速冷凝的典型特征所致。過渡層組織在靠近基體的部位具有垂直于界面向上生長的趨勢，方向性明顯。鎳鉻碳化鉻涂層與過渡層之間的結(jié)合也比較牢固，但在結(jié)合面處的組織不太均勻，有黑色塊狀晶組織，通過EDS分析可知，該晶體組織主要成分為Cr和C，如表2所示，Cr和C的重量百分比和原子百分比都比較高，Cr與C的原子百分比為49．44/28．78，，可以推測該晶體可能為Cr3C2。當(dāng)Ni45為過渡層時，25NiCr－75Cr3C2涂層接近表面處的組織呈絮狀和針狀，并分散排布有少量的花團(tuán)狀晶體組織，如圖1(b)所示;接近過渡層處的組織除了塊狀晶外，主要為絮狀和針狀晶。當(dāng)Ni60為過渡層時，25NiCr－75Cr3C2涂層組織呈現(xiàn)葉片狀和枝晶狀，與Ni45為過渡層的組織具有明顯的差別，此外，過渡層Ni60除胞狀晶外，還有呈帶狀分布的黑色球狀物。經(jīng)過EDS分析，涂層各區(qū)組織中主要化學(xué)成分重量百分比如表3所示，圖3和圖4分別為不同過渡層時25NiCr－75Cr3C2涂層接近表面的能譜圖。從表3中數(shù)據(jù)可以看出，從接近基體處到涂層表面，Cr和C的含量逐漸增加，而Ni的含量逐漸減少。表面涂層同為25NiCr－75Cr3C2，與過渡層Ni45相比，以Ni60為過渡層時，25NiCr－75Cr3C2涂層中Cr的含量明顯偏高，而C和Ni的含量則基本接近。這主要由于鎳基粉末材料Ni60的Cr含量為17．21%(如表1所示)，明顯高于Ni45粉末中Cr的含量7．52%，C元素也明顯偏高，激光熔覆過程中，元素亦存在涂層間的擴(kuò)散，因而在涂層中有更多的碳化鉻硬質(zhì)相生成，導(dǎo)熱系數(shù)降低，使得涂層內(nèi)溫度梯度增加從而導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，使涂層容易出現(xiàn)裂紋，如圖2(c)所示，裂紋垂直于基體表面一直延伸到涂層表面，調(diào)整激光熔覆的工藝參數(shù)，可以控制或減少裂紋的產(chǎn)生。

表2 Ni60/25NiCr－75Cr3 C2涂層B區(qū)塊狀晶元素成分Tab．2 Main chemical components of the block crystal in area B of Ni60/25NiCr－75Cr3C2 coating

表3 涂層各區(qū)元素成分重量百分比Tab．3 Mass percentage of chemical components in different areas of coatings

圖3 Ni45/25NiCr－75Cr3 C2涂層A區(qū)能譜圖Fig．3 EDSspectrum in the area A of Ni45/25NiCr－75Cr3 C2 coating

圖4 Ni60/25NiCr－75Cr3C2涂層A區(qū)能譜圖Fig．4 EDSspectrum in the area A of Ni60/25NiCr－75Cr3C2 coating

3．2 熔覆層的顯微硬度

圖5 為激光熔覆Ni基過渡層及鎳鉻碳化鉻涂層的顯微硬度，橫坐標(biāo)正值表示接近涂層表面的方向。從圖5可以看出，顯微硬度從涂層內(nèi)部到涂層表面具有上升的趨勢，硬度分布規(guī)律明顯。當(dāng)過渡層為Ni45時，上升趨勢比較平緩，25 NiCr－75Cr3C2涂層表面處硬度在890 HV0．2左右，約為基體硬度300 HV0．2的3倍。當(dāng)過渡層為Ni60時，25 NiCr－75Cr3C2涂層表面硬度高達(dá)1660 HV0．2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基體的顯微硬度，硬度分布出現(xiàn)階梯狀。而且，與Ni45過渡層相比，Ni60為過渡層的25 NiCr－75Cr3C2涂層硬度提高了一倍。主要原因是Ni60合金粉末中含有更多的Cr和C元素，激光熔覆過程中，元素存在涂層間的擴(kuò)散，因而在涂層中有更多的碳化鉻硬質(zhì)相生成，從而提高了涂層的硬度。

圖5 不同過渡層的涂層顯微硬度對比Fig．5 Micro hardness comparison of cladding coatings with different transition layers

4 結(jié)論

本文分別以鎳基合金Ni45和Ni60為過渡層，通過激光熔覆技術(shù)，在45鋼基體上熔覆25NiCr－75Cr3C2涂層，對比分析和研究了兩種條件下涂層的微觀組織和顯微硬度，可以得出以下結(jié)論:

1)以鎳基合金為過渡層，在45鋼基體上熔覆25NiCr－75Cr3C2涂層，可以得到與基體結(jié)合緊密的涂層組織，且涂層硬度明顯高于基體硬度。

2)不同的鎳基過渡層上熔覆的25NiCr－75Cr3C2涂層微觀組織結(jié)構(gòu)及元素成分也不相同。

3)選擇不同的鎳基合金Ni45和Ni60為過渡層，得到的25NiCr－75Cr3C2涂層的硬度值不同。與過渡層Ni45相比，過渡層為Ni60時25NiCr－75Cr3C2涂層的顯微硬度明顯提高，但產(chǎn)生裂紋等缺陷的幾率也增加。

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