楊膠溪，張健全，常萬慶，王艷芳，陳　虹，王喜兵

(北京工業(yè)大學(xué) 激光工程研究院，北京 100124)

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激光熔覆WC/Ni基復(fù)合涂層高溫滑動(dòng)干摩擦磨損性能

楊膠溪，張健全，常萬慶，王艷芳，陳虹，王喜兵

(北京工業(yè)大學(xué) 激光工程研究院，北京 100124)

利用激光熔覆技術(shù)制備微米團(tuán)聚和塊狀兩種不同類型WC/Ni基復(fù)合涂層。在MMG-10型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對涂層進(jìn)行高溫滑動(dòng)干摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，并用SEM和EDS對涂層進(jìn)行磨損形貌觀察和成分分析。結(jié)果表明，激光熔覆WC/Ni基復(fù)合涂層高溫磨損性能隨著WC含量增加而提高，WC形態(tài)為微米團(tuán)聚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的復(fù)合涂層具有優(yōu)良的高溫耐磨性能。高溫下60%WC/Ni基復(fù)合涂層主要磨損機(jī)制由低溫下的磨料磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸p和磨料磨損復(fù)合作用。

激光熔覆；復(fù)合涂層；碳化鎢；高溫滑動(dòng)干摩擦；磨損性能

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，設(shè)備或零部件的工作條件及服役條件越來越苛刻。很多機(jī)械零件如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)等需要長期在高溫、磨損環(huán)境中工作，從而對其高溫耐磨性的要求也越來越高。若僅通過選用高性能的整體材料來滿足設(shè)備或零部件表面高溫耐磨性要求，往往是不經(jīng)濟(jì)的[1-4]。運(yùn)用合理有效的表面改性技術(shù)，能在顯著提高設(shè)備或零部件表面高溫耐磨性的同時(shí)，使其心部仍保持足夠的韌性，可有效節(jié)約能源和材料。傳統(tǒng)電鍍Cr排放的Cr6+對水污染非常嚴(yán)重，給環(huán)境保護(hù)造成很大的困難[5,6]。因此，需要開發(fā)出一種新的表面改性方法來改善設(shè)備或零部件的高溫耐磨性。WC陶瓷顆粒硬度高、熔點(diǎn)高且具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性，但由于WC顆粒脆性較大，作為涂層可采用塑性較好的金屬(鈷或鎳)作為黏結(jié)相與WC硬質(zhì)相復(fù)合使用[7-11]。激光熔覆作為一種重要的表面改性技術(shù)，開發(fā)適合于激光熔覆的合金粉末，可獲得無氣孔、裂紋等缺陷且高溫耐磨性良好的WC/Ni基復(fù)合涂層[12-15]。

本文作者曾考察了激光熔覆WC/Ni基復(fù)合涂層常溫滑動(dòng)干摩擦磨損特性[16]。由于該涂層還應(yīng)用于對一些在高溫條件下服役的關(guān)鍵部件的強(qiáng)化，因此有必要研究該復(fù)合涂層的高溫摩擦磨損性能。本研究在考察溫度對該復(fù)合涂層摩擦磨損性能影響的基礎(chǔ)上，著重考察其在400℃下的摩擦磨損特性，探討WC含量和形態(tài)變化對該復(fù)合涂層高溫摩擦磨損性能的影響，并在對磨痕顯微觀察和成分分析的基礎(chǔ)上初步考察其磨損機(jī)理。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

激光熔覆涂層材料為WC/Ni基合金復(fù)合粉末，其中鎳基合金成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)：C 0.6，Cr 7.52，Si 3.62，B 2.20，F(xiàn)e 3.50，余量Ni，粒度為45～100μm，WC顆粒形態(tài)為微米團(tuán)聚和塊狀兩種形態(tài)，WC微米團(tuán)聚狀顆粒度為(40～60μm)，WC塊狀顆粒度為(90～130μm)。

激光熔覆實(shí)驗(yàn)采用Trumpf 6000W高功率快速軸流CO2激光器，熔覆時(shí)采用同步送粉方式，送粉器為Sulzer Metco Twin10C?；倪x用GCr15圓盤，該試樣尺寸規(guī)格為φ43mm×4mm，圓盤表面加工一環(huán)形凹槽,凹槽外徑、內(nèi)徑、深度分別為28，22mm和1mm，如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)中試樣編號(hào)及激光熔覆工藝參數(shù)如表1所示。

圖1　GCr15圓盤式樣　(a)熔覆前；(b)熔覆后；(c)加工后Fig.1　The GCr15 disc samples　(a)before laser cladding;(b)after laser cladding;(c)after machining

SampleLaserpower/WScanningspeed/(mm·min-1)Powderflowrate/(g·min-1)MassfractionofWC/%WC0#20002001501#200020015202#200020015403#200020015604#200020015205#200020015406#20002001560-AgglomerateAngular

激光熔覆后將試樣進(jìn)行磨床加工，將加工后的圓盤狀摩擦副在MMG-10型高溫、高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上以端面滑動(dòng)的配副方式進(jìn)行高溫干摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，端面摩擦副示意圖如圖2所示，對磨環(huán)選用退火態(tài)40Cr。磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)：(1)溫度400℃，載荷80N，轉(zhuǎn)速100r/min，觀察WC形態(tài)和含量對涂層磨損性能的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)間均為1.5h；(2)選取6#樣品(60%微米團(tuán)聚WC)，載荷80N,轉(zhuǎn)速100r/min，分別選取不同溫度100，200，300，400℃和500℃，觀察涂層磨損量及摩擦系數(shù)隨溫度的變化，實(shí)驗(yàn)時(shí)間均為1.5h。磨損實(shí)驗(yàn)前后,摩擦副用精度為萬分之一的FA1104分析天平測量磨損失重, 取3次稱重?cái)?shù)值的平均值。

圖2　端面摩擦副示意圖Fig.2　Schematic diagram of the friction pairs

2　結(jié)果與分析

2.1激光熔覆WC/Ni基復(fù)合涂層的典型形貌

激光熔覆WC/Ni基復(fù)合涂層的典型形貌如圖3所示。其中，圖3(a)，(b)與圖3(c)，(d)分別為微米團(tuán)聚和塊狀WC/Ni基復(fù)合涂層的SEM形貌，圖中明亮的白色斑點(diǎn)為WC顆粒，并且WC顆粒彌散分布于合金涂層中。圖3(a)，(b)中WC顆粒呈近似圓形的團(tuán)聚分布， 其半徑尺寸范圍為10～113μm。由于WC顆粒與鎳基合金密度差別較大，在圖3(c)中的合金涂層底部區(qū)域出現(xiàn)了明顯的塊狀WC顆粒聚集現(xiàn)象。圖3(d)為高倍放大下塊狀WC顆粒的典型形貌，可以看出即使高熔點(diǎn)的WC顆粒也出現(xiàn)了部分溶解現(xiàn)象，WC顆粒與鎳基合金有互熔和擴(kuò)散，顆粒邊緣出現(xiàn)細(xì)小的樹枝晶。從圖3(a)，(c)中可看出這些金屬基復(fù)合涂層與GCr15基體表現(xiàn)出良好的冶金結(jié)合，熔合線處無明顯孔洞、裂紋等缺陷。在最佳工藝參數(shù)下，兩種類型的WC顆粒較均勻地分布在復(fù)合涂層中并在很大程度上保留了原始形態(tài)，僅有較低程度的分解。

2.2WC/Ni基復(fù)合涂層的高溫磨損性能

2.2.1WC含量和形態(tài)對涂層高溫磨損性能的影響

圖4所示為典型涂層摩擦因數(shù)曲線。如圖上、中、下3條曲線分別代表6#，3#，0#涂層摩擦因數(shù)曲線，隨著時(shí)間的不同三者的摩擦因數(shù)分別在0.6，0.5，0.4上下波動(dòng)。添加60%WC的合金涂層的摩擦因數(shù)均高于未添加WC的鎳基涂層，并且添加塊狀WC的涂層的摩擦因數(shù)高于添加微米團(tuán)聚狀WC的涂層?？梢?，WC硬質(zhì)相在保護(hù)鎳基合金不受磨損的同時(shí)提高了涂層的摩擦因數(shù)，且當(dāng)WC為塊狀形態(tài)時(shí)此作用更加明顯。

圖3　激光熔覆WC/Ni基復(fù)合涂層的典型形貌　(a)，(b)微米團(tuán)聚WC顆粒； (c)，(d)塊狀WC顆粒Fig.3　The typical morphology of laser clad WC/Ni composite coatings　(a),(b)agglomeration WC particle;(c),(d) blocky WC particle

圖4　典型涂層摩擦因數(shù)曲線Fig.4　The typical friction coefficient curves of coating

圖5所示為400℃條件下WC含量和形態(tài)對熔覆層磨損性能的影響規(guī)律。由圖5可見400℃條件下，鎳基合金涂層1.5h磨損失重為52mg，平均摩擦因數(shù)為0.405，隨著WC含量的增加，涂層的磨損量減小，平均摩擦因數(shù)升高，且不同形態(tài)WC復(fù)合涂層的磨損量也有明顯差異。圖5(a)中，與鎳基合金磨損量相比，微米團(tuán)聚WC復(fù)合涂層1#(20%WC)，2#(40%WC)和3#(60%WC)的磨損量分別降至34.6%，15.4%和7.7%；塊狀WC復(fù)合涂層4#(20%WC)，5#(40%WC)和6#(60%WC)的磨損量分別降至37.5%，17.3%和9.6%。圖5(b)中， 與鎳基合金平均摩擦因數(shù)相比，兩種形態(tài)WC復(fù)合涂層的平均摩擦因數(shù)均有很大提高，且微米團(tuán)聚WC復(fù)合涂層平均摩擦因數(shù)最大達(dá)到0.512；塊狀WC復(fù)合涂層平均摩擦因數(shù)最大達(dá)到0.595。綜合可見，兩種形態(tài)WC復(fù)合涂層在400℃條件下摩擦磨損性能：較鎳基合金相比均有很大提高，兩者之間亦表現(xiàn)出較大差異。

究其原因：400℃時(shí)，從磨屑宏觀形態(tài)及其完全不導(dǎo)電兩方面分析，可判斷摩擦過程中即使摩擦環(huán)境中氧壓較低，摩擦雙方表面仍然有明顯的氧化跡象。在高溫和接觸應(yīng)力的雙重作用下， 鎳基合金涂層與對磨環(huán)實(shí)際接觸面積增大，黏著磨損增加。硬質(zhì)相WC顆粒使涂層產(chǎn)生彌散強(qiáng)化而使強(qiáng)度和硬度增加，同時(shí)WC顆粒本身的硬度很高，使涂層的黏著抗力增大，從而涂層磨損量減小，平均摩擦因數(shù)增大。同樣WC顆粒在涂層中的致密度也影響涂層的磨損性能，致密度越高對鎳基合金的保護(hù)作用越強(qiáng)，進(jìn)而涂層的黏著抗力越大。涂層中WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，微米團(tuán)聚WC在涂層中的致密度相對要好，所以WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，40%和60%時(shí)，微米團(tuán)聚WC復(fù)合涂層的磨損量均低于相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)塊狀WC復(fù)合涂層的磨損量。

2.2.2溫度對涂層磨損性能的影響

圖6　溫度對熔覆層平均摩擦因數(shù)和磨損量的影響Fig.6　Influence of temperature on friction coefficient and mass loss of cladding coatings

圖6所示為溫度變化對6#(60%微米團(tuán)聚WC)復(fù)合涂層平均摩擦因數(shù)和磨損量的影響規(guī)律，從圖6可看出，隨溫度的升高平均摩擦因數(shù)呈降低趨勢，磨損量呈升高趨勢。分析其原因：在溫度較低時(shí)，摩擦表面氧化較小，此時(shí)摩擦因數(shù)主要取決于摩擦副本身。復(fù)合涂層中致密度較好的硬質(zhì)相WC顆粒對鎳基合金的“陰影保護(hù)效應(yīng)”較大，減少了摩擦副雙方的黏著抗力，且硬質(zhì)相WC的抗變形能力強(qiáng)，對摩擦運(yùn)動(dòng)阻力大，導(dǎo)致平均摩擦因數(shù)高，磨損量小。在溫度范圍100～500℃內(nèi)，隨著溫度的升高，復(fù)合涂層與對磨環(huán)摩擦表面之間氧化速率增大且氧化物磨屑生成量增加，氧化物磨屑對復(fù)合涂層的磨料磨損作用加大，導(dǎo)致涂層磨損量增大，且復(fù)合涂層主要磨損機(jī)制由低溫下的磨料磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸p和磨料磨損復(fù)合作用。當(dāng)溫度升高至500℃時(shí)，摩擦表面氧化速率劇烈增大且對磨雙方塑性變形增加至切削作用，因此摩擦表面氧化膜磨屑生成量急劇上升，涂層磨料磨損加劇，磨損量大幅度增加。由于在高溫(100～500℃)下氧化膜磨屑生成量增多，磨損表面氧化膜磨屑層覆蓋面積增大，所以平均摩擦因數(shù)隨著溫度的升高呈降低趨勢。

2.2.3涂層的磨痕形貌與成分能譜分析

為進(jìn)一步了解涂層的磨損性能，采用掃描電子顯微鏡對涂層進(jìn)行磨痕形貌分析。圖7為兩種形態(tài)WC硬質(zhì)相顆粒磨損后的背散射電子SEM照片，從圖7可以看出，微米團(tuán)聚狀與塊狀WC顆粒在磨損后基本都保持了外形的完整性。因硬質(zhì)相顆粒與鎳基合金基體冶金結(jié)合良好，故在發(fā)生磨損時(shí)硬質(zhì)相顆粒不易脫落且摩擦表面磨損較均勻。經(jīng)磨損碳化鎢顆粒在金屬表面形成了“凸起”，對復(fù)合涂層較軟的鎳基基體起到了很好的保護(hù)作用，因此，硬質(zhì)相碳化鎢顆粒的存在使得復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)比單純鎳基合金的明顯提高。圖8所示為400℃下60%微米團(tuán)聚狀WC復(fù)合涂層的磨痕SEM形貌：從圖8(a)中可以看出，3#涂層磨損面上有很少的細(xì)劃痕，表明該涂層具有良好的耐磨性；從圖8(b)可以看到灰色氧化膜磨屑致密的填充在白色硬質(zhì)相WC顆粒周圍，對鎳基合金起到很好的保護(hù)作用，在一定程度上減輕了涂層的磨損、提高了涂層的耐磨性。圖9所示為400℃下60%塊狀WC復(fù)合涂層的磨痕SEM形貌：與微米團(tuán)聚WC復(fù)合涂層相比，塊狀WC復(fù)合涂層磨屑呈片層狀且磨痕分布不均勻、較深且更寬，從而表現(xiàn)出更差的整體耐磨性。究其原因：正是由于塊狀WC復(fù)合涂層中硬質(zhì)相分布不均勻，某些大面積的鎳基區(qū)域不能被WC顆粒保護(hù)，進(jìn)而導(dǎo)致對磨環(huán)對其切削作用加大；此外，硬質(zhì)相WC顆粒附近黏著的片層狀氧化膜磨屑與顆粒狀磨屑相比，與基體的結(jié)合力較弱且容易在磨損過程中發(fā)生脫落，無法對基體起到很好的保護(hù)作用。因此，微米團(tuán)聚WC復(fù)合涂層的高溫耐磨性優(yōu)于塊狀WC復(fù)合涂層。

圖7　硬質(zhì)相WC顆粒磨損后背散射電子形貌　(a)微米團(tuán)聚WC顆粒；(b)塊狀WC顆粒Fig.7　Back-scattered images of WC hard phase after abrasion　(a)agglomeration WC particle;(b)blocky WC particle

圖8　400℃下3#涂層磨痕SEM形貌　(a)低倍背散射電子形貌；(b)較高倍背散射電子形貌Fig.8　SEM images of laser cladding sample 3# abrasion trace at 400℃(a)back-scattered image at low magnification;(b)back-scattered image at higher magnification

圖9　400℃下6#涂層磨痕SEM形貌　(a)低倍二次電子形貌；(b)較高倍二次電子形貌Fig.9　SEM images of laser cladding sample 6# abrasion trace at 400℃(a)secondary electron image at low magnification;(b)secondary electron image at higher magnification

圖10　3#60%微米團(tuán)聚WC復(fù)合涂層磨痕能譜　(a)A區(qū)域；(b)B區(qū)域Fig.10　EDS diagram of sample 3# with micro-agglomeration WC 60% abrasion trace　(a)area A;(b)area B

圖11　6#60%塊狀WC復(fù)合涂層磨痕能譜　(a)A區(qū)域；(b)B區(qū)域Fig.11　EDS diagram of sample 6# with blocky WC 60% abrasion trace　(a)area A;(b)area B

對兩種形態(tài)WC復(fù)合涂層進(jìn)行磨痕能譜分析，結(jié)果如圖10與圖11所示。圖10為60%微米團(tuán)聚WC復(fù)合涂層磨痕能譜(即圖8(a)中A，B區(qū)域)，從圖中可知：A區(qū)域主要含F(xiàn)e，O元素，表明A區(qū)域表面形成了一定厚度的氧化膜，可對涂層起較好保護(hù)作用；而B區(qū)域中主要含W元素，表明硬質(zhì)相WC顆粒在涂層中的致密度較高，從而使Ni基區(qū)域得到很好保護(hù)。圖11為60%塊狀WC復(fù)合涂層磨痕能譜(即圖9(a)中A，B區(qū)域)，從圖中可知：A，B區(qū)域中Fe，O元素含量都較少，表明整個(gè)磨損面上形成的氧化膜很薄，磨損過程中容易發(fā)生氧化膜的剝落，很難對涂層起到很好的保護(hù)作用；B區(qū)域中Ni元素平均含量很高，說明涂層中WC顆粒致密度較低，使得Ni基區(qū)域受到的保護(hù)作用也較小，導(dǎo)致鎳基合金與對磨環(huán)金屬發(fā)生黏著磨損。因此，涂層磨痕能譜結(jié)果表明：當(dāng)WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，微米團(tuán)聚WC復(fù)合涂層比塊狀WC復(fù)合涂層表現(xiàn)出更好的耐磨性。

3　結(jié)論

(1)高溫滑動(dòng)干摩擦磨損實(shí)驗(yàn)表明，硬質(zhì)相WC顆粒的加入可顯著提高激光熔覆WC/Ni基復(fù)合涂層的高溫耐磨性，且隨著WC含量的增加，熔覆層的高溫耐磨性也隨之提高。當(dāng)WC含量達(dá)到60%時(shí)，微米團(tuán)聚和塊狀WC/Ni基熔覆層與Ni基合金熔覆層相比，磨損量分別降至7.7%和9.6%，耐磨性分別提高了13倍和10.4倍。

(2)含量相同，形態(tài)不同的WC顆粒對熔覆層的高溫耐磨性也有很大影響。當(dāng)WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，40%，60%時(shí)，微米團(tuán)聚WC熔覆層耐磨性比塊狀WC熔覆層分別提高了8.3%，12.5%，25%。硬質(zhì)相WC顆粒分布越均勻，復(fù)合涂層的高溫耐磨性越好。

(3)隨著溫度升高，涂層表面氧化速率加快，同時(shí)氧化膜磨屑生成量增多，對涂層的磨料磨損加大。高溫下60%WC/Ni基復(fù)合涂層主要磨損機(jī)制由低溫下的磨料磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸p和磨料磨損復(fù)合作用。

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High Temperature Dry Sliding Friction and Wear Performance of Laser Cladding WC/Ni Composite Coating

YANG Jiao-xi，ZHANG Jian-quan，CHANG Wan-qing，WANG Yan-fang，CHEN Hong，WANG Xi-bing

(Institute of Laser Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Two different types of agglomerate and angular WC/Ni matrix composite coatings were deposited by laser cladding. The high temperature wear resistance of these composite coatings was tested with a ring-on-disc MMG-10 apparatus. The morphologies of the worn surfaces were observed using a scanning electron microscopy (SEM) equipped with an energy dispersive spectroscopy (EDS) for elemental composition. The results show that the high temperature wear resistance of the laser clad WC/Ni-based composite coatings is improved significantly with WC mass fraction increasing. The 60% agglomerate WC/Ni composite coating has optimal high temperature wear resistance. High temperature wear mechanism of 60% WC/Ni composite coating is from abrasive wear of low temperature into composite function of the oxidation wear and abrasive wear.

laser cladding；composite coating；tungsten carbide；high temperature sliding dry friction；wear resistance

楊膠溪(1971-)，男，副研究員，博士，主要從事激光熔覆成形及表面改性技術(shù)的研究及應(yīng)用，聯(lián)系地址：北京市朝陽區(qū)平樂園100號(hào)北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院(100124)，E-mail: yangjiaoxi@bjut.edu.cn

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.017

TG146.2+3

A

1001-4381(2016)06-0110-07

國家973計(jì)劃(2011CB606365-3)；國家自然科學(xué)基金(50971004)；研究生創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)(101000543214524)

2015-03-15;

2016-03-25