楊膠溪，胡　星，王艷芳

(北京工業(yè)大學 激光工程研究院，北京 100124)

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TC軸承激光增材制造工藝及組織性能研究

楊膠溪，胡星，王艷芳

(北京工業(yè)大學 激光工程研究院，北京 100124)

為解決常規(guī)方法制備TC軸承帶來的磨損不均問題，提高TC軸承服役壽命，采用激光增材制造方法在鋼制零件基體表面制備耐磨涂層。選用兩套不同工藝參數分別在TC軸承內軸套外圓、外軸套內孔進行Cr3C2/Fe基耐磨材料的激光熔覆，獲得了無氣孔、裂紋且冶金質量優(yōu)良的耐磨涂層。采用掃描電鏡(SEM)、能譜儀(EDS)、X射線衍射(XRD)檢測分析手段進行形貌觀察、成分分析、物相表征，并使用數字顯微硬度計、摩擦磨損試驗機、鹽霧腐蝕實驗箱分別對熔覆層進行硬度、耐磨性和耐腐蝕性進行測試。結果表明：TC軸承耐磨涂層的平均顯微硬度為HV700，耐磨性為Ni60涂層的3倍，耐腐蝕性接近于316L不銹鋼。

激光熔覆；TC軸承；鐵基碳化鉻合金； 組織與性能

螺桿鉆具是石油鉆井中應用最廣泛的井下動力工具之一。TC軸承位于其傳動部分，是影響螺桿鉆具壽命的關鍵部件[1，2]。TC軸承分為內、外軸承套，內軸套與傳動軸配合并鎖緊，外軸套與井下動力鉆具殼體裝配一起，二者配合形成工作面，主要功能是將馬達的扭矩和轉速傳遞給鉆頭。工作過程中，TC軸承受到萬向軸承和鉆頭的軸向和徑向力，內軸套存在繞外軸套偏心運動趨勢。TC軸承正常失效形式是圓筒形層磨損[3]。由于長期承受含砂井液的沖蝕，因此要求具有良好的耐磨耐蝕性。

目前，常規(guī)制備方法是采用高溫燒結技術，即在內外軸承表面鑲嵌硬質合金塊與焊料、添加物高溫燒結而成。由于硬質合金塊之間釬料硬度相對較軟，先于硬質合金塊磨損，TC軸承內外軸套之間存在磨損不均勻，硬質塊易剝落等問題，造成TC軸承的提前失效與報廢。

1　實驗材料和方法

實驗所用材料為Cr3C2/Fe合金復合粉末，基材為42CrMo合金鋼，化學成分見表1。其中Cr3C2/Fe合金復合粉末由Fe基自溶性粉末及30%(質量分數，下同)Cr3C2和5%WC組成，F(xiàn)e基粉末粒度范圍為-140～+325目，Cr3C2粒度范圍為-120～+140目，WC粒度范圍在-100～+140目。

表1　實驗材料化學成分(質量分數/%)Table 1　Chemical composition of experiment material(mass fraction/%)

如圖1所示，采用Trumpf 6000W快速軸流CO2激光器，同步送粉方式在TC軸承外軸套內孔、內軸套外圓熔覆Cr3C2/Fe復合涂層。將TC軸承內、外軸套固定于回旋轉臺，選用不同的工作頭對內軸套外圓、外軸套內孔激光熔覆Cr3C2/Fe復合涂層。內軸套外圓激光熔覆輸出功率為1.8kW，光束掃描速率為240mm/min，光斑尺寸為4mm，保護氣流量范圍在8L/min，搭接為50%。外軸套內孔激光熔覆輸出功率為1.08kW，光束掃描速率為150mm/min，光斑尺寸為2mm，激光熔覆過程采用流量為8L/min氬氣保護，搭接為50%。對成形試樣線切割，研磨拋光，采用王水腐蝕1min。采用掃描電鏡觀察涂層組織形貌，采用XRD判斷涂層中主要物相，并用EDS確定涂層中各成分含量。為考察涂層力學性能，對涂層進行硬度測試。測試兩點間隔為50μm，載荷200g加載時間10s。采用MMG-10端面摩擦磨損試驗機測試并評價涂層的耐磨性能，磨料為-200目SiC，載荷條件為100N，主軸轉速為100r/min。采用鹽霧腐蝕的方法評價涂層材料的耐腐蝕性。執(zhí)行標準為GB/T10125—1997《人造氣氛腐蝕實驗：鹽霧實驗》，實驗所用腐蝕溶液為NaCl中性溶液，質量濃度為5%±0.1%，pH值為6.5～7.2。實驗箱溫度為(35±2)℃，進氣壓力設定為0.38MPa，噴霧器壓力設定為0.18MPa，噴霧量為每80cm2的收集量為1.5mL/h。

圖1　實驗過程　(a)TC內軸套；(b)TC外軸套Fig.1　Process of the experiment　(a)inner-sleeve of TC bearing;(b)outer-sleeve of TC bearing

2　結果與分析

2.1組織結構分析

2.1.1涂層組織形貌

圖2　Cr3C2/Fe復合涂層SEM形貌　(a)涂層與基材界面；(b)等軸晶；(c)Cr7C3；(d)共晶組織Fig.2　SEM morphology of Cr3C2/Fe composite coating　(a)interface between coating and substrate; (b)equiax crystal;(c) Cr7C3;(d) eutectic structure

2.1.2涂層物相分析

圖3　Cr3C2/Fe復合涂層XRD圖Fig.3　XRD pattern of Cr3C2/Fe composite coating

圖3所示為Cr3C2/Fe涂層的X射線衍射圖，與前面形貌分析相比，涂層中物相組成頗為復雜。主要物相有Cr3C2，α-Fe，Cr7C3，γ-Fe，Cr23C6等。XRD并沒有檢測到Fe3W3C相，可能因為該物相在涂層中含量較少，或檢測深度不夠。Cr元素具有封閉γ相區(qū)的作用，但在激光熔池快速凝固過程中減弱了γ-Fe向α-Fe的轉變。

2.2性能測試

2.2.1涂層截面硬度變化

圖4　Cr3C2/Fe復合涂層顯微硬度曲線Fig.4　Micro-hardness curve of Cr3C2/Fe composite coating

圖4為Cr3C2/Fe復合涂層顯微硬度曲線，由硬度分布曲線表明，涂層的平均硬度達到HV700(圖4中虛線內硬度的平均值)，涂層與界面硬度呈梯度過渡。復合涂層硬度的提高可以歸結為兩個原因：一方面Cr3C2溶解得到的C，Cr在枝晶中的固溶，增強了固溶強化效果以及重新凝固過程中生成共晶碳化物的第二相強化作用；另一方面形成的鉻的碳化物等對涂層組織起到細晶強化、彌散強化、硬質相強化等綜合作用，使得Cr3C2/Fe復合涂層的硬度提高。

2.2.2涂層磨粒磨損實驗

圖5所示為Ni60試樣與Cr3C2/Fe復合涂層的磨粒磨損形貌對比?？梢钥闯鯟r3C2/Fe復合涂層表面存在一些輕微的犁痕。Ni60樣品表面塑形變形較大，且發(fā)生了材料遷移。從磨損的形貌可以推測出試樣不同的磨損機制。Cr3C2/Fe復合涂層為典型的磨粒磨損。磨粒磨損過程既含有微觀切削，又包括塑形擠壓變形剝落[18，19]。Ni60樣品不僅含有磨粒磨損，而且伴隨著黏著磨損。摩擦磨損性與涂層中組織形貌密不可分。Ni60樣品韌性較好，具有較好的抗磨損性能。在摩擦磨損過程中，金屬表面微凸體在法向載荷作用下，在接觸界面發(fā)生塑形變形，在相對滑動過程中形成粘接點，粘接點受剪切力的作用使材料發(fā)生了遷移。Cr3C2/Fe復合涂層主要的組織為α-Fe與Cr7C3的共晶。長條狀的Cr7C3碳化物可以幫助α-Fe基體有效抵抗塑形變形，阻止磨粒的微觀切削。而韌性相α-Fe可以對硬的碳化物起到依托和支撐作用。試樣質量損失如表2所示，Cr3C2/Fe磨損的質量損失只有Ni60合金涂層的1/3。

圖5　磨損后樣品SEM形貌　(a)，(b)Ni60;(c)，(d)Cr3C2/Fe復合涂層Fig.5　SEM morphology of the wear scar　(a)，(b)Ni60;(c)，(d)Cr3C2/Fe composite coating表2　磨粒磨損實驗數據Table 2　Experimental data of abrasive wear

SampleTestforce/NWeartime/sWearmassloss/gWearrate/(10-7g·N-1·s-1)Ni6010036000.365938.0302Cr3C2/Fe10036000.138339.9646

2.2.3涂層鹽霧腐蝕實驗

通過觀察樣品在鹽霧腐蝕環(huán)境中168h后的增重衡量其耐腐蝕性能，各樣品的增重情況如表3所示。樣品腐蝕部位主要發(fā)生在涂層表面有缺陷和鑲嵌樣品邊緣。鹽霧對樣品表面的腐蝕主要是由于鹽霧中電解的氯離子造成。氯離子具有強烈的穿透本領，很容易穿透樣品表面氧化層和內部金屬發(fā)生電化學反應，引起腐蝕。

表3　鹽霧腐蝕實驗數據Table 3　Experimental data of salt spray test

圖6所示為316L 樣品和Cr3C2/Fe復合涂層樣品耐腐性能對比，復合涂層具有與316L不銹鋼相近的耐腐蝕性。這主要由于涂層基體中固溶了大量的Cr(約為24.6%)，所以涂層耐腐蝕性能明顯提高。圖7為復合涂層腐蝕后的樣品的X射線衍射圖，由圖可知，腐蝕后樣品中主要物相為α-Fe，Cr7C3，γ-Fe，Cr23C6，Cr3C2，F(xiàn)e2SiO4，F(xiàn)eCl2。鐵氧化物的存在表明腐蝕同時發(fā)生了氧化反應。

圖6　鹽霧腐蝕后樣品的形貌　(a)316L；(b)Cr3C2/Fe復合涂層Fig.6　Morphology of salt spray corroded samples　(a)316L;(b)Cr3C2/Fe composite coating

圖7　鹽霧腐蝕過的樣品XRD圖Fig.7　XRD pattern of the corroded sample

3　結論

(1)采用激光熔覆技術在TC軸承內軸套外圓、外軸套內孔制備Cr3C2/Fe耐磨復合涂層，涂層與基材界面平直，冶金結合，涂層內無明顯裂紋、氣孔。

(2)Cr3C2/Fe復合涂層為典型的過共晶組織形貌，主要物相有Cr3C2，α-Fe，Cr7C3，γ-Fe，Cr23C6等。添加Cr3C2之后，涂層組織得到明顯細化，桿狀Cr7C3和塊狀Cr23C6碳化物的生成提高了涂層的硬度和耐磨性。

(3)經顯微硬度、磨粒磨損、鹽霧腐蝕實驗表明，TC軸承激光熔覆Cr3C2/Fe復合涂層獲得了良好的綜合性能，其平均顯微硬度為HV700，耐磨性為Ni基涂層的3倍，耐腐蝕性接近于316L不銹鋼。

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Microstructure and Properties of Laser Additive Manufacturing TC Bearing

YANG Jiao-xi，HU Xing，WANG Yan-fang

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

In order to solve the problem of uneven wear of TC bearing that conventional method brought and improve its service life,wear-resistant coating was fabricated on the surface of steel parts matrix with the method of laser additive manufacture. The Cr3C2/Fe based alloy was deposited by laser cladding technique on the inner-sleeve cylindrical and outer-sleeve bore of TC bearing with two different process parameters. The high-performance coating was obtained respectively, of cracks free,no pores and with good metallurgical quality. The morphology of the laser cladding coating was observed by scanning electronic microscope (SEM),the composition was analyzed by EDS,the phase transformation was characterized by XRD. The wear resistance,corrosion resistance and hardness of the laser cladding layer were tested by friction and wear tester,salt spray test chamber and digital micro-hardness tester respectively. The results show that the average micro-hardness of composite coating is HV700. The wear resistance of the composite coating is about 3 times as much as the Ni-based alloy. The corrosion resistance is close to 316L stainless steel.

laser additive manufacturing；TC bearing；Cr3C2/Fe-base alloy；microstructure and property

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.07.011

TG174.44

A

1001-4381(2016)07-0061-06

國家973計劃(2011CB606365-3)；國家自然科學基金(50971004)；研究生創(chuàng)新平臺建設(101000543214524)

2014-10-22；

2015-10-24

楊膠溪(1971-)，男，副教授，博士，主要從事激光熔覆成形技術的研究及應用，聯(lián)系地址：北京朝陽區(qū)平樂園100號北京工業(yè)大學激光工程研究院(100124)，E-mail: yangjiaoxi@bjut.edu.cn