（桂林電子科技大學機電工程學院, 桂林541004）

Inconel617合金作為鎳基高溫合金中的一種，在1100℃高溫下具有很好的瞬時和長期機械性能。該合金在熱腐蝕領域中如硫化環(huán)境，尤其是在高達1100℃循環(huán)的氧化和碳化環(huán)境中具有極好的耐腐蝕能力。這些耐腐蝕性加上出色的機械性能，使這種合金特別適用于高溫領域，主要應用于工業(yè)和航空汽輪機部件、管道和陸用燃氣渦輪的轉換襯墊等[1]。

研究表明，Inconel617合金材料在實際應用中以耐腐蝕性、高溫抗氧化性能和耐磨性為主。但是其本身耐磨性比較低，不利于汽輪機持久工作。提高這種合金的性能和壽命，取決于其材料中氣體含量、顯微組織、表面的致密化等。Inconel617材料的顯微組織細化、成分均勻化能提高其耐腐蝕性、高溫抗氧化性和耐磨性等[2-3]。Inconel617合金工作時工作面主要在其表面，為了大幅度提高其耐磨性，在合金表面涂覆一層陶瓷粉末WCCoCr。WC-CoCr的耐磨性極好，可采用熱噴涂或高能束處理形成一定厚度的涂層。

WC-CoCr涂層中WC是硬質合金，工業(yè)上常用來提高耐磨性；Co元素可以與WC很好地相潤濕；Cr元素可提高合金的高溫抗氧化能力。所以用WC-CoCr合金來提高Inconel617的耐磨性，從而改善基體的高溫抗氧化能力，彌補了Inconel617合金在工業(yè)應用中耐磨性不足的問題。相對于Cr3C2、TiC、SiC等，WC-CoCr更具性能上的優(yōu)勢：（1）WC-CoCr的密度大,在電子束熔覆過程中不會出現(xiàn)上浮與高溫氧化等問題；（2）在高溫環(huán)境下WC-CoCr硬度和彈性模量較高，并且具有較小的膨脹系數(shù)；（3）WC-CoCr的耐熱沖擊性、耐腐蝕性和耐磨性優(yōu)良；（4）在高溫環(huán)境中Inconel617中的Fe、Co、Ni等元素可以和WC-CoCr很好地相潤濕。因此熔覆粉末選用WC-CoCr能很好地起到彌散強化覆層的作用，使試件表面的機械性能、耐腐蝕性以及抗氧化性能大大提高[4]。

本文利用高能電子束技術在Inconel617合金表面熔覆WC-CoCr涂層,研究改性層的顯微組織、硬度及耐磨性。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

選取Inconel617合金作為基體材料，化學成分原子百分含量為：22% Cr、12.5% Co、9% Mo、1.2% Al、0.07%C、1.5% Fe、0.5% Mn、0.5% Si、0.008% S、0.3% Ti、0.2%Cu，余量為Ni。試樣尺寸為Φ30mm×6mm。

首先，對尺寸規(guī)格為Φ30mm×6mm的Inconel617合金表面進行打磨，消除線切割帶來的切削加工痕跡。涂層要與基體結合良好，基體表面需要有一定的粗糙度，因此要對其表面進行噴砂處理，最后用丙酮對試樣浸泡、刷洗，以清除試樣表面的油污、銹蝕及其他污染物[5]。其次，再進行高速火焰噴涂，涂層厚度約為200μm。熱噴涂工藝流程如圖1所示[6]。本次試驗所用設備為桂林電子科技大學高能束裝備及工藝研究室的SEB(J)6/60/40/30型電子束加工集成系統(tǒng)。該集成系統(tǒng)裝備4把電子束發(fā)射槍，集電子束熔煉、提純、焊接、懸浮區(qū)熔、表面掃描處理于一體，是復合型多功能高能電子束裝備。采用線掃描方式對表面噴WC-CoCr的Inconel617合金試樣進行單道熔覆處理，焊室真空度為3×10-2Pa，槍室真空度為1×10-3Pa。加速電壓50kV，聚焦電流350mA，束流60mA，掃描速度1000mm/min。

圖1 熱噴涂工藝流程Fig.1 Thermal spraying process

1.2 試驗方法

采用電火花線切割機床將試件割成小塊金相試樣和磨損試樣，并且對金相試樣進行打磨、拋光、腐蝕處理，采用掃描電子顯微鏡對熔覆層組織進行觀察，用顯微硬度計對試樣顯微硬度進行測試，采用磨損試驗機對磨損試樣進行耐磨性試驗[7-8]。

2 試驗結果與討論

2.1 微觀組織分析

Inconel617合金噴WC-CoCr涂層截面形貌如圖2所示，左邊白色區(qū)域為WC-CoCr涂層，右邊灰色區(qū)域為Inconel617合金基體。高速火焰噴涂的WC-CoCr涂層與基體明顯為典型的機械結合，容易剝落。涂層中不可避免地存在細小孔隙和裂紋，嚴重影響其使用性能。

圖3為WC-CoCr涂層經(jīng)電子束熔覆處理后的截面形貌。在電子束處理過程中，涂層全部熔化的同時基體表面微熔，然后迅速冷卻，形成了合金層，實現(xiàn)了冶金結合。WC-CoCr涂層經(jīng)電子束熔覆處理后，截面形貌致密均勻，沒有氣孔和裂紋，和基體很好地結合在一起，如圖3（a）所示。在冷卻過程中，WC-CoCr涂層中WC形成了特殊的枝狀晶體，均勻分布在CoCr基體中，如圖3（b）所示。

2.2 熔覆層顯微硬度分析

圖2 Inconel617噴WC-CoCr涂層截面形貌Fig.2 Cross-section morphologies of spraying WC-CoCr coating of Inconel617

圖3 電子束熔覆處理后截面形貌Fig.3 Backscattered electron SEM micrographs showing details of the coating microstructure after EB-remelting

由圖4可見，電子束熔覆層的顯微硬度在1090～1110HV0.3之間，約為Inconel617合金基體顯微硬度（480～490HV0.3）的 2.2～2.3 倍，未處理前 WC-CoCr涂層硬度約為895～910HV0.3。由于熔覆層的顯微組織比較均勻細小，作為硬化相的WC和W2C分布也比較均勻，所以熔覆層整體顯微硬度沒有大的波動。由于在熔覆層和基體界面附近組織中WC和W2C很少，試樣的顯微硬度在接近界面處時快速下降至基體的顯微硬度。熔覆層表面硬度的顯著提高，有利于耐磨性能的改善。

2.3 熔覆層耐磨性分析

圖5展示了基體表面和電子束熔覆處理后材料表面的耐磨性能，試樣經(jīng)過電子束熔覆處理后，耐磨性能相對于基體而言提高了7倍有余，熔覆層耐磨性的提高也是熔覆層整體性能改善的有效保證。熔覆層硬度、強度等綜合性能的提高是改善復合涂層性能的必然途徑與基本保證，同時促進 WC 顆粒與Inconel617鎳基材間的結合強度，即提高了鎳基合金對 WC 顆粒的支承能力，這對提高熔覆層的整體耐磨性非常有利[9]。

在摩擦磨損過程中，主要是SiC砂紙中的硬質SiC磨粒對較軟的CrCo基材產(chǎn)生嚴重的犁削作用，在表面磨劃出較深的劃溝。隨著摩擦磨損的進行，包覆在WC顆粒表面的CrCo材料被大量磨削掉，使硬質的WC顆粒凸露出來，在隨后的摩擦過程中，WC顆粒最先接觸到SiC磨粒，阻礙著SiC磨粒繼續(xù)對軟基體的磨削，起到一定的緩和作用。在循環(huán)的法向載荷擠壓和剪切應力作用下，枝狀WC顆粒邊緣材料出現(xiàn)了少量的脫落，這些脫落的硬質磨屑在隨后摩擦中又起著磨粒的作用，對CrCo基體進行磨削，這是典型的磨粒磨損形式。

圖4 熔覆層試樣橫截面的顯微硬度分布Fig.4 Microhardness distribution of the depth along the coating

圖5 熔覆層和基體磨損速率Fig.5 Sliding wear rate of the WC-CoCr coating after EB-alloying

3 結論

（1）采用高速火焰噴涂和高能電子束表面熔覆方法相結合制備合金層。涂層與基體結合良好，為冶金結合。熔覆層WC和W2C為枝狀晶體，均勻分布在CoCr中。

（2）Inconel617合金表面電子束熔覆WC-CoCr涂層可使顯微硬度由基體的480～490HV0.3提高到1090～1110HV0.3。

（3）電子束熔覆陶瓷涂層WC-CoCr，可使基體耐磨性能提高7倍有余。

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