羅俊威，牛犇，陳俊孚，易江龍，易耀勇，胡永俊，苗澍

（1.廣東工業(yè)大學，廣州 510006；2.廣東省焊接技術(shù)研究所（廣東省中烏研究院），廣州 510070）

金屬基復(fù)合材料（MMCs）是由兩種或者兩種以上的材料組合而成，在保證母材金屬特性的同時，充分利用增強材料的物理、化學、力學性能優(yōu)勢，形成“相補效應(yīng)”，彌補母材材料不足，從而獲得優(yōu)異的綜合性能。高強度顆粒增強強化作用可以使金屬基復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的性能[1]，在航空、汽車等各工程領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[2—3]。在強化材料表面耐磨性、提高工件使用壽命的工業(yè)化生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)，WC顆粒增強金屬基復(fù)合材料有著不可替代的地位，因其硬度高、耐磨和耐腐蝕性好等特點，在表面硬化工程中發(fā)揮著重要作用。不同磨損條件所需的堆焊層基體與硬質(zhì)相匹配關(guān)系不相同，具體的制備工藝參數(shù)也不盡相同，沒有哪一種匹配關(guān)系、成分配比或工藝技術(shù)能同時適用于所有的磨損場合，因此要根據(jù)具體的工況，并綜合熱力學、動力學、凝固行為、物化性質(zhì)等理論基礎(chǔ)，來選擇最佳的方案。文中從制備工藝以及WC顆粒種類兩個方面，介紹了WC顆粒增強金屬基耐磨復(fù)合涂層的研究進展，對顆粒增強金屬基復(fù)合材料的研究提供一定的參考價值。

1 WC顆粒增強金屬基復(fù)合耐磨材料制備工藝

制備 WC顆粒增強金屬基復(fù)合耐磨材料的目的是改變零件表面的化學成分和組織形態(tài)，增強零件表面力學性能，使零件達到使用要求，從而延長零件使用壽命、提高生產(chǎn)效率。針對WC顆粒增強金屬基復(fù)合耐磨材料的制備，當前國內(nèi)外主要方法有冷噴涂技術(shù)、激光熔覆技術(shù)、等離子熔敷等。

1.1 冷噴涂技術(shù)

熱噴涂技術(shù)是利用不同熱源（等離子弧、電弧、燃燒火焰等）將粉末狀或絲狀的金屬和非金屬涂層材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，然后以一定的速度將其噴射到基體材料表面，制備一個具有特殊性能的工作表面，達到耐高溫、耐磨、耐腐蝕、絕緣等性能。目前較為新穎的噴涂工藝為冷噴涂技術(shù)。冷噴涂技術(shù)不同于傳統(tǒng)熱噴涂（超速火焰噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂等傳統(tǒng)熱噴涂），它利用壓縮空氣加速金屬粒子到零界速度，經(jīng)噴嘴噴出，金屬粒子直擊到基體表面后發(fā)生物理形變，金屬粒子撞扁在基體表面并牢固附著，整個過程金屬粒子沒有被熔化。噴涂基體表面產(chǎn)生的溫度不會超過150～200 ℃。冷噴涂工藝對基體熱影響小并且致密度高，能制備10 mm以上厚度的涂層，由于冷噴涂技術(shù)具有高速和低溫的特點，應(yīng)用于溫度敏感（如納米材料、非晶材料等）、對氧化敏感（如鈦和銅）和對相變敏感（金屬陶瓷等）的材料具有很大的優(yōu)勢。這些獨特的優(yōu)勢讓冷噴涂技術(shù)在導電材料、靶材和3D打印等領(lǐng)域有著特殊應(yīng)用。

黃煊杰[4]在純銅表面制備了WC/Cu復(fù)合涂層，涂層的厚度約為1128 μm，WC質(zhì)量分數(shù)為7.73%，顯微硬度為 HV0.2147.4，為銅合金表面性能優(yōu)化提供了一種新方法。戴宇[5]采用冷噴涂技術(shù)在AZ80鎂合金表面制備420不銹鋼涂層、420/WC-17Co復(fù)合涂層。研究表明，420粒子、WC-17Co粒子與擠壓變形的鎂合金基體形成機械咬合的結(jié)構(gòu)；420/WC-17Co復(fù)合涂層的孔隙率為 1.84%，明顯低于冷噴涂 420涂層的；420/WC-17Co 復(fù)合涂層的磨損率為 5.3×10?6mm3/(N·m)，相比AZ80鎂合金的下降了2個數(shù)量級。

冷噴涂技術(shù)在制備易氧化的金屬材料及溫度敏感材料方面具有較大優(yōu)勢，但是由于冷噴涂固有的沉積特性，即每個顆粒經(jīng)劇烈的塑性變形沉積形成涂層，導致沉積層塑性較差，限制其廣泛使用。

1.2 激光熔覆

激光熔覆技術(shù)是利用高能量密度的激光束作為熱源，通過同軸送粉或側(cè)向送粉方式將粉末原料快速熔化，在基材上快速凝固形成具有特殊性能熔覆層的工藝過程[6]。由于激光僅加熱基板表面上幾微米的深度，因此在激光熔覆后不會影響基板的熱和強度特性。激光熔覆技術(shù)具有一些固有的特性，例如快速加熱和快速冷卻，激光熔覆涂層晶粒細小，硬度較高，熱影響區(qū)小，基本不會破壞基體材料的性能，但是在快速加熱和快速冷卻的過程中引起的殘余應(yīng)力和馬蘭戈尼效應(yīng)分別會導致激光熔覆層中形成裂紋和孔。目前常采用一些方法來減少激光熔覆層中的缺陷，例如，預(yù)熱基板或預(yù)先放置的涂層，優(yōu)化工藝參數(shù)和梯度層。預(yù)熱是降低激光熔覆層和基板之間溫度梯度的最常用方法，可以防止裂紋和氣孔的產(chǎn)生。

圖1 激光熔覆過程示意Fig.1 Schematic diagram of laser cladding

1.3 等離子堆焊

等離子堆焊技術(shù)由于其高效、粉末適應(yīng)性廣等優(yōu)點在軋輥修復(fù)方面廣泛使用。離子堆焊可以提高工作的耐磨、耐腐蝕性能，如閥門密封面、石油化工設(shè)備及金屬工件等的制造與維修。通過采用不同的堆焊材料進行等離子堆焊，提高零部件的性能是生產(chǎn)和研究的重點[7]。

圖2 等離子堆焊示意Fig.2 Schematic diagram of plasma surfacing

張松[8]采用等離子堆焊技術(shù)在馬氏體不銹鋼表面制備鐵基合金涂層，添加定量稀土元素 CeO2，加稀土元素后的等離子堆焊層顯微組織細化，堆焊層組織并沒有出現(xiàn)明顯變化，顯微硬度有所提高，降低了鐵基合金堆焊層的摩擦因數(shù)，提高了其抗氧化磨損的能力，顯著改善了堆焊層的摩擦磨損性能。宗琳[9]采用等離子堆焊技術(shù)制備了原位自生陶瓷相M7C3+VC增強鐵基堆焊層，堆焊層顯微硬度梯度分布合理，其表層硬度平均為HV1030，堆焊層具有較好的耐磨性。Wei等[10]通過等離子轉(zhuǎn)移弧（PTA）堆焊制備了具有高碳化鎢含量的鎳基復(fù)合涂層。通過正交試驗優(yōu)化了WC/Ni基復(fù)合涂層的焊接參數(shù)、焊接電流、送粉速度和焊接速度等堆焊工藝參數(shù)，對碳化鎢顆粒溶解有重要影響。確定最佳堆焊電流、送粉速度和焊接速度分別為100 A，25 g/min和40 mm/min，所生產(chǎn)的WC/Ni基復(fù)合涂層無裂紋。WC/Ni基復(fù)合涂層在高電流下很容易發(fā)生碳化物降解，碳化鎢降解后出現(xiàn) Fe3W3C，F(xiàn)eW3C和Ni2W4C相。

1.4 電弧堆焊

電弧堆焊制備 WC顆粒增強金屬基復(fù)合耐磨材料是將WC顆粒添加到焊接材料中，利用傳統(tǒng)手工電弧焊、熔化極氣體保護焊、埋弧焊等方法制備耐磨復(fù)合涂層。袁曉波等[11]采用自制藥芯焊絲，利用3種保護氣體（純氫氣，80%的Ar+20%的CO2和純CO2氣體）制備碳化鎢/鐵基堆焊層。結(jié)果表明，采用純氬氣保護堆焊時，WC顆粒的溶解擴散層寬度約為3 μm，WC顆粒邊緣以須狀共晶組織為主，焊層顯微硬度為HV（790±20），磨損量為11.4 mg；保護氣體為純 CO2時，擴散層寬約為 5 μm，共晶組織形態(tài)為菊花狀、魚骨狀或類團絮狀，顯微硬度為HV（590±15），堆焊層表面磨損程度小，磨損量為 4.2 mg，較純氬氣保護降低了63%，耐磨性相對較好。

吳慧劍[12]采用金屬粉型藥芯焊絲自保護明弧焊制備Cr9Mn6Nb2WVSiTi奧氏體耐磨堆焊合金，研究外加WC顆粒對其顯微組織及耐磨性的影響。結(jié)果表明，隨焊絲藥芯中WC增加，奧氏體晶粒細化，沿晶分布的多元合金化碳化物數(shù)量增加。硬度和磨損測試結(jié)果顯示，明弧堆焊奧氏體合金洛氏硬度僅為HRC40～HRC47，但其磨損質(zhì)量損失低于高鉻鑄鐵合金，具有良好的耐磨性；隨著外加WC含量提高，奧氏體合金晶內(nèi)和晶界顯微硬度差異顯著減小，合金表面趨于均勻磨損而改善耐磨性。該奧氏體合金的磨損機制主要是磨粒顯微切削，適用于帶有一定沖擊載荷磨粒磨損的工況下使用。

雖然碳化鎢顆粒具有高硬度、高熔點、高耐磨性、小熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點，然而，碳化鎢在500 ℃開始劇烈氧化，其次碳化鎢在1550 ℃高溫熔池中熔化速率可達到57.4 mg/cm2。在熔池中碳化鎢的溶解會造成基體中 W 含量的增加，改變基體的性能，使組織和性能異化，因此，堆焊層耐磨性質(zhì)的優(yōu)異主要歸因于碳化鎢顆粒的大小和數(shù)量，降低碳化鎢顆粒的燒損，是提高碳化鎢顆粒增強金屬基復(fù)合材料的關(guān)鍵。采用冷金屬噴涂工藝制備的 WC顆粒增強金屬基復(fù)合耐磨材料雖然可以避免WC溶解問題，但是由于涂層連接機制為顆粒的機械咬合，涂層與基體間結(jié)合力相比于激光、等離子等制備的較弱，在沖擊載荷作用下容易產(chǎn)生剝離、脫落等問題。采用激光、等離子和電弧制備WC顆粒增強金屬基復(fù)合耐磨材料，雖然獲得了與基體結(jié)合緊密的涂層，但是由于其各自工藝特點，存在有顆粒熔解、裂紋等問題，因此，WC顆粒增強金屬基復(fù)合耐磨材料需要根據(jù)使用環(huán)境，合理選擇其制備工藝。

2 微米WC顆粒增強金屬基復(fù)合材料研究

微米WC顆粒是常用的WC增強顆粒，根據(jù)其制備工藝不同可分為鑄造 WC、燒結(jié) WC顆粒、球形WC顆粒以及自生WC顆粒。微米碳化鎢具有高硬度、高彈性模量、高耐磨性、高導熱性以及出色的熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性，作為常用增強顆粒在耐磨材料領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。

孟媛媛等[13]通過將鐵基自熔合金材料與添加質(zhì)量分數(shù)為 20%和 30%的 WC粉末進行對比試驗，F(xiàn)e314鐵基自熔合金材料制備的3 mm涂層的硬度值為HRC48.6，磨損量為65 mg；當WC質(zhì)量分數(shù)達到30%時，硬度值達到為HRC65.7，磨損量為16 mg。Kang等[14]采用選區(qū)激光熔化技術(shù)在18Ni-300馬氏體時效鋼中添加質(zhì)量分數(shù)為15%的WC，在馬氏體中添加WC后，硬度值從HV350增加到約HV400，磨損率從 6.2×10?5mm3/(N·m)降低到 0.8×10?5mm3/(N·m)，耐磨性顯著提高。范麗[15]研究發(fā)現(xiàn) WC增強鐵基等離子堆焊層中 WC增強相、高硬度的 Cr7C3和富含Cr的固溶強化奧氏體的存在，提高了堆焊層的硬度，質(zhì)量分數(shù)為 30%和 60%的 WC涂層的顯微硬度分別是304不銹鋼基體的3.7和4倍，穩(wěn)態(tài)摩擦因數(shù)分別比鐵基涂層減小了0.5%和83.3%。

WC顆粒增強金屬基耐磨堆焊層具有硬度高和耐磨性好等優(yōu)點，但其抗沖擊性能較差，容易開裂失效，因此，不少學者對顆粒增強金屬基復(fù)合材料中產(chǎn)生裂紋的機理進行了研究。P.B.Kadolkar[16]指出，激光熔覆過程中裂縫的形成與沉積材料和基體的熔點、熱膨脹系數(shù)和彈性模量等熱物理性質(zhì)有關(guān)。周勝峰[17]證明了裂紋取決于Ni基WC復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和激光功率和掃描速度等激光加工參數(shù)。Babout[18]研究了WC顆粒的內(nèi)應(yīng)力與WC體積分數(shù)成正比。在大尺寸WC顆粒中容易產(chǎn)生裂縫，高的激光功率和掃描速度引起的熱應(yīng)力，加速裂紋的萌生和擴展。

通過調(diào)整基體的組織結(jié)構(gòu)，達到抗磨損、抗沖擊、牢固粘結(jié)硬質(zhì)合金顆粒的目的。強度不高但韌性很好的鐵素體和奧氏體組織對硬質(zhì)相的包裹、支撐作用強，在承受一定應(yīng)力的條件下，能有效防止碳化鎢增強金屬基復(fù)合材料裂紋的產(chǎn)生和擴展，但是沖擊應(yīng)力過大會使基體組織與硬質(zhì)相結(jié)合處產(chǎn)生較大變形，加速硬質(zhì)相與基體的分離[19—20]。通常認為在選取基體材料時，高應(yīng)力磨粒磨損環(huán)境下應(yīng)選擇鐵素體組織材料作為基體材料，而在應(yīng)力磨粒磨損環(huán)境下，選奧氏體作為碳化鎢增強基體復(fù)合材料的基體組織更具優(yōu)越性，這是由于奧氏體組織韌性相對較好，而陶瓷顆粒硬度高，這種復(fù)合材料具有較高硬度的同時又有足夠的韌性[21]。影響金屬基復(fù)合材料性能的因素包括增強顆粒的形狀、分布和體積分數(shù)等。濃度決定單一成分的輸入并影響復(fù)合材料的特性，而方向則影響復(fù)合材料的各向同性。傳統(tǒng)的整體材料在考慮不同特性的可能組合方面具有局限性[22]。

3 納米WC顆粒增強金屬基復(fù)合材料研究

納米材料具有良好的化學催化性質(zhì)、熱學性質(zhì)、光學性質(zhì)及表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)等諸多其他材料所不具有的性能，被用作增強相而受到各國研究人員的關(guān)注。Parisa Farahmand等[23]利用感應(yīng)加熱輔助制備了Ni基合金涂層及納米WC增強Ni基涂層，通過比較研究得出加入納米WC增強了涂層的均勻性，細化了微觀結(jié)構(gòu)并極大提高了涂層顯微硬度。

喻仲昆[24]研究認為納米 WC團聚粒子由于在高溫作用下WC與CoCr更容易產(chǎn)生非晶固溶體，沉積過程析出界面不明顯。納米涂層沉積時，扁平粒子表面以脫碳反應(yīng)產(chǎn)生 W2C為主，扁平粒子內(nèi)部的納米WC首先與CoCr結(jié)晶固溶，并在WC-CoCr界面產(chǎn)生CoCr(W, C)固溶體（γ相）。相比于微米WC添加，垂直貫穿裂紋減少，對提高涂層強度具有積極作用。納米WC涂層將1Cr18Ni9Ti基體硬度提高到1.30 GPa，結(jié)合強度為59.6 MPa，涂層強化效果優(yōu)于微米涂層。在室溫和200 ℃時，納米WC-10Co-4Cr涂層耐摩擦磨損性能均優(yōu)于微米涂層。摩擦因數(shù)分布于 0.480～0.797。疏達[25]為增強42CrMo鋼表面硬度及耐磨性，利用半導體激光器在基體表面制備了Nano-WC粉末的質(zhì)量分數(shù)分別為 0%，10%，20%，30%，40%的Ni60增強涂層。結(jié)果表明，納米WC增強Ni60涂層表面成形良好。增強涂層的組織形貌呈條狀、樹枝狀、魚骨狀、塊狀和粒狀。物相以奧氏體Ni-Fe相為主，Nano-WC一部分保留下來，一部分形成了W2C新相，此外涂層中還生成有 Cr23C6，M6C，Cr7C3復(fù)合碳化物及CrB和NiW等復(fù)雜化合物。Nano-WC增強涂層的顯微硬度最大可達HV0.21256，比Ni60合金涂層提高約 50%。增強涂層的最小磨損體積約為1.29 mm3，僅為Ni60合金涂層的1/7；增強涂層平均摩擦因數(shù)可低至0.275，而Ni60合金涂層平均摩擦因數(shù)為 0.530，降低了約 48%。摩擦磨損研究表明，Nano-WC增強涂層磨損機制主要為粘著磨損，同時還伴有輕微的磨粒磨損。

楊二娟[26]采用超音速噴涂工藝，研究了3種不同級別（納米、納米微米混合及微米尺寸）WC顆粒對制備的WC-CoCr涂層組織與性能的影響，試驗結(jié)果表明，不同級別的WC顆粒尺寸，制備的涂層中相結(jié)構(gòu)存在差異，納米WC在涂層制備過程中分解嚴重，試驗得出WC顆粒尺寸是影響涂層性能的重要因素。碳化鎢形狀影響復(fù)合堆焊的裂紋敏感程度，球形WC增強鐵基復(fù)合材料具有更高的壓縮屈服強度和硬度，由于不規(guī)則 WCp上的更多凸起而導致的比表面積越大，在界面反應(yīng)區(qū)中會導致更脆的Fe3W3C相，不規(guī)則的WC由于應(yīng)力集中而易于產(chǎn)生裂紋。

目前納米 WC顆粒添加的研究主要集中在激光熔覆和熱噴涂領(lǐng)域，等離子熔敷和電弧堆焊方面研究成果較少。在熔敷過程中，納米WC可以作為異質(zhì)形核劑，改變凝固模式，從而細化晶粒減少裂紋的產(chǎn)生，但是需要指出的是，在較大熱輸入下，納米WC顆粒分解嚴重，不但無法起到形核劑作用，反而會引起成分結(jié)構(gòu)偏析和基體成分改變等問題。此外，納米WC顆粒團聚、分布不均勻等問題嚴重制約納米WC顆粒增強金屬基復(fù)合材料的發(fā)展。

4 總結(jié)

金屬基復(fù)合材料（MMCs）具有優(yōu)異的性能，在航空航天、汽車、生物醫(yī)學和工程領(lǐng)域的工程應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。在金屬基體中加入WC顆?？梢蕴岣卟牧系膹姸?、硬度、剛度，并提高其耐磨性。從以上研究可以看出，WC顆粒增強金屬復(fù)合材料研究的核心問題是減少WC顆粒分解的問題。選擇合適能力輸入，減少制備過程中WC顆粒燒損與分解，是制備WC顆粒增強金屬基復(fù)合材料的關(guān)鍵。采用冷噴涂這種小熱輸入的制備方式或者激光、等離子等高能束流制備工藝，其主要目的是降低制備過程中熱輸入，從而減少WC顆粒的分解。增大WC顆粒的質(zhì)量分數(shù)會顯著提高性能，含量過少不易起到強化效果，含量過高容易導致裂紋的產(chǎn)生和擴展。增強顆粒的形狀、分布、大小和體積分數(shù)都會影響復(fù)合材料基體的性能。隨著關(guān)于 WC顆粒增強金屬基復(fù)合材料研究的迅速發(fā)展和不斷深入，可以在現(xiàn)有知識背景的基礎(chǔ)上，強化產(chǎn)學研合作，促進技術(shù)創(chuàng)新，將實驗研究真正運用于社會生產(chǎn)實踐中，WC顆粒增強金屬基復(fù)合耐磨材料必將在未來的耐磨領(lǐng)域內(nèi)綻放異彩。