李倩，陳發(fā)強(qiáng)，王茜，張峻巍

激光熔覆WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層的研究進(jìn)展

李倩，陳發(fā)強(qiáng)，王茜，張峻巍

（遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

激光熔覆是一種新型表面改性技術(shù)，具有能量密度高、稀釋率可控、涂層與基體呈現(xiàn)良好的冶金結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，且快熱快冷的特性有利于在基材表面形成具有細(xì)小致密組織的涂層，從而獲得耐磨耐蝕等優(yōu)異性能。WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層因兼具陶瓷材料優(yōu)異的耐高溫、耐磨性和金屬材料良好的強(qiáng)韌性，近些年成為激光熔覆研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。綜述了激光熔覆WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層的研究進(jìn)展。概述了WC在復(fù)合涂層中的作用，包括WC的強(qiáng)化機(jī)制及其對(duì)復(fù)合涂層摩擦磨損性能及磨損機(jī)制的影響。在此基礎(chǔ)上，從Ni基合金成分、WC增強(qiáng)相的添加量、尺寸、種類以及稀土元素的影響等方面，論述了激光熔覆WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層的材料體系，重點(diǎn)討論了WC在復(fù)合涂層中的分布規(guī)律和存在形式。同時(shí)綜述了激光功率、掃描速度、基體預(yù)處理等熔覆工藝參數(shù)，以及超聲振動(dòng)輔助、感應(yīng)加熱等新型激光熔覆技術(shù)，對(duì)復(fù)合涂層成形質(zhì)量、微觀組織、物相組成及性能的影響。最后對(duì)現(xiàn)階段激光熔覆WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層研究中存在的問題及未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

激光熔覆；Ni基復(fù)合涂層；WC；耐磨性能

激光熔覆是一種新型金屬材料表面改性技術(shù)，具有稀釋率低、熱影響區(qū)小、基體與涂層成良好冶金結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，已在航空航天、石油化工、汽車等行業(yè)得到實(shí)際應(yīng)用[1-2]。鎳基合金具有優(yōu)良的抗氧化性、耐腐蝕性、滲透性、高溫自潤(rùn)滑性以及適中的價(jià)格，因此是應(yīng)用較為廣泛的激光熔覆材料[3-4]。但是，鎳基熔覆涂層在硬度及耐磨性等方面，無法滿足設(shè)備零部件在特殊環(huán)境下的使用需要，因此近些年陶瓷增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層成為研究的熱點(diǎn)。WC具有高熔點(diǎn)、高硬度和較低的熱膨脹系數(shù)，同時(shí)與鎳基合金的潤(rùn)濕性良好，是一種較為理想的陶瓷添加相材料[5-6]。在鎳基合金粉末中加入WC陶瓷顆粒增強(qiáng)相，經(jīng)激光熔覆制成金屬基陶瓷復(fù)合涂層，可將金屬的強(qiáng)韌性、良好的工藝性和陶瓷材料優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性有機(jī)結(jié)合起來，具有潛在的應(yīng)用前景[7-8]。

文中從WC的性質(zhì)和強(qiáng)化機(jī)制、復(fù)合涂層材料體系、工藝參數(shù)、外場(chǎng)輔助激光熔覆等方面，綜述了激光熔覆WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，總結(jié)了激光熔覆工藝參數(shù)、外場(chǎng)輔助和熔覆層組織及性能之間的聯(lián)系，并指出了激光熔覆WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層現(xiàn)階段存在的問題和發(fā)展趨勢(shì)。

1 WC在復(fù)合涂層中的作用

1.1 WC的強(qiáng)化機(jī)制

WC是一種具有高熔點(diǎn)、高硬度的碳化物陶瓷材料，其主要物理性質(zhì)如表1所示。

表1 WC的主要物理性質(zhì)[9]

在Ni基合金中引入WC可以顯著提高涂層的硬度和耐磨性，其強(qiáng)化機(jī)制主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）WC具有較高的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，未溶解的WC顆粒分布在復(fù)合涂層的內(nèi)部和表面，可以有效提高熔覆層的硬度，進(jìn)而改善耐磨性[10]。

2）激光熔覆過程中，WC在熔池中可以作為異質(zhì)形核中心，促進(jìn)大量二次枝晶的形成，增大形核率，進(jìn)而細(xì)化晶粒。根據(jù)Hall-Patch公式可知，晶粒細(xì)化有助于提高組織的硬度。例如，Zhou等[11]在激光熔覆WC/Inconel 625復(fù)合涂層的研究中發(fā)現(xiàn)，熔覆過程中，未分解的WC顆粒和WC部分溶解生成的W2C、Fe3W3C等次生化合物，可以作為形核中心，促進(jìn)大量二次枝晶在其周圍形成（如圖1所示）；同時(shí)，與Inconel 625涂層相比，WC/Inconel 625復(fù)合涂層的組織更細(xì)小（如圖2所示），平均硬度可達(dá)589HV。

3）在激光熱作用下，部分WC在熔池中會(huì)發(fā)生如下的分解反應(yīng)：

2WC=W2C+C (1)

W2C=2W+C (2)

WC分解產(chǎn)生的W和C元素會(huì)固溶于基體中，起到固溶強(qiáng)化的作用；同時(shí)冷卻過程中，W和C元素與Ni、Cr等合金元素形成的新相會(huì)重新析出，彌散分布在基體組織中，發(fā)揮析出強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的作用[12]。但是，WC分解產(chǎn)生的碳會(huì)與氧反應(yīng)生成CO和CO2，部分氣體在快速凝固過程中被保留在熔覆層內(nèi)部，導(dǎo)致氣孔的出現(xiàn)，使得復(fù)合涂層的強(qiáng)度降低。另外，WC溶解產(chǎn)生的二次析出相主要有塊狀、條狀或?qū)訝钐蓟?，它們通常屬于脆性相。Farahmand等[13]討論了WC在激光熔覆Ni-WC復(fù)合涂層中的溶解現(xiàn)象，結(jié)果如圖3所示。復(fù)合涂層中存在一些氣孔，且在WC邊緣及周圍區(qū)域出現(xiàn)了塊狀、魚骨狀和層狀的次生碳化物。根據(jù)成分分析結(jié)果，推測(cè)這些碳化物可能為W2C、WC1?x、M3W3C、Cr7C3、W7C3、M12C和(Ni,W)6C。

圖1 殘留WC粉末和金屬間化合物的EDS分析[11]

圖2 EBSD反極圖和晶粒尺寸分布[11]

圖3 熔覆層截面形貌（功率3500 W，掃描速率7 mm/s，送粉速率0.6 g/s）[13]

實(shí)際上，WC對(duì)復(fù)合涂層的性能影響是上述多種機(jī)制綜合作用的結(jié)果。一般認(rèn)為，WC的溶解和脫碳不利于復(fù)合涂層的耐磨性能。激光功率越高，掃描速度越低，WC顆粒越容易發(fā)生部分溶解，相應(yīng)的未溶WC硬質(zhì)相數(shù)量減少，使得涂層的耐磨性能下降。次生碳化物的出現(xiàn)易造成局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋等缺陷萌生，影響涂層的質(zhì)量。此外，由于WC的密度（15.63 g/cm3）與鎳基體的密度（7.53 g/cm3）不同，在熔覆過程中較重的WC顆粒受重力作用傾向于分布在涂層中下部，導(dǎo)致涂層表面和內(nèi)部的性能有所差異。綜上所述，WC增強(qiáng)相的存在形式和分布規(guī)律，對(duì)激光熔覆WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層的性能起著關(guān)鍵作用。

1.2 WC對(duì)復(fù)合涂層耐磨性能的影響

現(xiàn)階段，激光熔覆WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層主要應(yīng)用于耐磨領(lǐng)域，因此對(duì)復(fù)合涂層性能的研究主要集中于耐磨性能。近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)激光熔覆WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層的常溫和高溫耐磨性能進(jìn)行了大量研究，采用的摩擦磨損性能測(cè)試方法也不盡相同。表2總結(jié)了部分文獻(xiàn)中采用的實(shí)驗(yàn)方法。

Weng等[17]采用半導(dǎo)體激光器在不銹鋼表面制備了添加不同WC含量的Ni/WC復(fù)合涂層，并利用環(huán)塊式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)涂層在室溫、600 ℃和700 ℃下摩擦磨損性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，室溫下，涂層的磨損量隨著WC含量的增加而降低，說明WC可以改善涂層的耐磨性能。從圖4中的磨損表面形貌可以看出，未添加WC的鎳基涂層主要呈現(xiàn)粘著磨損和嚴(yán)重的塑形變形特征；而添加20%～60%WC（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的涂層磨損表面，僅觀察到較淺的犁溝磨痕，主要呈現(xiàn)出磨粒磨損的特征。這是因?yàn)樵谀p過程中，硬質(zhì)WC顆?？梢员Ｗo(hù)軟金屬基體免受對(duì)偶件的切削，而且由于WC顆粒和Ni基體之間有良好的結(jié)合性，WC顆粒很難從基體中被拉拔出來。當(dāng)溫度為600 ℃和700 ℃時(shí)，粘著磨損和氧化磨損為主要磨損機(jī)制。高溫使得涂層表面形成了由NiWO4和WO3組成的氧化膜，在600 ℃時(shí)由于氧化膜較薄，機(jī)械性能較差而易在磨損過程中剝離，因此涂層的耐磨性相對(duì)較差；而在700 ℃時(shí)，涂層表面形成了連續(xù)的氧化膜，可以起保護(hù)作用，因而減少了涂層的磨損損失。Yan等[23]利用激光熔覆技術(shù)在PH13-8Mo鋼基體表面制備了多道NiCrBSi-WC復(fù)合涂層，并對(duì)比研究了基體、復(fù)合涂層以及涂層/基體界面區(qū)域在室溫下的摩擦磨損性能。結(jié)果表明，復(fù)合涂層主要由固溶體基體和大量的W2C、M23C6碳化物以及Ni3B金屬間化合物組成；涂層、稀釋區(qū)、熱影響區(qū)和基體的平均硬度依次為(1008±48.2)、(842±31.8)、(386±24.4)、(356±3.0)HV0.2。球盤式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NiCrBSi-WC復(fù)合涂層具有優(yōu)異的耐磨性能，摩擦因數(shù)為0.28，磨損速率為(3.92±0.72)×10?4mm3/(N·m)，其磨損機(jī)制主要為軟金屬基體造成的粘著磨損和硬質(zhì)氧化物磨屑導(dǎo)致的磨粒磨損。同時(shí)，涂層/基體界面也展現(xiàn)了良好的耐磨性，在涂層/基體界面的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定磨損過程中可以檢測(cè)到臺(tái)階特征（如圖5所示）。Hu等[24]在5Cr5MoSiV1隧道掘進(jìn)機(jī)刀圈材料表面激光熔覆了Ni基WC復(fù)合涂層，并根據(jù)ASTM G65—2016標(biāo)準(zhǔn)，用干砂/橡膠輪裝置對(duì)其摩擦磨損性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，熔覆層磨損前后的體積損失僅為基體的1/7，這主要是因?yàn)槿鄹餐繉又芯鶆蚍植嫉腤C和W2C顆粒，能夠有效阻礙硬質(zhì)巖石顆粒的擠壓和犁削，從而提高了熔覆涂層的耐磨性。

表2 部分文獻(xiàn)中采用的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)方法

Tab.2 Experimental method of friction and wear tests in some literatures

圖4 不同WC含量的涂層在室溫下的磨損形貌[17]

圖5 涂層/基體界面處的磨損機(jī)制示意圖[23]

2 復(fù)合涂層材料體系

復(fù)合涂層的性能是基體相與增強(qiáng)相共同作用的結(jié)果，需要通過合理的材料設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)各相性能的互相補(bǔ)充及彼此關(guān)聯(lián)，獲得更優(yōu)異的性能。因此，對(duì)于WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層，可以通過對(duì)復(fù)合涂層中Ni基合金基體的成分和WC增強(qiáng)相的添加量、尺寸、形態(tài)、種類等進(jìn)行綜合調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高性能復(fù)合涂層的制備。

2.1 Ni基合金基體

基體材料成分的選擇對(duì)于能否充分發(fā)揮基體相和增強(qiáng)相各自的性能特點(diǎn)，獲得優(yōu)異的綜合性能起著關(guān)鍵作用。目前，基于如何提高WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層的耐磨性能這一研究重點(diǎn)，大多數(shù)研究選取的基體材料為NiCrBSi高硬鎳基合金。Cr、B、Si等元素在熔覆過程中易在鎳基體中形成CrB、Ni3B等硬質(zhì)相，這些硬質(zhì)相有助于提高基體的硬度，進(jìn)而提高復(fù)合涂層的耐磨性能。但是，鎳基體中硬質(zhì)相的數(shù)量越多，涂層的裂紋敏感性越大；同時(shí)由于B元素在鎳中的溶解度極低，它更傾向于在晶界處偏聚，這也會(huì)增大涂層的熱開裂傾向。Luo等[25]研究了NiCrBSi含量對(duì)激光熔覆WC/Ni-NiCrBSi復(fù)合涂層組織、裂紋敏感性及耐磨性的影響。他們將復(fù)合涂層中WC的添加量固定為30%，設(shè)計(jì)鎳基合金成分分別為70%Ni、21%Ni- 49%NiCrBSi、7%Ni-63%NiCrBSi和70%NiCrBSi。結(jié)果表明，復(fù)合涂層的磨損機(jī)制隨著NiCrBSi含量的增加，逐漸從微觀切削機(jī)制向脆性剝落機(jī)制轉(zhuǎn)變（如圖6所示）。涂層的磨損機(jī)制與其硬度和斷裂韌性相關(guān)，隨著鎳基合金中NiCrBSi含量的增加，涂層的平均硬度不斷提高，硬度的增加有利于改善涂層抗微觀切削的能力。但斷裂韌性與硬度呈相反的變化規(guī)律，斷裂韌性的下降使得涂層的裂紋敏感性增大，導(dǎo)致涂層在磨損過程中易發(fā)生脆性剝落。黃運(yùn)亮[26]對(duì)比了兩種不同硬度的鎳基合金基體相（編號(hào)440和425）對(duì)Ni/WCp復(fù)合涂層硬度和耐磨性能的影響。結(jié)果表明，采用低硬度425合金制備的Ni/WCp復(fù)合涂層的熔覆質(zhì)量較好，無氣孔和裂紋缺陷，但由于其基體相較軟（HRC34），對(duì)WC增強(qiáng)顆粒的把持能力不足，使得涂層在磨損過程中呈現(xiàn)較為嚴(yán)重的磨粒磨損特征。而采用高硬度440合金（HRC46）制備的Ni/WCp復(fù)合涂層，硬度和耐磨性均有所提升，這是因?yàn)榛w相自身抗顯微切屑與擠壓塑性變形的能力較強(qiáng)，使得其對(duì)WC顆粒的把持能力增強(qiáng)，所以WC顆粒在磨損過程中的脫落得到緩解。

圖6 不同Ni-NiCrBSi含量的復(fù)合涂層磨損表面的形貌[25]

2.2 WC的添加量

金屬基復(fù)合涂層中陶瓷添加相的引入一般分為直接添加和原位合成兩種方法。對(duì)于激光熔覆WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層，WC顆粒主要以直接添加的方式與Ni基合金粉末機(jī)械混合后進(jìn)行熔覆。不同添加量的WC顆粒對(duì)激光熔覆Ni基復(fù)合涂層的物相、組織和性能具有顯著影響。王開明等[27]利用6 kW光纖激光器在Q235鋼表面激光熔覆Ni基WC復(fù)合涂層，研究了不同WC添加量下熔覆層組織形態(tài)、成分、顯微硬度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，熔覆層的稀釋率隨著WC添加量的增加呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢(shì)，當(dāng)WC添加量為20%時(shí)，稀釋率最小。熔覆層組織中主要有γ-Ni、M7C3、M23C6、CrB、WC和W2C等相存在，隨著WC添加量的增加，組織出現(xiàn)細(xì)化現(xiàn)象，同時(shí)硬度增大；當(dāng)WC添加量達(dá)到40%時(shí)，熔覆層硬度可達(dá)基體硬度的5倍以上。Tian等[28]通過激光熔覆在2Cr13鋼表面制備Inconel625+WC復(fù)合涂層，探究不同WC含量對(duì)復(fù)合涂層組織形態(tài)、顯微硬度和耐蝕性的影響。結(jié)果表明，復(fù)合涂層的相組成主要為γ-(Ni,Fe)和各種碳化物。隨著WC含量的增加，熔覆層硬度顯著增加，WC添加量為20%的涂層硬度比2Cr13鋼基體的大2.64倍，最高達(dá)到536.98HV1。WC添加量為10%的涂層具有最佳的耐腐蝕性，其腐蝕電位比2Cr13鋼高0.788 06 V，腐蝕電流密度僅為2Cr13鋼的0.86%。

Ni基合金粉末和WC增強(qiáng)顆粒之間存在的密度差，導(dǎo)致WC在復(fù)合涂層中分布不均勻，WC在涂層中的實(shí)際濃度往往不同于其理論添加濃度。Ortiz等[29]利用激光熔覆技術(shù)制備了不同WC添加量的NiCrBSi+ WC復(fù)合涂層（如圖7所示），重點(diǎn)討論了WC顆粒沿涂層深度方向的分布狀態(tài)及實(shí)際含量的變化規(guī)律。結(jié)果表明，WC在涂層中的實(shí)際平均含量約為理論送粉量的80%，且其在結(jié)合處附近的含量高于理論值，而在涂層上方區(qū)域的實(shí)際含量則低于理論值。同時(shí)建立了WC在復(fù)合涂層中分布的理論模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算基本吻合。Garcia等[30]研究了WC實(shí)際含量對(duì)激光熔覆NiCrBSi+WC復(fù)合涂層滑動(dòng)摩擦磨損性能的影響。他們結(jié)合圖像處理軟件，分析了球盤式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后涂層表面的實(shí)際WC含量，發(fā)現(xiàn)涂層的主要磨損機(jī)制取決于WC的實(shí)際含量，在WC實(shí)際添加量為27%附近存在一個(gè)極限值，超過極限值后，WC含量的增加不會(huì)導(dǎo)致磨損的顯著減少。

需要強(qiáng)調(diào)的是，更多的增強(qiáng)顆粒并不總是意味著能獲得更好的性能，而是取決于最終的應(yīng)用目標(biāo)。

圖7 不同WC添加量的激光熔覆NiCrBSi+WC復(fù)合涂層截面形貌[29]

2.3 WC的尺寸

常用的WC增強(qiáng)顆粒是微米級(jí)WC，微米WC具有高硬度、高彈性模量、高耐磨性、高導(dǎo)熱性以及出色的熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，作為增強(qiáng)相在耐磨材料領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[31]。目前使用的微米WC顆粒大多為球形。胡柏林等[32]通過研究發(fā)現(xiàn)，球形WC的添加對(duì)Ni基熔覆層的物相組成和組織結(jié)構(gòu)有明顯的影響。WC的加入抑制了γ-(Ni,Fe)基體相的生長(zhǎng)，促進(jìn)了金屬間化合物FeNi3、Fe2W的生成；隨著WC的加入，熔覆層中典型的枝晶組織得到細(xì)化，硬質(zhì)相也由長(zhǎng)條狀、樹枝狀轉(zhuǎn)化為塊狀，同時(shí)顯微硬度得到很大提升。Deschuyteneer等[33]選取3種不同尺寸（40～160、250～400、750～1200 μm）的球形WC顆粒，研究了強(qiáng)化相尺寸對(duì)激光熔覆NiCrBSi-WC復(fù)合涂層耐磨性能的影響。滾動(dòng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加了最大尺寸的WC顆粒的涂層具有最佳的耐磨性；相反地，銷盤式摩擦磨損測(cè)試證明了添加較小尺寸的WC顆粒，更有助于改善涂層的抗滑動(dòng)摩擦性能。

納米顆粒具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)以及界面效應(yīng)等傳統(tǒng)材料不具備的性能，而且具有良好的化學(xué)催化性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)[34]。研究者們?cè)谖⒚譝C顆粒增強(qiáng)Ni基合金涂層的基礎(chǔ)上，嘗試引入納米WC顆粒。納米WC顆粒的加入使得涂層裂紋數(shù)量減少，韌性改善，同時(shí)納米WC還具有彌散強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化的作用，因而涂層的耐磨性能也得到了提升。Chen等[35]對(duì)比研究了添加納米WCn和微米WCm顆粒，對(duì)激光熔覆WC/Ni60B復(fù)合涂層組織、顯微硬度及耐磨性能的影響。與30%WCm/Ni60B涂層相比，30%WCn/Ni60B涂層的組織更加細(xì)小，其顯微硬度最高。與微米WC相比，納米WC在熔覆過程中更容易溶解于γ-Ni固溶體基體中，具有固溶強(qiáng)化作用；另一方面，相比于納米WC，更多的微米WC顆粒保留在復(fù)合涂層中，能夠有效阻礙磨環(huán)的犁溝破壞。綜合上述兩種作用，同時(shí)添加納米wc和微米WC的15%WCm-15%WCn/Ni60B復(fù)合涂層，顯示出最好的耐磨性能。

納米WC對(duì)消除激光熔覆產(chǎn)生的裂紋也有重要作用。吳培桂等[36]采用CO2激光器和寬帶熔覆技術(shù)制備了納米WC/Co增強(qiáng)鎳基、鐵基復(fù)合涂層，得到的熔覆層無裂紋出現(xiàn)，證實(shí)了添加納米WC/Co合金粉末具有抗裂作用。疏達(dá)等[37]利用半導(dǎo)體激光器在42CrMo鋼表面制備了添加不同納米WC含量的Ni60涂層。納米WC增強(qiáng)Ni60熔覆層的表面成形良好，裂紋少。復(fù)合涂層的組織主要由γ-Ni樹枝晶和枝晶間多元共晶組成，組織形貌呈條狀、樹枝狀、魚骨狀、塊狀和粒狀，晶粒結(jié)合致密。復(fù)合涂層的顯微硬度最大可達(dá)1256HV0.2，比Ni60涂層提高約50%；最小磨損體積約為1.29 mm3，僅為Ni60合金涂層的1/7；最小平均摩擦因數(shù)為0.275，相比Ni60涂層降低了約48%。

2.4 WC的種類

WC在熔覆過程中易產(chǎn)生脫碳、燒損和氧化現(xiàn)象，同時(shí)WC含量的增加易導(dǎo)致顆粒聚集以及涂層裂紋的萌生。為解決上述問題，可以使用鎳或鈷作為WC的粘結(jié)劑，制成鎳包WC（WC-Ni）和鈷包WC（WC-Co）粉末，提高WC增強(qiáng)相與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而改善熔覆層的質(zhì)量。

鎳包WC是一種具有核殼結(jié)構(gòu)的球狀混合粉，WC顆粒被Ni基合金包裹在球狀結(jié)構(gòu)的中心位置。Ni能對(duì)WC顆粒起到保護(hù)作用，因?yàn)樗鼘?duì)激光光波的吸收率和熱導(dǎo)率比WC低。此外，鎳包WC還可提高WC顆粒的潤(rùn)濕性及其在涂層中的彌散性。申井義等[38]在45鋼基體上激光熔覆Ni-WC/Ni及WC-Ni合金涂層，并對(duì)兩種涂層的顯微組織、物相組成、顯微硬度進(jìn)行了對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)鎳包WC增強(qiáng)Ni基合金涂層的組織更細(xì)小，成分分布更均勻，WC相的結(jié)構(gòu)完整性較好，平均顯微硬度為933.1HV0.2，略高于WC-Ni熔覆涂層的硬度。Zhou等[39]用激光熔覆技術(shù)在不銹鋼表面制備了NiCrBSi涂層和NiCrBSi/WC-Ni復(fù)合涂層，研究表明NiCrBSi/WC-Ni復(fù)合涂層比NiCrBSi涂層具有更好的高溫耐磨性。

WC-Co本身就是硬質(zhì)合金，具有很好的高硬度和耐磨性，并且Co的存在又使其具有高強(qiáng)度和韌性，可以大大提高涂層的硬度[40]。王東生等[18]在42CrMo合金鋼基體表面制備WC-Co顆粒增強(qiáng)NiCrBSi復(fù)合涂層，得到的復(fù)合涂層頂部為方向雜亂的細(xì)小樹枝晶，中部為較粗大的柱狀樹枝晶，底部為垂直于結(jié)合界面生長(zhǎng)的胞狀晶，涂層與基體形成了良好的冶金結(jié)合；復(fù)合涂層表面的平均硬度為810HV1，遠(yuǎn)高于42CrMo合金鋼的硬度。趙士林[41]同樣利用激光熔覆技術(shù)在Cr12鋼表面制備了Ni60B-WC/Co復(fù)合涂層，涂層主要由γ-(Ni,Fe)固溶體、WC、Cr23C6、Cr7C3和Co3W3C組成，經(jīng)工藝參數(shù)優(yōu)化所制得的復(fù)合涂層顯微硬度比基體提高了3～4倍。

2.5 稀土元素的影響

在激光熔覆層中加入適量稀土元素及其氧化物，可有效細(xì)化組織，抑制偏析，減少缺陷，使涂層性能得到顯著提升。需要指出的是，雖然稀土元素能夠很好地改變?nèi)鄹矊有阅?，但是其添加量值得推敲，添加太少起不到效果，太多則有強(qiáng)化相減少、稀釋率增加的問題出現(xiàn)，所以關(guān)鍵問題是確定稀土元素的最佳添加量[42]。

Shu等[43]利用激光熔覆技術(shù)原位合成WC增強(qiáng)Ni基涂層，探究了不同CeO2添加量對(duì)WC顆粒形貌及涂層機(jī)械性能的影響，并討論了CeO2對(duì)WC顆粒生長(zhǎng)的作用機(jī)制。結(jié)果表明，當(dāng)CeO2添加量為2%時(shí)，涂層的硬度和耐磨性最佳。CeO2能夠吸附在晶體表面，進(jìn)而降低WC顆粒與基體材料之間的自由能差。丁陽(yáng)喜等[44]對(duì)比研究了不同WC和Y2O3添加量對(duì)Ni基合金涂層性能的影響，發(fā)現(xiàn)添加30%WC+ 1.0%Y2O3的熔覆涂層的晶粒細(xì)小，硬度和耐磨性最好。Zhao等[45]利用CO2激光器在30CrMnSiNi2A鋼基體上熔覆了WC-CeO2/Ni和CeO2/Ni涂層，并對(duì)比研究了兩種涂層的組織、物相及機(jī)械性能。結(jié)果表明，納米CeO2富集在枝晶間共晶組織，能夠有效降低晶粒尺寸，因此促進(jìn)了兩種涂層組織的細(xì)化。相比CeO2/Ni涂層，WC-CeO2/Ni具有更高的硬度和耐磨性，這主要是因?yàn)椴糠諻C分解產(chǎn)生的碳促進(jìn)了硬脆相M23C6型碳化物的形成，同時(shí)W作為固溶元素引起的晶格畸變可以進(jìn)一步提升涂層的硬度。

3 工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合涂層組織和性能的影響

在熔覆材料體系選定的前提下，激光熔覆工藝參數(shù)直接決定涂層的質(zhì)量和性能。主要工藝參數(shù)包括激光功率、掃描速度以及送粉量等，各參數(shù)之間相互影響，可以采用合理的控制方法來選擇最優(yōu)的工藝參數(shù)。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者研究了工藝參數(shù)對(duì)涂層的影響，表3列出了部分文獻(xiàn)中的最優(yōu)激光熔覆工藝參數(shù)。

井振宇等人[46]采用單因素控制變量法和正交實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)激光熔覆Ni35WC11涂層的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，在低激光功率（900～1300 W）下，熔覆層中的粉末顆粒沒有完全熔化，表面不光整且存在較多氣孔；在高激光功率（1600 W）下，由于熱應(yīng)力的產(chǎn)生導(dǎo)致熔覆涂層中有裂紋出現(xiàn)；當(dāng)激光功率為1500 W時(shí)，可以獲得最優(yōu)狀態(tài)的熔覆層。在功率不變的情況下，送粉量的多少會(huì)影響粉末是否能夠完全熔化，也會(huì)影響熔覆涂層的寬度和高度。掃描速度則是通過影響熔覆過程中的熱輸入量，進(jìn)而對(duì)涂層的潤(rùn)濕角產(chǎn)生影響。崔崗等[47]分析了掃描速度對(duì)Ni基WC合金熔覆涂層成形、組織和性能的影響。結(jié)果表明，掃描速度越大，熔覆涂層越容易出現(xiàn)裂紋，柱狀晶從底部延伸的生長(zhǎng)寬度越小，組織晶粒越細(xì)化，物相成分沒有明顯變化，顯微硬度越大，涂層的耐磨、耐蝕性越好。Ma等[48]利用寬帶激光熔覆技術(shù)研究了激光功率對(duì)Ni60/WC復(fù)合涂層組織演變的影響規(guī)律及強(qiáng)化相生長(zhǎng)的調(diào)控作用。結(jié)果表明，激光功率直接影響涂層中原位生成強(qiáng)化相的生長(zhǎng)形態(tài)，當(dāng)激光功率為3.6 kW時(shí)，強(qiáng)化相是由(Cr,W)5B3硼化物內(nèi)核、γ-Ni(Fe)樹枝晶和γ-Ni(Fe)/M23C6片層共晶組成的帶核共晶組織，如圖8所示；當(dāng)激光功率降至2.4 kW時(shí)，共晶組織的形成幾乎被完全抑制。

表3 部分文獻(xiàn)中的最優(yōu)激光熔覆工藝參數(shù)

Tab.3 Optimum laser cladding process parameters in some literatures

圖8 典型帶核共晶組織（激光功率3.6 kW）[48]

另外，激光熔覆快速加熱及冷卻的特點(diǎn)導(dǎo)致涂層易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。通過對(duì)基體材料預(yù)熱來提高其表面溫度，有助于降低凝固過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，進(jìn)而減少裂紋的產(chǎn)生。姚永強(qiáng)等[51]研究了真空和基體預(yù)熱對(duì)激光熔覆WC增強(qiáng)鎳基合金涂層組織和性能的影響。實(shí)驗(yàn)前，將基體預(yù)熱至200 ℃，激光熔覆實(shí)驗(yàn)在100 Pa的真空度下進(jìn)行。涂層中不存在裂紋與氣孔，組織較為均勻，這是因?yàn)檎婵窄h(huán)境熔覆和基體預(yù)熱可以提高熔池中液態(tài)金屬的流動(dòng)性，元素的均勻分布促進(jìn)了涂層中碳化物硬質(zhì)相從Cr23C6向細(xì)小的Cr3C2轉(zhuǎn)變，從而降低了涂層的開裂傾向。同時(shí)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)真空和基體預(yù)熱處理后的熔覆層的耐磨性能得到顯著改善。

通過上述分析可見，激光熔覆加工參數(shù)對(duì)熔覆層質(zhì)量和組織有顯著影響。通過調(diào)整激光工藝參數(shù)可以獲得成形質(zhì)量良好、增強(qiáng)相細(xì)小且均勻致密的WC增強(qiáng)Ni基激光熔覆層，同時(shí)可以結(jié)合理論模型并進(jìn)行大量熔覆實(shí)驗(yàn)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行篩選優(yōu)化。

4 外場(chǎng)輔助激光熔覆在WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層中的應(yīng)用

除了改變?nèi)鄹膊牧项愋?、?yōu)化激光熔覆工藝參數(shù)外，施加外場(chǎng)輔助的新型復(fù)合激光熔覆也有助于減少裂紋和氣孔等冶金缺陷，能夠進(jìn)一步改善WC增強(qiáng)Ni基熔覆層的成形質(zhì)量和性能。新型復(fù)合激光熔覆技術(shù)主要包括超聲振動(dòng)輔助[52-53]、電磁場(chǎng)輔助[54-55]、感應(yīng)加熱輔助[56]以及聲磁耦合[57]等。超聲振動(dòng)最早在傳統(tǒng)鑄造領(lǐng)域得到應(yīng)用，隨后擴(kuò)展到焊接、熔覆等領(lǐng)域。超聲振動(dòng)產(chǎn)生的聲波效應(yīng)和空化效應(yīng)能夠影響熔覆層的凝固過程，細(xì)化晶粒并抑制裂紋萌生。聲磁耦合是超聲振動(dòng)和電磁場(chǎng)二者結(jié)合的復(fù)合場(chǎng)，可以彌補(bǔ)單一能場(chǎng)作用范圍小、效果不明顯等問題，三者對(duì)比作用機(jī)理如圖9所示[58]。感應(yīng)加熱輔助則是激光能量和感應(yīng)熱源相結(jié)合的技術(shù)。外場(chǎng)輔助激光熔覆在降低孔隙率、細(xì)化微觀結(jié)構(gòu)、消除應(yīng)力和均勻顆粒分布方面發(fā)揮了重要作用[59-60]。目前，應(yīng)用于激光熔覆WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層的外場(chǎng)輔助技術(shù)主要以超聲振動(dòng)輔助激光熔覆技術(shù)和感應(yīng)加熱輔助激光熔覆技術(shù)為主。

圖9 能場(chǎng)作用下激光熔池金屬晶核長(zhǎng)大示意圖[58]

4.1 超聲振動(dòng)輔助激光熔覆技術(shù)

聶學(xué)武等[16]研究了超聲振幅對(duì)激光熔覆WC/IN718復(fù)合涂層組織及性能的影響，并分析了WC顆粒隨超聲振幅變化的趨向分布。結(jié)果表明，在適當(dāng)?shù)恼穹?，WC顆粒能夠均勻分布在涂層的中上部，且沒有發(fā)生嚴(yán)重分解；施加超聲振動(dòng)輔助的復(fù)合涂層，其硬度和高溫摩擦磨損性能均有明顯提升。高國(guó)富等[61]研究超聲振動(dòng)輔助作用下Ni60WC25熔覆涂層的微觀組織，討論了超聲振動(dòng)對(duì)涂層組織凝固過程的影響機(jī)制。結(jié)果表明，在常規(guī)的激光熔覆過程中引入超聲振動(dòng)，超聲波能夠加快熔池對(duì)流，加強(qiáng)基體與熔覆材料之間的滲透與擴(kuò)散能力。同時(shí)超聲波的空化效應(yīng)和聲波效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生許多空氣泡，空氣泡在聲波作用下快速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)變大、破裂，破碎的瞬間又擊碎了正在生長(zhǎng)的晶粒；破裂也會(huì)產(chǎn)生壓力，瞬間的高壓會(huì)增加總的過冷度，進(jìn)而增大形核率，細(xì)化晶粒。Li等[62]研究了高頻微振動(dòng)對(duì)Ti6Al4V合金激光熔覆WC-Ni復(fù)合涂層組織、顯微硬度和耐磨性的影響。結(jié)果表明，高頻微振動(dòng)促進(jìn)了W2C和(Ti,W)C的形成；在556 Hz振動(dòng)頻率下，組織中富鎢的合金碳化物均勻地分布在共晶(Ti)Ni固溶體中，同時(shí)生成一些W2C相。適當(dāng)提高振動(dòng)頻率有利于晶粒細(xì)化，使得涂層組織更加均勻化，在提高涂層硬度的同時(shí)有助于降低熔覆層顯微硬度的波動(dòng)。涂層的顯微硬度最高可達(dá)1021HV0.2，平均磨損量為2.15 mg，比無振動(dòng)時(shí)的平均磨損量降低約25%。申井義[63]利用超聲振動(dòng)輔助激光熔覆工藝，采用優(yōu)化后的激光功率制備出Ni基WC增強(qiáng)涂層，M23C6、Cr7C3、WC等硬質(zhì)相在涂層中的分布更加均勻，涂層的顯微硬度、耐磨性分別提高了17%和49%，摩擦因數(shù)降低了29%。高頻微振產(chǎn)生的激振力提高了涂層凝固時(shí)的形核率，使涂層晶粒細(xì)化，同時(shí)促進(jìn)了熔池內(nèi)液態(tài)金屬的流動(dòng)性，加速氣體溢出，有效減少了氣孔、裂紋的產(chǎn)出。

綜上所述，在超聲輔助作用下，熔池產(chǎn)生的高頻振動(dòng)引發(fā)的沖擊力、攪拌對(duì)流和大范圍的熱起伏，將大晶粒切碎，使熔覆涂層合金成分分布更加均勻，組織更加致密，晶粒尺寸更加細(xì)小。利用高頻微振輔助激光熔覆工藝，制備出的涂層質(zhì)量明顯提高，組織更致密，成分更均勻，細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化效果提升，硬度、耐磨性等力學(xué)性能更好。相比普通的激光熔覆技術(shù)，該熔覆涂層的組織和性能都得到明顯的改善。

4.2 感應(yīng)加熱輔助激光熔覆技術(shù)

感應(yīng)加熱輔助激光熔覆技術(shù)，又稱激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)（Laser Induction Hybrid Cladding，LIHC），是將激光與感應(yīng)加熱相結(jié)合，利用感應(yīng)熱源對(duì)激光熔覆基體同步預(yù)熱或后熱，目的是提高沉積效率、降低熔覆層開裂等。Zhou等[64]對(duì)比研究了激光感應(yīng)復(fù)合快速熔覆和普通激光熔覆Ni60A+35%WC復(fù)合涂層的組織特征及性能。結(jié)果表明，與普通激光熔覆相比，利用激光感應(yīng)復(fù)合快速熔覆制備的復(fù)合涂層具有較好的熔覆質(zhì)量，表面光滑且無裂紋和氣孔。激光感應(yīng)復(fù)合快速熔覆具有較低的溫度梯度和較高的激光掃描速度，這有利于WC顆粒在復(fù)合涂層中均勻分布，并降低了WC的溶解程度，因此熔覆涂層具有更高的硬度。Farahmand等[65]將數(shù)值模擬與原位熱監(jiān)測(cè)相結(jié)合，研究了感應(yīng)加熱輔助條件下，激光熔覆Ni-60%WC復(fù)合涂層過程中熔池的熱物理性能演變過程。通過建立三維有限元模型，分析了感應(yīng)加熱對(duì)熔池形成、熱經(jīng)歷及凝固機(jī)制的影響，并討論了碳化物顆粒的潤(rùn)濕行為及轉(zhuǎn)移效率。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)（如圖10所示），通過感應(yīng)加熱的方式對(duì)基體進(jìn)行預(yù)熱，熔覆時(shí)，熔池內(nèi)的溫度分布更均勻，熔池內(nèi)部和周圍的溫度波動(dòng)相對(duì)較小，且熔池峰值溫度更高，這有助于增加WC顆粒在Ni基體中的溶解度，同時(shí)還可以改善WC顆粒在熔池中的潤(rùn)濕性，提高其轉(zhuǎn)移效率。

圖10 紅外相機(jī)拍攝的熔池?zé)岢上裾掌琜65]

5 存在的問題與展望

利用WC作為增強(qiáng)相來提高Ni基涂層的硬度及耐磨性，是激光熔覆制備金屬基復(fù)合涂層研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。近些年，國(guó)內(nèi)外研究者們圍繞著激光熔覆WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層的相關(guān)研究方向取得了富有意義的成果，但對(duì)于如何調(diào)控復(fù)合涂層的組織、結(jié)構(gòu)和性能等方面，仍需進(jìn)一步研究，同時(shí)如何改善熔覆層中的孔洞和裂紋等缺陷，也是亟待解決的問題。因此，未來可以考慮從以下幾個(gè)方面繼續(xù)深入研究激光熔覆WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層。

1）WC顆粒在復(fù)合涂層中的分布狀態(tài)及存在形式，對(duì)激光熔覆WC增強(qiáng)Ni基涂層的質(zhì)量和性能有著顯著的影響，特別是WC含量的增加會(huì)導(dǎo)致涂層裂紋敏感性增大，裂紋數(shù)量增多。另外，WC在熔覆過程中分解產(chǎn)生的W和C會(huì)與基體中的Ni、Cr、Fe等元素形成多種化合物，這些新相的種類、數(shù)量和分布也影響復(fù)合涂層的組織和性能。因此，通過激光熔覆工藝參數(shù)的優(yōu)化、添加稀土等活性元素以及外場(chǎng)輔助激光熔覆技術(shù)等，控制WC在復(fù)合涂層中的分布和溶解規(guī)律，仍是今后的研究重點(diǎn)。同時(shí)，在涂層成分設(shè)計(jì)方面仍需探索適宜的鎳基合金基體材料，使之與WC增強(qiáng)相具有良好的相容性，能夠在保證復(fù)合涂層硬度和耐磨性的基礎(chǔ)上，盡量降低涂層的裂紋敏感性。

2）激光熔覆快熱快冷的特點(diǎn)使得熔池凝固是一個(gè)非平衡結(jié)晶過程，WC的引入使其凝固過程更為復(fù)雜，因此可以采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，深入分析熔池內(nèi)組織的形成過程、成分的分布規(guī)律以及相的形成機(jī)理，為組織和性能調(diào)控提供理論基礎(chǔ)。

3）新型復(fù)合激光熔覆技術(shù)，如超聲波振動(dòng)輔助激光熔覆、電磁場(chǎng)輔助激光熔覆等，都能改善激光熔覆涂層的成形質(zhì)量，但現(xiàn)階段將它們應(yīng)用于WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層的研究較少，特別是關(guān)于多場(chǎng)耦合激光熔覆的研究更少，因此應(yīng)關(guān)注單一外場(chǎng)和復(fù)合多場(chǎng)耦合對(duì)激光熔覆WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層組織和性能的影響。同時(shí)，應(yīng)建立外場(chǎng)-溫度場(chǎng)-流場(chǎng)等多場(chǎng)耦合的三維數(shù)學(xué)模型，研究外場(chǎng)、材料體系、工藝參數(shù)等對(duì)熔池凝固過程的影響，探究外場(chǎng)條件下熔池溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的變化規(guī)律，闡述其對(duì)涂層組織和性能的作用機(jī)理。

4）現(xiàn)階段，研究者們對(duì)激光熔覆WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層性能的研究，主要集中于硬度和耐磨性，而且關(guān)于摩擦磨損性能的研究也多為單一的干摩擦或濕摩擦。但是，實(shí)際服役條件是干濕交替、腐蝕、磨損、疲勞等多種環(huán)境因素的疊加，因此應(yīng)增加對(duì)復(fù)合涂層在多環(huán)境協(xié)同作用下的性能研究。

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Research Progress of Laser-cladding WC Reinforced Ni-based Composite Coating

,,,

(School of Materials and Metallurgy, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, China)

Laser cladding is a new type of surface modification technology, which has the advantages of high energy density, controllable dilution rate, good metallurgical bonding between the coating and the substrate. The characteristics of fast heating and fast cooling are conducive to the formation of a coating with fine and compact structure on the surface of the substrate, so as to obtain excellent performance such as wear resistance and corrosion resistance. In recent years, WC reinforced Ni-based composite coatings have become a hot topic in the field of laser cladding because it can combine the excellent high temperature resistance and wear resistance of ceramics with the good strength and toughness of metals. In this paper, the research progress of laser cladding WC reinforced Ni-based composite coatings is reviewed. The role of WC in composite coatings, including the strengthening mechanism of WC and its effect on the friction and wear properties and wear mechanism of the composite coatings were summarized. On this basis, the material system of laser cladding WC reinforced Ni-based composite coatings was discussed from the aspects of Ni-based alloys, the addition amount, size, type of WC reinforcing phase and the influence of rare earth elements. The distribution and existence form of WC in the composite coating were emphatically discussed. At the same time, the effects of laser power, scanning speed, substrate pretreatment and new laser cladding technologies, such as ultrasonic vibration assist and induction heating, on the forming quality, microstructure, phase composition and properties of the composite coatings were reviewed. Finally, the existing problems and future development of laser cladding WC reinforced Ni based composite coatings were prospected.

laser cladding; Ni-based composite coating; tungsten carbide; wear properties

V261.8

A

1001-3660(2022)02-0129-15

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.012

2021-04-16；

2021-07-27

2021-04-16；

2021-07-27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51874091）；遼寧省教育廳優(yōu)秀青年科技人才項(xiàng)目（2020LNQN01）；遼寧科技大學(xué)青年教師科研基金項(xiàng)目（2019QN02）

National Natural Science Foundation of China (51874091); Outstanding Youth Science and Technology Foundation of the Educational Department of Liaoning Province (2020LNQN01); Youth Fund in University of Science and Technology Liaoning (2019QN02)

李倩（1997—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榧す獗砻娓男浴?/p>

LI Qian (1997—), Female, Postgraduate, Research focus: laser surface modification.

王茜（1991—），女，博士，講師，主要研究方向?yàn)椴牧媳砻娓男?、高溫腐蝕與防護(hù)。

WANG Qian (1991—), Female, Doctor, Lecturer, Research focus: material surface modification, high temperature corrosion and protection.

李倩, 陳發(fā)強(qiáng), 王茜, 等. 激光熔覆WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層的研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(2): 129-143.

LI Qian, CHEN Fa-qiang, WANG Qian, et al. Research Progress of Laser-cladding WC Reinforced Ni-based Composite Coating[J]. Surface Technology, 2022, 51(2): 129-143.