郭紅麗，李勇

激光熔覆制備Ni60?WC?Co復(fù)合涂層工藝與性能研究

郭紅麗1，李勇2

（1.山西工程科技職業(yè)大學(xué) 智能制造學(xué)院，太原 030031；2.浙江凱盈新材料有限公司，浙江 海寧 314400）

提高機(jī)械設(shè)備用06Cr19Ni10鋼的性能，采用激光熔覆制備Ni60?WC?Co復(fù)合涂層。利用X射線衍射（XRD）、掃描電鏡（SEM）、顯微維氏硬度計(jì)和摩擦磨損試驗(yàn)儀，研究了不同激光功率對(duì)復(fù)合涂層的微觀形貌、硬度和耐磨性的影響。隨著激光功率增大，復(fù)合涂層與基體之間緊密結(jié)合，致密均勻，球形WC顆粒均勻分布于復(fù)合涂層中，硬度、磨損量均先增大后減?。划?dāng)激光功率過(guò)大時(shí)，復(fù)合涂層中WC顆粒增多，且部分WC顆粒發(fā)生熱分解，生成的氣體產(chǎn)生氣孔。復(fù)合涂層物相主要由WC、W2C、γ?Ni、FeNi3、FeCr0.29Ni0.16C0.06、CoC、Co3B2等相組成，復(fù)合涂層由頂部的樹枝晶、中部的等軸晶和底部的柱狀晶組成；當(dāng)激光功率為1.5 kW時(shí)，硬度最高，磨損量最小，耐磨性最佳，磨損表面無(wú)明顯磨損溝槽，主要呈磨粒磨損。最優(yōu)激光功率為1.5 kW，在此工藝下制備的Ni60?WC?Co復(fù)合涂層，可以提高機(jī)械設(shè)備用06Cr19Ni10鋼的硬度和耐磨性。

激光熔覆；機(jī)械設(shè)備；復(fù)合涂層；硬度；耐磨性

磨損是機(jī)械設(shè)備零件最常見的失效形式之一[1-4]，每年機(jī)械設(shè)備由于磨損失效而產(chǎn)生高額的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的安全事故，通過(guò)表面強(qiáng)化技術(shù)[5-6]在機(jī)械設(shè)備用材料表面制備一層涂層，對(duì)材料表面進(jìn)行保護(hù)，可有效提升材料表面的耐磨性，延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備零件的壽命。許多研究人員常使用表面強(qiáng)化技術(shù)如噴丸[7]、超音速噴涂[8]、激光熔覆[9-10]等來(lái)制備耐磨涂層。其中，超音速噴涂制備的涂層與基體之間的結(jié)合界面不夠牢固，而激光熔覆制備的涂層與基體之間能形成良好的冶金結(jié)合，具有能耗低、高效和相對(duì)密度高等特點(diǎn)，被認(rèn)為是具有廣闊前景的表面強(qiáng)化技術(shù)，可用來(lái)強(qiáng)化耐磨件表面、修復(fù)磨損件和制備3D零件[11]等。Fu等[12]研究了激光熔覆Fe基合金粉末對(duì)輪軌材料微觀組織和耐磨性的影響，結(jié)果顯示，激光熔覆可以明顯提升輪軌材料的硬度和耐磨性，當(dāng)熔覆粉末中添加適量La2O3時(shí)，對(duì)輪軌材料表面的硬度無(wú)明顯影響，但對(duì)材料表面的耐磨性有極大改善。Yang等[13-15]利用激光熔覆技術(shù)，在0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼上制備高溫自潤(rùn)滑NiCr/Cr3C2?WS2涂層，通過(guò)涂層的相組成、微觀組織和摩擦磨損實(shí)驗(yàn)分析得出，涂層主要由Cr7C3和（Cr、W）C碳化物組成，以潤(rùn)滑WS2和CrS硫化物為次要相，涂層的摩擦因數(shù)隨著溫度的升高而降低，磨損率隨著溫度的升高而增大，NiCr/Cr3C2– WS2涂層在室溫至300 ℃時(shí)具有良好的抗磨和減摩擦能力。目前，大部分研究[14]制備的涂層厚度只有20～50 μm，且微納米級(jí)增強(qiáng)顆粒容易產(chǎn)生團(tuán)聚。這里利用激光熔覆技術(shù)，在06Cr19Ni10不銹鋼表面制備一層WC顆粒分布均勻、厚度較厚的Ni60?WC?Co復(fù)合涂層，保證了較少的缺陷產(chǎn)生。同時(shí)，研究了不同激光功率對(duì)Ni60?WC復(fù)合涂層耐磨性能的影響，優(yōu)化了制備Ni60?WC復(fù)合涂層的工藝，提高了熔覆效率，為機(jī)械設(shè)備零件的表面強(qiáng)化和修復(fù)，延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備的使用壽命提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與工藝

為制備單層多道熔覆層，實(shí)驗(yàn)選用的基體是機(jī)械設(shè)備零件常用的06Cr19Ni10鋼塊，尺寸100 mm×50 mm× 10 mm。根據(jù)實(shí)驗(yàn)前期的對(duì)比分析，確定熔覆粉末采用是Ni60（270～500目）和WC?Co（250～500目）的混合粉末（質(zhì)量比為8∶2），其化學(xué)成分見表1—2?；旌戏勰┰趻呙桦婄R下的形貌（圖1）顯示呈現(xiàn)為球形顆粒狀。在實(shí)驗(yàn)前，先對(duì)基體和粉末材料進(jìn)行超聲清洗，去除材料表面的油脂和氧化層。然后將粉末材料在烘干箱中高溫（250 ℃）烘干去除水分，再將其放置在氬氣環(huán)境中以120 r/min的速率球磨混粉3 h，使Ni60粉末與WC?Co粉末混合均勻，基體在熔覆前預(yù)熱至450 ℃，以減少裂紋產(chǎn)生。激光熔覆設(shè)備采用YAG連續(xù)波光纖激光加工系統(tǒng)（JHL–1GX–2000），激光熔覆工藝參數(shù)分別選取激光功率為0.9、1.2、1.5、1.8 kW，掃描速度200 mm/min，光斑直徑2 mm，送粉速率16 g/min，搭接率50%。

表1 Ni60的化學(xué)成分

表2 WC?Co的化學(xué)成分

圖1 Ni60?WC?Co混合粉末SEM圖

1.2 表征與性能測(cè)試

熔覆完成后，將試樣放在室溫下冷卻至常溫，然后進(jìn)行線切割、鑲嵌、研磨和拋光，用蝕刻劑（HNO3∶HCl∶HF為1∶1∶1）對(duì)制好的金相試樣腐蝕60 s。利用能譜分析儀（EDS）的掃描電鏡（SEM）對(duì)復(fù)合涂層的顯微組織進(jìn)行分析，用顯微硬度計(jì)（MVC– 1000JMT1）在復(fù)合涂層表面和沿復(fù)合涂層表面向基體方向?qū)?fù)合涂層的硬度進(jìn)行進(jìn)行測(cè)試，加載壓力為50 N，加載時(shí)間為15 s，測(cè)試點(diǎn)間隔100 μm。在室溫下采用MMD-1摩擦磨損試驗(yàn)儀對(duì)復(fù)合涂層的摩擦磨損性能進(jìn)行檢測(cè)，加載壓力為200 N，磨損時(shí)間為30 min，磨圈轉(zhuǎn)速為200 r/min，磨盤材料為C45E4鋼（硬度600HV）。在磨損實(shí)驗(yàn)前后，分別將試樣放在無(wú)水乙醇中進(jìn)行超聲清洗，烘干后稱重，計(jì)算其磨損前后的磨損失重，并觀察其磨損表面形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合涂層形貌

不同激光功率制備復(fù)合涂層的橫截面SEM宏觀形貌見圖2。隨著激光功率增大，復(fù)合涂層表面未熔化的顆粒減少，當(dāng)激光功率增加至1.5 kW時(shí)，復(fù)合涂層表面厚度更大、形貌更佳。WC顆粒保持原有的球形顆粒狀，分布較均勻（圖3）。當(dāng)激光功率不超過(guò)1.5 kW時(shí)，復(fù)合涂層與基體之間緊密結(jié)合，致密均勻，無(wú)明顯裂紋和氣孔產(chǎn)生。由于激光熔覆的快速凝熔特點(diǎn)，當(dāng)激光束輻照在材料表面時(shí)，部分基體材料和粉末熔化形成熔池，并冷卻凝固快速形成復(fù)合涂層。由于WC的熔點(diǎn)較高，在激光功率較低時(shí)產(chǎn)生的能量不足以熔化WC顆粒，因此當(dāng)激光功率小于1.5 kW時(shí)，WC呈現(xiàn)為完整的球形顆粒狀，被熔池內(nèi)的強(qiáng)對(duì)流分散而均勻分布在復(fù)合涂層中。但當(dāng)激光功率為1.8 kW時(shí)，在復(fù)合涂層中出現(xiàn)一些氣孔，此時(shí)，激光能量過(guò)大，使得部分WC顆粒熔化產(chǎn)生分解[15]，與少量O2發(fā)生反應(yīng)生成CO和CO2[16]，在極短時(shí)間內(nèi)氣體難以逸出，在復(fù)合涂層中產(chǎn)生部分氣孔。稀釋率是指熔化基體材料對(duì)復(fù)合涂層的稀釋程度，其對(duì)熔覆層的結(jié)合牢固程度和性能影響較大。稀釋率過(guò)小時(shí)復(fù)合涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度不高，過(guò)大時(shí)基體對(duì)復(fù)合涂層過(guò)度稀釋，除了容易產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷外，對(duì)復(fù)合涂層的硬度、耐磨性等也有所弱化。復(fù)合涂層的稀釋率一般應(yīng)保持在10%以下。不同激光功率下的稀釋率變化見圖4，隨著激光功率增大，稀釋率先減小后增大，當(dāng)激光功率為1.5 kW時(shí)，稀釋率達(dá)到最?。s為9.6%）。

圖2 復(fù)合涂層宏觀形貌

圖3 復(fù)合涂層橫截面SEM形貌

圖4 激光功率對(duì)復(fù)合涂層稀釋率影響

激光功率為1.5 kW時(shí)復(fù)合涂層的XRD分析譜圖見圖5。利用XRD分析譜圖對(duì)復(fù)合涂層進(jìn)行物相分析可以看出，復(fù)合涂層主要由WC、W2C、γ?Ni、FeNi3、FeCr0.29Ni0.16C0.06、CoC、Co3B2等相組成。部分WC顆粒發(fā)生分解后生成了W2C和C，C會(huì)與Fe、Cr、Ni、Co等元素發(fā)生反應(yīng)并生成碳化物，此類碳化物的硬度都較高，F(xiàn)e與Ni、Co與B同樣發(fā)生反應(yīng)生成化合物，這些硬質(zhì)相在復(fù)合涂層中很好地起到了顆粒強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用。

圖5 Ni60?WC?Co復(fù)合涂層X(jué)RD分析譜圖

激光功率為1.5 kW時(shí)復(fù)合涂層的微觀SEM形貌見圖6。圖6a顯示，復(fù)合涂層頂部由方向各異的細(xì)小樹枝晶組成，復(fù)合涂層頂部與空氣接觸，此處的溫度梯度較大，導(dǎo)致復(fù)合涂層頂部的樹枝晶向各方向生長(zhǎng)，且晶粒較為細(xì)小。圖6b顯示，復(fù)合涂層中下部主要由中部的細(xì)小等軸晶和底部具有方向性生長(zhǎng)的柱狀晶組成，這是由于復(fù)合涂層中部的溫度梯度小，向每個(gè)方向生長(zhǎng)的速度一致，導(dǎo)致中部由等軸晶組成。而復(fù)合涂層底部靠近基體，可向基體方向散熱，導(dǎo)致底部有柱狀晶向基體方向生長(zhǎng)。

圖6 復(fù)合涂層截面SEM形貌

2.2 復(fù)合涂層硬度

不同激光功率的復(fù)合涂層沿表面向基體方向的硬度變化折線圖見圖7。由圖7可以明顯看出，復(fù)合涂層的顯微硬度在800～1 200HV，是基體硬度（194HV）的4～6倍，這是由于WC硬質(zhì)陶瓷相的加入、碳化物硬質(zhì)相的生成和激光熔覆對(duì)復(fù)合涂層組織的細(xì)化作用，使得復(fù)合涂層的硬度得到了大幅提升。復(fù)合涂層硬度沿復(fù)合涂層表面向基體方向先增大，然后上下浮動(dòng)，最后急劇下降。當(dāng)激光功率不斷增大時(shí)，復(fù)合涂層硬度先增大后減小，當(dāng)激光功率為1.5 kW時(shí)達(dá)到最大。當(dāng)激光功率較小時(shí)熔化的粉末較少，復(fù)合涂層中含WC硬質(zhì)陶瓷顆粒較少；當(dāng)增大激光功率時(shí)熔覆粉末中有較多的WC硬質(zhì)相，增大了復(fù)合涂層硬度；當(dāng)激光功率過(guò)大時(shí)，雖然熔覆粉末更多，但部分WC硬質(zhì)顆粒產(chǎn)生熱分解，容易產(chǎn)生氣孔，不利于復(fù)合涂層整體硬度的提升。

圖7 復(fù)合涂層顯微硬度分布

2.3 復(fù)合涂層耐磨性能

不同激光功率的復(fù)合涂層表面磨損量見圖8，增大激光功率復(fù)合涂層表面的磨損量先減小后增大，當(dāng)激光功率為1.5 kW時(shí)磨損量最小，復(fù)合涂層的耐磨性最好。這說(shuō)明適中的激光功率對(duì)復(fù)合涂層的耐磨性有提升作用。不同激光功率的復(fù)合涂層磨損表面形貌見圖9[16-18]。從圖9a可以看出，當(dāng)激光功率為0.9 kW時(shí)，磨損表面出現(xiàn)較深溝槽和大磨損坑，此時(shí)發(fā)生黏著磨損和磨粒磨損，脫落的磨粒被壓入磨損表面而形成較深的溝槽；當(dāng)激光功率為1.2 kW時(shí)，磨損表面的溝槽較淺、磨損坑較小，主要發(fā)生黏著磨損和磨粒磨損，在硬度較高的磨損表面磨損坑較小；當(dāng)激光功率為1.5 kW時(shí)，磨損表面溝槽幾乎消失，無(wú)明顯磨損坑出現(xiàn)，主要發(fā)生磨粒磨損，此時(shí)磨損表面的耐磨性最佳[19-22]；繼續(xù)增大激光功率至1.8 kW時(shí)，磨損表面溝槽較淺，但出現(xiàn)大磨損坑，主要發(fā)生黏著磨損和磨粒磨損。復(fù)合涂層耐磨性出現(xiàn)這種變化的原因主要是隨著激光功率增大，激光束能量越大，熔化粉末材料越多，WC硬質(zhì)顆粒更多，復(fù)合涂層硬度越高，從而在摩擦磨損過(guò)程中可起到減摩效果[17]，使得耐磨性越好。當(dāng)激光功率為1.8 kW時(shí)，此時(shí)能量過(guò)大，部分WC顆粒出現(xiàn)熱分解，在復(fù)合涂層中產(chǎn)生氣孔，使復(fù)合涂層致密性降低，表面疏松、硬度降低、耐磨性變差[23-25]。

圖8 復(fù)合涂層表面磨損量

圖9 復(fù)合涂層表面磨損形貌

3 結(jié)論

為滿足更高強(qiáng)度、更耐磨的要求，通過(guò)激光熔覆制備了WC顆粒分布均勻、厚度較厚、缺陷少的Ni60? WC?Co復(fù)合涂層，研究了激光功率對(duì)復(fù)合涂層微觀形貌、硬度及耐磨損性能的影響。

1）Ni60?WC?Co復(fù)合涂層與基體之間形成緊密的冶金結(jié)合，致密均勻，無(wú)明顯缺陷，球形WC顆粒均勻分布在復(fù)合涂層中；當(dāng)激光功率增大到1.8 kW時(shí)，復(fù)合涂層出現(xiàn)一些氣孔，主要是由于激光功率過(guò)大，WC顆粒熱分解反應(yīng)生成氣體，產(chǎn)生氣孔。Ni60?WC? Co復(fù)合涂層的物相主要由WC、W2C、γ?Ni、FeNi3、FeCr0.29Ni0.16C0.06、CoC、Co3B2等相組成，Ni60?WC? Co復(fù)合涂層由頂部的樹枝晶、中部的等軸晶和底部的柱狀晶組成。

2）復(fù)合涂層硬度和磨損量均隨激光功率的增大，先增大后減小，當(dāng)激光功率為1.5 kW時(shí)，硬度最大，磨損量最小，磨損表面無(wú)明顯溝槽和磨損坑，主要呈現(xiàn)為磨粒磨損，此時(shí)的耐磨損性能最佳，對(duì)機(jī)械設(shè)備零件的保護(hù)和修復(fù)效果最佳。

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Study on Technology and Performance of Ni60?WC?Co Composite Coating Prepared by Laser Cladding

GUO Hong-li1, LI Yong2

(1. School of Intelligent Manufacturing, Shanxi Vocational University of Engineering Science and Technology,Taiyuan 030031, China; 2. Zhejiang Kaiying New Material Co., Ltd., Zhejiang Haining 314400, China)

To improve the properties of 06Cr19Ni10 steel for mechanical equipment, Ni60?WC?Co composite coating was prepared by laser cladding. The effects of different laser power on the microstructure, hardness and wear resistance of the composite coating were studied by XRD, SEM, microhardness tester, friction and wear tester. The results show that with the increase of laser power, the composite coating was dense, uniform and closely combined with the matrix. Spherical WC particles are evenly distributed in the composite coating, the hardness first increases and then decreases, and the wear loss first increases and then decreases. When the laser power is too large, WC particles in the composite coating increase, and some WC particles undergo thermal decomposition, the generated gas produces pores. The phase of composite coating is mainly composed of WC、W2C、γ-Ni、FeNi3、FeCr0.29Ni0.16C0.06. CoC, Co3B2and other phases. The composite coating is composed of dendrite at the top, equiaxed crystal in the middle and columnar crystal at the bottom. When the laser power is 1.5 kW, the hardness is the highest, the wear amount is the smallest, the wear resistance is the best, and there is no obvious wear groove on the wear surface, which is mainly abrasive wear. The optimum laser power is 1.5 kW. The Ni60-WC-Co composite coating prepared under this process can improve the hardness and wear resistance of 06Cr19Ni10 steel for mechanical equipment.

laser cladding; mechanical equipment; composite coating; hardness; wear resistance

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.12.021

TG174.4

A

1674-6457(2022)12-0184-07

2022–02–17

浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 (2020A01005）

郭紅麗（1977—），女，碩士，講師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及自動(dòng)化技術(shù)。