賈曉慧，胡亞寶，宋欣靈，方艷，雷劍波

激光熔化沉積WC復(fù)合Inconel 718合金微觀組織及磨損性能

賈曉慧1，胡亞寶1，宋欣靈2，方艷1，雷劍波1

（1.天津工業(yè)大學(xué) 激光技術(shù)研究所，天津 300387；2.奧爾良大學(xué) 拉梅力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，奧爾良 45072）

目的 解決Inconel 718合金在工程應(yīng)用中存在的磨損失效等問(wèn)題，探究碳化鎢（Tungsten Carbide，WC）對(duì)Inconel 718合金磨損性能的增強(qiáng)機(jī)理。方法 通過(guò)激光熔化沉積技術(shù)制備Inconel 718及WC/Inconel 718涂層，通過(guò)掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM) 和X射線衍射（X–ray diffraction，XRD）等測(cè)試手段對(duì)Inconel 718合金和WC/Inconel 718復(fù)合材料的微觀組織和物相組成進(jìn)行觀測(cè)，探討其微觀組織演變機(jī)理；通過(guò)硬度測(cè)試和摩擦磨損測(cè)試對(duì)WC復(fù)合Inconel 718合金的硬度、摩擦磨損性能及WC復(fù)合強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行研究。結(jié)果 涂層的微觀組織主要由柱狀晶、胞狀晶和少量等軸晶組成，加入WC后復(fù)合材料的晶粒組織比Inconel 718合金的晶粒組織略微細(xì)化；Inconel 718合金主要由γ–(Ni, Fe)、γ′–Ni3(Al, Ti)和Fe3Ni2等物相組成，WC/Inconel 718主要由γ–(Ni, Fe)、γ′–Ni3(Al, Ti)、AlCoCrW、CrNi15W和Cr–Ni–Fe–C等物相組成；WC的加入使Inconel 718合金的硬度略有提升，磨損率降至未添加WC時(shí)的65.3%，磨損機(jī)制以黏著磨損和磨粒磨損為主。結(jié)論 WC顆粒在Inconel 718基體中起到了強(qiáng)化硬質(zhì)顆粒的作用，部分WC顆粒的熔化提高了合金基體的硬度，且生成的高硬度金屬化合物與未熔解的球形WC顆粒在Inconel 718合金基體中起到了阻礙晶粒邊界運(yùn)動(dòng)的釘扎效果，對(duì)提升Inconel 718合金的磨損性能有很大幫助。

激光熔化沉積；Inconel 718；碳化鎢；微觀組織；磨損機(jī)理

Inconel 718作為航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的鎳基合金之一，除了具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能外，其獨(dú)特的成分設(shè)計(jì)使其在室溫（25 ℃）和高溫（700 ℃）下均具有優(yōu)異的整體性能，如優(yōu)異的抗蠕變性、抗氧化性，以及強(qiáng)度高和良好的焊接性能等[1-4]，這些優(yōu)異性能使得Inconel 718合金主要應(yīng)用于航空航天高溫零部件中[5]。由于長(zhǎng)期服役在惡劣的工作環(huán)境中，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件經(jīng)常面臨零件磨損、疲勞損傷等問(wèn)題，嚴(yán)重的失效現(xiàn)象會(huì)降低部件的性能，從而影響部件的使用壽命[6]，因此通過(guò)添加硬質(zhì)強(qiáng)化相來(lái)制備復(fù)合材料可以提高Inconel 718合金的耐磨性，從而進(jìn)一步提高其使用壽命，是一種創(chuàng)新性的解決方案。

碳化鎢（Tungsten Carbide）的微觀結(jié)構(gòu)是一種六方晶體，其硬度與金剛石相近，高達(dá)2 000HV左右，是良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱體。WC與金屬材料的潤(rùn)濕性較好，在金屬凝固過(guò)程中，WC增強(qiáng)顆粒容易被凝固界面捕捉，從而制備出界面結(jié)合良好且分布較為均勻的復(fù)合材料。由于純碳化鎢的硬度較高、脆性差，在與金屬基材料復(fù)合時(shí)容易使復(fù)合涂層出現(xiàn)裂紋，所以在工業(yè)應(yīng)用中常常在純WC中摻加少量的鈦、鈷、鎳等金屬元素作為黏結(jié)劑，可以大幅度降低材料的脆性，提高其韌性[7-8]。王濤等[9]制備了4種不同掃描速度的Inconel 718涂層，分析了4種掃描速度對(duì)Inconel 718涂層的顯微硬度和摩擦磨損性能的影響。Sadhu等[10]制備了NiCrSiBC?WC（60%）復(fù)合Inconel 718涂層，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)WC顆粒分解嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致涂層的脆性增加，出現(xiàn)細(xì)小裂紋。Rong等[11]制備了WC/Inconel 718復(fù)合梯度材料，研究發(fā)現(xiàn)，梯度界面的存在對(duì)提高復(fù)合材料的磨損性能具有非常重要的作用。

傳統(tǒng)加工方式的過(guò)程較煩瑣，且需耗費(fèi)大量的人力、物力。為了解決這一問(wèn)題，激光熔化沉積（Laser Melting Deposition，LMD）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。在LMD過(guò)程中，粉末和激光通過(guò)激光工作頭同時(shí)被送入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在激光的作用下粉末被熔化，激光工作頭根據(jù)計(jì)算機(jī)預(yù)設(shè)的軌跡移動(dòng)，在激光工作頭移開(kāi)后粉末迅速冷卻成型，在完成一層的堆積后繼續(xù)下一層，重復(fù)這種逐層堆積過(guò)程，直至組件堆積完成。通過(guò)LMD技術(shù)制造的金屬部件成型性較好、無(wú)需后續(xù)加工，在保證粉末利用率較高的前提下顯著地縮短了加工周期，降低了加工成本和人力資源消耗[12-14]。目前，針對(duì)LMD技術(shù)制備WC/Inconel 718復(fù)合材料的研究主要集中在工藝與性能對(duì)比等方面[15-17]，對(duì)其組織演變規(guī)律和磨損機(jī)理的研究較少。

文中基于LMD技術(shù)制備了Inconel 718合金和WC/Inconel 718復(fù)合材料，擬對(duì)其微觀組織演變機(jī)理、硬度和摩擦磨損性能進(jìn)行深入研究。研究結(jié)果有望為L(zhǎng)MD技術(shù)制備WC/Inconel 718復(fù)合材料的工藝和實(shí)際工業(yè)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)采用等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備Inconel 718和球形WC粉末，其化學(xué)成分如表1—2所示。WC粉末中除了含有C、W元素外，還含有Cr、Fe、V、Co、Ni、Mo、Ti、Ta、Nb等元素。

Inconel 718和WC粉末的形貌和粒徑分布如圖1所示。從圖1可以看出，2種粉末均具有良好的球形度，且沒(méi)有粘連現(xiàn)象；Inconel 718粉末的粒徑為45～100 μm，WC粉末的粒徑為53～109 μm。WC/Inconel 718復(fù)合粉末中WC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，通過(guò)混粉機(jī)（VC?5，無(wú)錫新洋）將其混合均勻。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法

實(shí)驗(yàn)采用的激光熔化沉積系統(tǒng)包括庫(kù)卡激光機(jī)器人系統(tǒng)（數(shù)控系統(tǒng)、六軸機(jī)器人、半導(dǎo)體激光器、四路送粉頭）、自動(dòng)載氣送粉器、冷水機(jī)和氬氣保護(hù)艙等。設(shè)備的型號(hào)及參數(shù)如表3所示。

在激光熔化沉積實(shí)驗(yàn)前，將Inconel 718和WC/Inconel 718粉末放在干燥箱（F202?0，上海舒利）中，并在110 ℃下干燥2 h，以去除其內(nèi)部水分。采用尺寸為100 mm×100 mm×20 mm的A3鋼板作為基板，使用砂紙和激光清洗機(jī)（HFB?C50）對(duì)基材表面進(jìn)行清洗，以去除表面的氧化物和銹跡，防止其影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

激光熔化沉積示意圖如圖2所示。在LMD過(guò)程中，Inconel 718粉末或WC/Inconel 718粉末與激光一起通過(guò)激光工作頭進(jìn)入熔池中（送氣量為10 L/min，送粉量為25 g/min），粉末在激光的作用下被沉積在A3鋼基板上。為了避免發(fā)生高溫氧化反應(yīng)，LMD實(shí)驗(yàn)全程在氬氣艙的保護(hù)下進(jìn)行。激光加工參數(shù)：激光掃描速度為16 mm/s，激光功率為2 000 W，搭接率為50%。

表1 Inconel 718粉末的化學(xué)成分

表2 WC粉末的化學(xué)成分

圖1 Inconel 718和WC粉末的形貌和粒徑分布

表3 激光熔化沉積系統(tǒng)各部分設(shè)備參數(shù)

圖2 激光熔化沉積示意圖

在試樣制備完成后，對(duì)Inconel 718和WC/Inconel 718激光熔化沉積試樣塊進(jìn)行了預(yù)處理，觀察其微觀組織、物相組成，并對(duì)其顯微硬度、耐磨性進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)流程及參數(shù)如圖3所示。

使用體積比為1∶1∶1的HNO3/HCl/HF腐蝕溶液將試樣浸泡腐蝕30 s后，采用光學(xué)顯微鏡（OM）和掃描電子顯微鏡（SEM，配備EDS）分析樣品的形貌、微觀結(jié)構(gòu)和元素分布。使用X射線衍射儀（XRD，Cu Kα靶）分析樣品的物相組成。采用顯微硬度計(jì)，從試樣截面的涂層表面開(kāi)始并間隔一定距離，沿沉積方向測(cè)量涂層的硬度。為了避免出現(xiàn)誤差，每個(gè)數(shù)據(jù)在同一水平位置進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，取其平均值。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)采用M?2000型磨損試驗(yàn)機(jī)，并收集其磨屑，在磨損前后分別對(duì)2種試樣進(jìn)行稱量，以計(jì)算磨損量，誤差棒由2組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到。試驗(yàn)設(shè)定的載荷為150 N，轉(zhuǎn)速為200 r/min，磨損時(shí)長(zhǎng)為60 min，轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)材料為GCr15，硬度為（60±2）HRC，形狀為圓環(huán)形，外直徑為50 mm，厚度為10 mm。采用白光干涉三維表面輪廓儀（Phase Shift MicroXAM?3D）對(duì)磨損后的試樣塊進(jìn)行表面數(shù)據(jù)采集，建立三維模型，并獲得磨損深度、寬度等數(shù)據(jù)。采用SEM對(duì)磨痕和磨屑等進(jìn)行觀測(cè)，并分析其磨損機(jī)理。

圖3 實(shí)驗(yàn)流程及參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 整體形貌和物相組成

Inconel 718合金和WC/Inconel 718復(fù)合材料涂層的橫截面形貌如圖4所示。從圖4可以看出，沉積層與基材形成了良好的冶金結(jié)合，致密度良好，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的孔隙和裂紋。從圖4a可以看出，Inconel 718合金與基體的結(jié)合區(qū)比較平整，稀釋率較低。從圖4b可以看出，WC在WC/Inconel 718復(fù)合材料中的分布較為均勻，大部分未被完全熔化。由于送粉較均勻，能量供給較穩(wěn)定，因此沒(méi)有出現(xiàn)明顯的WC沉積現(xiàn)象。與Inconel 718合金沉積層相比，WC/Inconel 718復(fù)合涂層存在少量孔隙。這是因?yàn)樵诩す馊刍练e過(guò)程中，部分WC顆粒被激光的高能量所熔化，與Inconel 718基體材料發(fā)生了反應(yīng)，導(dǎo)致氣體逸出。

Inconel 718合金和WC/Inconel 718復(fù)合材料的物相組成如圖5所示。Inconel 718合金主要由γ?(Ni, Fe)、γ′?Ni3(Al, Ti)和Fe3Ni2等物相組成，WC/Inconel 718復(fù)合材料主要由γ?(Ni, Fe)、γ′?Ni3(Al, Ti)、AlCoCrW、CrNi15W和Cr?Ni?Fe?C等物相組成。其中，AlCoCrW、CrNi15W和Cr?Ni?Fe?C是加入WC后在復(fù)合材料中觀測(cè)到的新物相，它存在于原有的峰里。

圖4 橫截面宏觀形貌

圖5 Inconel 718合金和WC/Inconel 718復(fù)合材料的XRD掃描結(jié)果

2.2 微觀組織演變機(jī)理

Inconel 718合金和WC/Inconel 718復(fù)合材料在不同區(qū)域的微觀組織形貌如圖6所示。其中，圖6a、b分別顯示了Inconel 718合金上部和下部的組織結(jié)構(gòu)，可以看出，在試樣底部，枝晶的生長(zhǎng)方向較無(wú)序，較粗大的柱狀晶沿著底部向上生長(zhǎng)。由于受到熱流、成分、冷卻速率等的影響，柱狀晶的生長(zhǎng)并不均朝著同一方向生長(zhǎng)，而是形成了一個(gè)夾角。在粗大柱狀晶的邊緣演化出了二次枝晶和尺寸較小的胞狀晶。在Inconel 718的上部區(qū)域，枝晶的生長(zhǎng)排列呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，胞狀晶的分布較細(xì)密，且具有明顯的合并現(xiàn)象，總體呈現(xiàn)斜向上生長(zhǎng)的趨勢(shì)。相較于下部雜亂無(wú)序的生長(zhǎng)模式，上部枝晶由于受到底部沉積層的預(yù)熱作用，因此其生長(zhǎng)趨勢(shì)沿?zé)崃鞣较蛏L(zhǎng)。

1.3.3 護(hù)生就業(yè)態(tài)度調(diào)查 該測(cè)評(píng)表以簡(jiǎn)單問(wèn)答的形式調(diào)查護(hù)生在畢業(yè)后是否愿意從事護(hù)理工作，以及在通過(guò)臨床實(shí)習(xí)后是否喜歡護(hù)理工作，在護(hù)生出科之前給予測(cè)評(píng)。

圖6 Inconel 718和WC/Inconel 718不同區(qū)域的微觀組織形貌

WC/Inconel 718復(fù)合材料上部和下部的組織形貌如圖6c、d所示，可以看出，在加入WC后復(fù)合材料的晶粒組織比Inconel 718合金的晶粒組織更加細(xì)化。枝晶的生長(zhǎng)模式與Inconel 718合金類似，大部分枝晶生長(zhǎng)具有一定的方向性，在有序的枝晶中存在一些垂直于一次枝晶生長(zhǎng)方向的二次枝晶。這是因?yàn)榧す馊刍练e實(shí)驗(yàn)中對(duì)基板未進(jìn)行預(yù)加熱，導(dǎo)致枝晶的冷卻方向不一，生長(zhǎng)方向較雜亂、無(wú)序。從圖6c可以看出，原本有序生長(zhǎng)的枝晶在遇到WC顆粒時(shí)其生長(zhǎng)模式被阻斷，在WC周?chē)纬闪溯^細(xì)小的間斷生長(zhǎng)的枝晶，繞過(guò)WC顆粒后繼續(xù)按照原來(lái)的生長(zhǎng)方向生長(zhǎng)。

WC/Inconel 718復(fù)合材料的EDS掃描結(jié)果如圖7所示。從圖7的左圖可以看出，白色點(diǎn)狀析出物均勻地分散在WC/Inconel 718材料中，且在無(wú)WC顆粒存在的區(qū)域出現(xiàn)了Nb和Mo的偏析，結(jié)合Inconel 718合金的性質(zhì)可以判斷此處存在laves脆性相[18]。除此之外，可以看到W元素（紫色曲線）不止存在于WC顆粒中，也較為均勻地分散至WC周?chē)膮^(qū)域，C元素（藍(lán)色曲線）也較均勻地?cái)U(kuò)散到Inconel 718基體中。結(jié)合XRD結(jié)果，通過(guò)觀測(cè)的AlCoCrW和CrNi15W相可以判斷，WC與Inconel 718合金形成了良好的結(jié)合，并出現(xiàn)了W元素和C元素的擴(kuò)散，有助于提高Inconel 718合金的硬度和磨損性能。

圖7 WC/Inconel 718跨WC顆粒EDS掃描結(jié)果

沉積層的組織形貌和尺寸主要與溫度梯度和生長(zhǎng)速率有關(guān)，其中/決定了凝固后的組織形態(tài)，×決定了凝固組織的大小，具體可以通過(guò)式（1）—（2）進(jìn)行計(jì)算[19]。

式中：為合金的液態(tài)溫度；0為材料的初始溫度；為激光吸收系數(shù)；為激光掃描功率；為材料的導(dǎo)熱系數(shù)；s為激光掃描速度；為掃描速度與凝固速度的夾角。

溫度梯度和生長(zhǎng)速率對(duì)沉積層微觀結(jié)構(gòu)的影響如圖8a所示。在激光熔化沉積實(shí)驗(yàn)初期，沉積層充分與基板和空氣接觸，形成了良好的散熱通道，值較大。此時(shí)，由于熔池溫度不能為枝晶的生長(zhǎng)提供良好的條件，成型中的枝晶來(lái)不及完全長(zhǎng)大就被迫中止，所以在沉積層的底部容易出現(xiàn)混晶區(qū)，朝不同方向生長(zhǎng)的柱狀晶、尺寸較大的胞狀晶和等軸晶共存于基材中。隨著激光熔化沉積實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，熔池中積累了一定的熱量，后續(xù)的沉積層只能受到上方空氣的冷卻。此時(shí)，能夠獲得較小的值、較低的冷卻速度和較低的凝固速率。晶粒有充足的時(shí)間進(jìn)行生長(zhǎng)，散熱方向相對(duì)固定，故此時(shí)的枝晶生長(zhǎng)呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，胞狀晶呈橢圓形，緊密地朝一個(gè)方向生長(zhǎng)。

Inconel 718合金中WC的演化機(jī)理如圖8b所示。WC顆粒受到高能量激光的作用，會(huì)在熔池中發(fā)生界面移動(dòng)，部分WC熔解后分解出W、C元素，與Inconel 718合金中的Ni、Co、Fe、Cr、Al等元素在熔池中結(jié)合，生成了新的物相。同時(shí)，WC顆粒的存在阻礙了晶粒的生長(zhǎng)，晶粒組織在遇到WC時(shí)停止生長(zhǎng)，或生長(zhǎng)方向出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)。這種釘扎效應(yīng)容易生成較細(xì)小的晶粒組織，能夠有效地提升復(fù)合材料的硬度和力學(xué)性能[20]。

2.3 硬度分布

Inconel 718合金和WC/Inconel 718復(fù)合材料的顯微硬度結(jié)果如圖9a所示，WC/Inconel 718復(fù)合材料的平均顯微硬度（381HV0.2）是 Inconel 718合金（349HV0.2）的約1.09倍。這是因?yàn)閃C顆粒在激光的作用下發(fā)生了分解，與Inconel 718合金中的元素結(jié)合生成了硬質(zhì)相，提升了涂層表面的硬度。由于復(fù)合材料中WC的含量較少，因此其硬度值的提升并不明顯。

圖8 微觀演變示意圖

圖9 Inconel 718和WC/Inconel 718的顯微硬度分布

WC/Inconel 718復(fù)合材料中未完全熔化的WC顆粒（由白色圓形虛線圈出）周?chē)娘@微硬度如圖9b所示。3號(hào)和4號(hào)壓痕是在WC顆粒上的壓痕，平均顯微硬度為2 852HV0.2，2號(hào)壓痕打在WC顆粒的邊緣，顯微硬度為542HV0.2，1號(hào)壓痕打在無(wú)WC顆粒部分，顯微硬度為366HV0.2，與WC/Inconel 718復(fù)合涂層的平均顯微硬度一致。此外，未完全熔化的WC顆粒在涂層中也極大地增加了涂層的硬度。綜上所述，未熔化的WC和熔化到基體中的WC均在一定程度上提高了涂層的硬度。

2.4 摩擦磨損性能

Inconel 718合金和WC/Inconel 718復(fù)合材料的干滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)在室溫（25 ℃）下進(jìn)行，摩擦因數(shù)與時(shí)間的關(guān)系如圖10a所示。在磨損初期，摩擦因數(shù)迅速增大，曲線從零迅速升高。隨著磨損時(shí)間的增加，摩擦因數(shù)逐漸增大，并呈現(xiàn)平穩(wěn)上升趨勢(shì)，這種平穩(wěn)上升趨勢(shì)直至試驗(yàn)結(jié)束，未出現(xiàn)較大的波動(dòng)。激光熔化沉積Inconel 718合金和WC/Inconel 718復(fù)合材料的磨損率如圖10b所示，Inconel 718合金的磨損率為0.054 mg/m，WC/Inconel 718復(fù)合材料的磨損率為0.035 mg/m，在添加WC顆粒后材料的磨損率下降至原來(lái)的65.3%左右。這是因?yàn)閃C提升了涂層表面的硬度，相應(yīng)地降低了其磨損率。

在磨損試驗(yàn)后，Inconel 718合金和WC/Inconel 718復(fù)合材料表面的三維形貌如圖11a、b所示。不同的顏色代表磨損程度的深淺。紅色區(qū)域表示磨損程度較輕，藍(lán)色區(qū)域表示磨損程度較嚴(yán)重。從圖11a、b可以發(fā)現(xiàn)，試樣表面與對(duì)磨環(huán)接觸區(qū)域的磨損較嚴(yán)重，試樣兩端的磨損較均勻。從圖11c可以看出，添加WC后試樣具有較小的磨損寬度（3.77 mm）和深度（283 μm），這與摩擦因數(shù)和磨損量的結(jié)果一致。

Inconel 718合金和WC/Inconel 718復(fù)合材料的磨損機(jī)理如圖12所示。在磨損試驗(yàn)開(kāi)始瞬間，試樣表面與對(duì)磨環(huán)接觸，此時(shí)材料表面的微凸點(diǎn)在與對(duì)磨環(huán)的接觸點(diǎn)處發(fā)生了對(duì)抗摩擦，導(dǎo)致材料出現(xiàn)變形或微凸點(diǎn)斷裂等現(xiàn)象[21]。隨著摩擦磨損的進(jìn)行，摩擦副與金屬表面的摩擦使得溫度急劇升高，金屬表面生成的氧化膜被破壞，磨屑從材料表面脫落，并進(jìn)入摩擦副[22]。此時(shí)，由于添加WC顆粒后復(fù)合材料的晶粒組織比Inconel 718合金的組織更細(xì)密，涂層硬度更高，在發(fā)生磨損反應(yīng)時(shí)生成的磨屑更小。如圖12b所示，在發(fā)生磨損時(shí)，部分WC顆粒破碎后進(jìn)入摩擦副中，起到了潤(rùn)滑作用。WC顆粒在激光高能量的作用下出現(xiàn)了熔化現(xiàn)象，且進(jìn)入Inconel 718基體，在Inconel 718基體中充當(dāng)支撐骨架，起到了彌散強(qiáng)化的作用[23]，形成的高硬度金屬化合物能夠起到阻礙晶粒邊界運(yùn)動(dòng)的釘扎作用，有效提高了材料的硬度，硬度的提升會(huì)有效降低磨損帶來(lái)的損害。此外，存在于WC顆粒邊緣的界面反應(yīng)層也會(huì)增強(qiáng)硬質(zhì)相與基體相的結(jié)合強(qiáng)度，這在一定程度上提高了沉積層的耐磨性[24]。

圖10 Inconel 718和WC/Inconel 718的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

圖11 磨損后樣品的三維白光干涉圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證Inconel 718合金和WC/Inconel 718復(fù)合材料的磨損機(jī)制，采用SEM對(duì)磨損后的試樣表面和收集的磨屑進(jìn)行了觀測(cè)，結(jié)果如圖13所示。

從圖13a可以看出，Inconel 718試樣表面存在許多明顯的犁溝和少量黏著現(xiàn)象，可以確定在Inconel 718的干滑動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)中存在磨粒磨損和黏著磨損等2種形式[25]。其中，黏著磨損使得材料表面發(fā)生黏著物脫落現(xiàn)象，這些黏著物將繼續(xù)存在于由材料表面和對(duì)磨環(huán)組成的摩擦副中，或黏附于對(duì)磨環(huán)之間，或離開(kāi)摩擦副成為磨屑。脫落下來(lái)的硬質(zhì)顆粒在摩擦副之間繼續(xù)參與磨損實(shí)驗(yàn)過(guò)程，發(fā)生磨粒磨損。這些硬質(zhì)顆粒與試樣表面發(fā)生作用，在試樣表面產(chǎn)生了典型的犁溝，如圖13a中“白色雙箭頭”所示。WC/Inconel 718復(fù)合材料在磨損后的微觀形貌如圖13b所示。從圖13b可以看出，在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后WC/Inconel 718復(fù)合材料的表面出現(xiàn)了少量較窄的犁溝和黏著現(xiàn)象，并且觀測(cè)到了WC顆粒。在添加WC后，材料的犁溝變少、變窄，且黏著行為不明顯。說(shuō)明此時(shí)的磨損程度較淺，加入WC增強(qiáng)相有效地提高了材料的磨損性能。

圖12 Inconel 718合金與WC/Inconel 718復(fù)合材料磨損機(jī)理

圖13 Inconel 718和WC/Inconel 718磨痕和磨屑微觀形貌

2種試樣的磨屑形貌如圖13c、d所示，可以看出，Inconel 718合金涂層的磨屑以塊狀和片狀磨屑為主，磨屑尺寸較大，在磨屑表面能觀測(cè)到細(xì)微的犁溝；添加WC后的復(fù)合材料涂層相較于Inconel 718合金涂層，其磨屑尺寸更小，以小塊狀為主，少部分為較大尺寸的塊狀。這是由于WC的加入有效地提高了材料的強(qiáng)度和硬度，從而減輕了磨損程度。在WC/Inconel 718復(fù)合材料的磨屑中還觀測(cè)到了熔化沉積過(guò)程中沒(méi)有完全熔解的WC顆粒，它們起到了一定的潤(rùn)滑作用，這與前面的分析結(jié)果一致。

3 結(jié)論

基于激光熔化沉積技術(shù)，成功制備了Inconel 718和WC/Inconel 718涂層，對(duì)涂層組織的演變機(jī)理、硬度和摩擦磨損機(jī)制展開(kāi)了系統(tǒng)研究，得到如下主要結(jié)論。

1）2種涂層均無(wú)裂紋、無(wú)塌陷，與基材形成了良好的冶金結(jié)合，且WC在Inconel 718合金中分布較為均勻。XRD結(jié)果顯示，Inconel 718合金的主要物相為γ?(Ni, Fe)、γ′?Ni3(Al, Ti)和 Fe3Ni2，加入WC后在復(fù)合材料中生成了AlCoCrW、CrNi15W和Cr?Ni?Fe?C等新物相。說(shuō)明WC在激光的作用下會(huì)發(fā)生分解，與Inconel 718基體元素結(jié)合生成了新物相。

2）SEM結(jié)果表明，Inconel 718合金和WC/Inconel 718合金的晶粒組成主要為柱狀晶、胞狀晶和少量等軸晶。在同等倍數(shù)下，WC/Inconel 718復(fù)合材料的晶粒組織比Inconel 718合金的晶粒組織更加細(xì)化，大部分枝晶的生長(zhǎng)具有一定的方向性，在有序的枝晶中存在一些垂直于一次枝晶生長(zhǎng)方向的二次枝晶。EDS結(jié)果表明，在復(fù)合材料中觀測(cè)到了W和C元素的擴(kuò)散，進(jìn)一步驗(yàn)證了WC在Inconel 718基體中的分解。

3）加入WC后，WC/Inconel 718復(fù)合材料的平均顯微硬度提升了約9%，從349HV0.2提升至381HV0.2，且磨損率降至未添加WC時(shí)的65.3%，磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和黏著磨損。說(shuō)明加入WC顆粒后，WC顆粒在Inconel 718基體中充當(dāng)了支撐骨架，起到了彌散強(qiáng)化作用，且WC顆粒在激光高能量的作用下與基體材料元素形成了高硬度的金屬化合物，有效提高了材料的硬度。同時(shí)，未熔解的WC顆粒起到了表面潤(rùn)滑作用，降低了磨損率。

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Microstructure and Wear Performance of WC/Inconel 718 Composites by Laser Melting Deposition

1,1,21,1

(1. Laser Technology Institute, Tiangong University, Tianjin 300387, China; 2. Laboratory of Mechanics Gabriel Lamé (LaMé), University of Orleans, Orleans 45072, France)

As one of the most widely used nickel-based alloys in the aerospace field, Inconel 718 alloy has good strength and mechanical properties at high temperature and room temperature, and has been widely used in military applications, aerospace aircraft and various parts and components. However, after long-term service in harsh working environments, aircraft engine components often face problems such as blade wear, and serious failures will reduce the performance of the components, thereby affecting the service life of the components. The work aims to solve the wear failure of Inconel 718 alloy in engineering application, and explore the mechanism of WC in enhancing the wear resistance of Inconel 718 alloy. The Inconel 718 and WC/Inconel 718 coatings were prepared by laser melting deposition technology. The microstructure evolution mechanism, hardness, friction and wear properties and WC strengthening mechanism of WC composite Inconel 718 alloy were studied.

The WC/Inconel 718 composite powders were mixed uniformly by a mixer. Before the laser melting deposition experiments, the Inconel 718 and WC/Inconel 718 powders were dried in a drying oven at 110 ℃ for 2 h to remove the internal moisture. The substrate was A3 steel plate, the surface of the substrate was cleaned with sandpaper and a laser cleaning machine to remove oxides and rust on the surface to prevent affecting the experimental results. The powders and the laser enter the molten pool together through the laser working head, and were melted on the A3 steel substrate under the action of the laser. The whole cladding experiment was carried out under the protection of an argon gas chamber. The processing parameters were: the laser scanning speed was 16 mm/s, the laser power was 2 000 W, and the overlap rate was 50%. According to the metallographic preparation standards, the prepared Inconel 718 and WC/Inconel 718 cladding blocks were cut, ground and polished, and the samples were corroded with a corrosive solution of HCl: HF=1∶1, the German ZEISS-Sigma 300 field Scanning electron microscopy (SEM) was used to observe the microstructure and morphology of the cross-section of Inconel 718 alloy and WC/Inconel 718 composite, and then the equipped energy dispersive spectrometer (EDS) was used to analyze the element distribution in specific positions of the samples. The phases of Inconel 718 and WC/Inconel 718 samples were detected by D/MAX-2500 X-ray diffractometer, respectively. Using a microhardness tester (HV-1000 Vickers hardness tester) with a load of 0.2 kg and a loading time of 10 s, the cross-section of the sample was measured from the coating surface at a certain distance along the deposition direction. Friction and wear experiments were carried out on Inconel 718 alloy and WC/Inconel 718 composite specimens at room temperature using M-2000 type test block-pair grinding ring wear tester and the wear debris was collected.

The microstructure of the coatings were mainly composed of columnar crystals and cellular crystals. The phase composition of Inconel 718 alloy mainly consists of γ-(Ni, Fe), γ′-Ni3(Al, Ti) and Fe3Ni2, the phase composition of WC/Inconel 718 mainly consists of γ-(Ni, Fe), γ′-Ni3(Al, Ti), AlCoCrW, CrNi15W and Cr-Ni-Fe-C; The hardness test and friction and wear test were carried out on Inconel 718 alloy and WC/Inconel 718 composite materials. The experimental results showed that WC slightly increased the hardness of the alloy, and the wear rate was reduced to 65.3% of that of the alloy without WC. This is because the WC particles play a role of strengthening the hard particles in the Inconel 718 matrix, and the dissolution of a small amount of WC particles increases the hardness of the alloy matrix. In addition, the generated high-hardness metal compound and undissolved spherical WC particles have a pinning effect that hinders the movement of the grain boundary, which is very helpful to improve the wear performance of Inconel 718 alloy.

laser melting deposition; Inconel 718; tungsten carbide; microstructure; wear mechanism

TN249

A

1001-3660(2022)12-0329-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.12.034

2022–01–16；

2022–03–21

2022-01-16；

2022-03-21

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFB0407302）；國(guó)家自然科學(xué)基金（61772365）；工信部工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)綠色制造項(xiàng)目（RZJC–XM19–004）；天津市教委科研項(xiàng)目（2018KJ206）

National Key Research & Development Program of China (2018YFB0407302); National Natural Science Foundation of China (61772365); The Industrial Transformation and Upgrading Funds of Ministry of Industry and Information Technology (RZJC-XM19-004); Scientific Research Program of Tianjin Municipal Education Commission (2018KJ206)

賈曉慧（1996—），女，碩士，主要研究方向?yàn)榧す庠霾闹圃焘伜辖鸷玩嚮辖稹?/p>

JIA Xiao-hui (1996-), Female, Master, Research focus: laser additive manufacturing of titanium and nickel-based alloys.

宋欣靈（1994—），女，博士生，主要研究方向?yàn)榧{米材料復(fù)合鎳基合金。

SONG Xin-ling (1994-), Female, Doctoral candidate, Research focus: nanomaterial composite nickel-based alloy.

雷劍波（1981—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)榧す庠霾闹圃旖饘俨牧?、表面微納強(qiáng)化。

LEI Jian-bo (1981-), Male, Doctor, Professor, Research focus: laser additive manufacturing of metal materials, surface micro-nano strengthening.

賈曉慧, 胡亞寶, 宋欣靈, 等.激光熔化沉積WC復(fù)合Inconel 718合金微觀組織及磨損性能[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(12): 329-339.

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責(zé)任編輯：彭颋