摘要：采用超高速激光熔覆技術在304不銹鋼基體表面分別制備WC/Co合金涂層與Co基合金涂層，對比分析兩種涂層的微觀組織、顯微硬度、摩擦系數(shù)以及耐腐蝕性能.研究結果表明：兩種合金涂層的組織均無微觀裂紋與氣孔缺陷，從界面到涂層表面，凝固組織由柱狀晶轉變?yōu)榈容S枝晶，涂層與基體之間形成了良好的冶金結合，且WC/Co合金涂層整體組織相對于Co基合金涂層更加均勻細密；WC/Co合金涂層的顯微硬度明顯高于Co基合金涂層，且摩擦系數(shù)低于Co基合金涂層的摩擦系數(shù)，表明WC/Co合金涂層的耐磨性能優(yōu)于Co基合金涂層；Co基合金涂層的電化學腐蝕電位高于WC/Co合金涂層腐蝕電位，但腐蝕電流密度低于WC/Co合金涂層腐蝕電流密度，表明Co基合金涂層的耐腐蝕性能要優(yōu)于WC/Co合金涂層.

關鍵詞： 超高速激光熔覆；WC/Co合金涂層；耐磨性能；耐腐蝕性能

中圖分類號：TG172；0432.1文獻標志碼：A

A Comparative Study on the Surface Properties of"WC/Co Alloy Coating and Co-based Alloy Coating"by Ultra-high Speed Laser Cladding

FU Fuxing， CHEN Xiaoming， LIU Chen

（School of Mechanical and Material Engineering; Shaanxi Province Key Laboratory of"Surface Engineering and Remanufacturing， Xi’an University， Xi’an 710065， China ）

Abstract： WC/Co alloy coating and Co-based alloy coating were prepared on the surface of 304 stainless steel substrate by ultra-high-speed laser cladding technology. The microstructure， micro-hardness， friction coefficient and corrosion resistance of the two coatings were compared and analyzed. The results of research show that the microstructure of the two coatings have no microscopic cracks and porosity defects， the solidification microstructure changes from columnar crystal to equiaxial dendrites structure from the interface to the coating surface， a good metallurgical bond is formed between the coating and the substrate， and the overall microstructure of WC/Co alloy coating is more uniform and finer than that of Co-based alloy coating; The microhardness of WC/Co alloy coating is significantly higher than that of Co-based alloy coating， and the friction coefficient is lower than that of Co-based alloy coating， indicating that the wear resistance of WC/Co alloy coating is better than that of Co-based alloy coating. The electrochemical corrosion potential of Co-based alloy coating is higher than that of the WC/Co alloy coating， but the corrosion current density is lower than that of WC/Co alloy coating. Therefore， the corrosion resistance of Co-based alloy coating is better than that of the WC/Co alloy coating.

Key words： ultra-high-speed laser cladding; WC/Co alloy coating; wear resistance； corrosion resistance

超高速激光熔覆技術是近年來開發(fā)出的一新型熔覆技術，其熔覆機理與傳統(tǒng)激光熔覆技術有明顯的不同.在超高速激光熔覆中，從激光器輸出的能量少部分作用在基材上形成較淺的熔池，而大部分能量作用在了粉末上，使粉末在進入熔池之前溫度升至熔點并熔化，以液滴的形式滴入熔池與基體材料結合，經(jīng)快速凝固后在熔池表面形成熔覆涂層［1-2］.基于這一原理，超高速激光熔覆大大縮短了粉末熔化時間，從而使熔覆效率成倍提高，可達到傳統(tǒng)激光熔覆的10倍以上.除此之外，超高速激光熔覆技術還具有熔池稀釋率低（＜1%）、熱影響區(qū)域?。ǎ?.1 mm）、粉末利用率高（≥90%）、熔覆層表面光潔度高（表面粗糙度＜Ra6.4 μm）等優(yōu)點［3-5］，所制備的涂層也具有優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕和抗高溫氧化等性能［6-8］.因此，相對于傳統(tǒng)激光熔覆技術，超高速激光熔覆技術在涂層性能、加工效率和生產(chǎn)成本上具有明顯的優(yōu)勢，已被廣泛應用于航空航天、煤炭石油、重型機械等領域.

目前，有關超高速激光熔覆技術的研究主要聚焦在新型熔覆粉末材料的開發(fā)和熔覆工藝的優(yōu)化.在粉末配方研究方面，已經(jīng)開發(fā)了多種Fe-、Ni-、Co-和Zr-基的合金粉末［9-12］，其中，Co基合金粉末具有良好的耐腐蝕性能、較高的強度和塑性韌性，已廣泛應用于制備耐磨和耐腐蝕涂層.為進一步提升Co基合金涂層的耐磨和耐腐蝕性能，一些科研人員嘗試在熔覆粉末中添加了一些稀有金屬元素，如釔、鎢、銫、鉬和鈮等［13-16］，但稀有金屬價格昂貴，使材料成本增加.因此，在提升涂層性能的同時，有必要研究低成本的新型熔覆粉末.

WC具有高硬度、化學穩(wěn)定性好和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可有效增強涂層的硬度和耐磨性能，且WC與Co有良好的濕潤性.因此，本文在Co基合金粉末中添加適量的WC粉末，利用超高速激光熔覆技術分別制備WC/Co合金涂層和Co基合金涂層，并對比分析兩種涂層的微觀組織、顯微硬度、摩擦系數(shù)以及耐腐蝕性能.

1試驗參數(shù)

本文采用超高速激光熔覆技術在304不銹鋼基體表面上制備Co基及WC/Co基合金涂層，所用設備為ZKZM-10000型10 kW超高速激光熔覆系統(tǒng).304不銹鋼試樣規(guī)格尺寸為100 mm×100 mm×15 mm.試驗前須對試樣依次進行打磨、噴砂、超聲清洗和烘干等預處理，以去除試樣表面的粉塵、油污和水分.

涂層材料分別采用Co基合金粉末和WC/Co基合金粉末，其中Co基合金粉末的化學成分如表1所示.WC/Co基合金粉末中，WC粉末與Co基合金粉末的質量比為1∶9.試驗前對粉末依次進行篩粉、干燥（120 ℃恒溫加熱2 h）和混粉處理，其中篩粉處理是為了均勻粉末粒度，干燥處理是為了去除粉末中的水分.

超高速激光熔覆工藝參數(shù)有激光功率、掃描速度、送粉速度、搭接率和保護氣流壓力等，其中激光功率和掃描速度是影響涂層質量的關鍵參數(shù).為獲得優(yōu)異的涂層性能和質量，依據(jù)本研發(fā)團隊多年的研發(fā)經(jīng)驗，在制備Co基合金涂層時，設定激光功率為4 500 W、掃描速度為3 m/min；在制備WC/Co基合金涂層時，設定激光功率為5 000 W、掃描速度為3 m/min，其它參數(shù)如表2所示.

完成涂層制備后，使用線切割機將熔覆試樣制成直徑為15 mm、厚度為5 mm圓柱體金相試樣，并進行打磨和拋光處理.在觀測涂層的微觀組織時，首先采用王水溶液［V（HCl）∶V（HNO3）＝3∶1］對涂層進行腐蝕處理，再通過Nova Nano SEM 450型場發(fā)射掃描電鏡進行觀察；在檢測涂層的表面硬度時，采用維氏硬度計測試涂層的顯微硬度，載荷為300 gf，保荷時間為10 s；在分析涂層的耐磨性能時，采用HT-1000型摩擦磨損試驗機測試涂層的摩擦系數(shù)，具體測試參數(shù)如表3所示；在分析涂層的耐腐蝕能時，采用CS350型電化學工作站進行電化學腐蝕測試，腐蝕液為NaCl溶液（質量分數(shù)為3.5％），掃描速率為１ mV/s，試驗溫度為室溫.

2試驗結果及分析

2.1涂層微觀組織

圖1和圖2分別給出了Co基合金涂層和WC/Co基合金涂層截面的微觀形貌.由圖1（a） 和圖2（a）可知，從界面到涂層表面，兩種合金涂層的凝固組織由柱狀晶轉變?yōu)榈容S枝晶組織，涂層與基體之間形成了良好的冶金結合；另外，冶金結合區(qū)上方的組織為柱狀晶體，具有一定的取向，其生長方向接近于垂直于冶金結合區(qū).由圖1（b） 和圖2（b）可知，兩種合金涂層的組織均無微觀裂紋與氣孔缺陷，但WC/Co合金涂層整體組織相對于Co基合金涂層更加均勻細密.

2.2涂層耐磨性能

涂層的耐磨性能可通過涂層顯微硬度和摩擦系數(shù)來表征.涂層的顯微硬度采用維氏硬度計來測量，測試過程中以涂層和基體界面為坐標原點，采樣間隔為50 μm.表4和圖3分別給出了Co基和WC/Co基合金涂層的顯微硬度分布，其中試樣基體的硬度為233 HV左右，Co基合金涂層的硬度為380 HV左右，WC/Co基合金涂層的硬度為1 200 HV左右，表明兩種合金涂層的硬度都高于基體的硬度，且WC/Co基合金涂層整體硬度明顯高于Co基合金涂層.其原因一方面是WC/Co基合金涂層組織較Co基合金涂層更加均勻細密，另一方面是WC/Co基合金涂層中WC的引入進一步增強了涂層的硬度.

圖4給出了涂層表面摩擦系數(shù)與對磨時間的關系曲線，可知WC/Co基合金涂層的平均摩擦系數(shù)（約為0.28）明顯低于Co基合金涂層的平均摩擦系數(shù)（約為0.55）.根據(jù)Archard的摩擦學理論［17］，涂層的耐磨性與涂層的硬度成正比，與涂層的摩擦系數(shù)成反比.因此，相對于Co基合金涂層，WC/Co基合金涂層具有更優(yōu)異的耐磨性能.

2.3涂層耐腐蝕性能

本文采用電化學腐蝕方法對超高速激光熔覆涂層的耐蝕性進行測試與分析.圖5分別給出了Co基、WC/Co基合金涂層在3.5％ NaCl溶液中的腐蝕極化曲線，表5給出各自的腐蝕電位（Ecorr）及腐蝕電流密度（Icorr）.腐蝕電流密度反映材料的均勻腐蝕速率，數(shù)值越大，表示材料的腐蝕速率越大；腐蝕電位反映材料的熱力學腐蝕傾向，數(shù)值越大，表示材料的腐蝕傾向相對越小［18］.

由表5可知，Co基合金涂層的腐蝕電位（-0.239 V）高于WC/Co合金涂層腐蝕電位（-0.248 V），但腐蝕電流密度（6.208×10-7 A·cm-2）低于WC/Co合金涂層腐蝕電流密度（7.644×10-7 A·cm-2），表明Co基合金涂層的耐腐蝕性能要優(yōu)于WC/Co合金涂層.究其原因，Co的耐腐蝕性能較WC更優(yōu)異，在Co基合金粉末中添加WC成分，會降低Co在合金涂層的質量占比，進而導致WC/Co合金涂層的耐磨性能要低于Co基合金涂層.

3結論

本文利用超高速激光熔覆技術在304不銹鋼基體表面分別制備了Co基合金、WC/Co合金涂層，通過對比與分析兩種涂層的微觀組織、顯微硬度、摩擦系數(shù)和耐腐蝕性能，得到如下結論：

（1）超高速激光熔覆Co基合金和WC/Co合金涂層的組織均無微觀裂紋與氣孔缺陷，從界面到涂層表面，兩種合金涂層的凝固組織由柱狀晶轉變?yōu)榈容S枝晶組織，涂層與基體之間形成了良好的冶金結合，WC/Co合金涂層整體組織相對于Co基合金涂層更加均勻細密.

（2）WC/Co合金涂層的最大顯微硬度（1 349 HV）明顯高于Co基合金涂層的最大顯微硬度（380.4 HV），且摩擦系數(shù)低于Co基合金涂層的摩擦系數(shù)，表明WC/Co合金涂層相對于Co基合金涂層，具有更優(yōu)異的耐磨性能.

（3）Co基合金涂層的電化學腐蝕電位（-0.239 V）高于WC/Co合金涂層腐蝕電位（-0.248 V），但腐蝕電流密度（6.208×10-7 A·cm-2）低于WC/Co合金涂層腐蝕電流密度（7.644×10-7 A·cm-2），表明Co基合金涂層的耐腐蝕性能優(yōu)于WC/Co合金涂層.

綜上所述，WC/Co合金涂層在顯微組織和耐磨性能上要優(yōu)于Co基合金涂層；而在耐腐蝕性能方面，Co基合金涂層要優(yōu)于WC/Co合金涂層.該結論可為耐磨涂層和耐腐蝕涂層的應用提供參考.

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［責任編輯趙小俠］