Ni–Cr+WC復(fù)合涂層的激光熔覆技術(shù)發(fā)展和特點

NiCr +WC 復(fù)合涂層的激光熔覆技術(shù)發(fā)展和特點摘要 ：為了提高金屬工件在氧化和磨損環(huán)境中的壽命，通常在其表面附上特殊涂層。最近二十年，隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展，激光用來生產(chǎn)高質(zhì)量涂層。含有Ni和WC的金屬基陶瓷復(fù)合涂層（MMC）通常用于延長惡劣磨損工作條件下工件的壽命。根據(jù)美國試驗材料學(xué)會G-65標(biāo)準(zhǔn)試驗方法，通過對激光熔覆技術(shù)和普通耐磨堆焊技術(shù)做耐磨比較試驗，發(fā)現(xiàn)經(jīng)激光熔覆后工件壽命延長六倍。取得如此效果的原因是激光熔覆有低的稀釋率和高的凝固速度。結(jié)果，對于含有WC顆粒的MMC，激光熔覆后WC有更高的體積分?jǐn)?shù)和更好的微觀結(jié)構(gòu)。為了工程上所需要的耐氧化和耐磨性能，開發(fā)了NiCr +WC復(fù)合涂層。通過在標(biāo)準(zhǔn)鋼上熔覆含有不同WC體積分?jǐn)?shù)的Ni、Cr基體復(fù)合涂層，探究工藝參數(shù)對熔覆質(zhì)量的影響，觀察其微觀結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞：激光熔覆 MMC 耐磨特性 Nd YAG激光器 涂層 WC顆粒1 介紹 近二十年，隨著激光在工業(yè)中的應(yīng)用，激光熔覆隨之發(fā)展并取得了廣泛地應(yīng)用，不僅生產(chǎn)出了含有自潤滑耐磨損顆粒的復(fù)合涂層，而且也出現(xiàn)了耐腐蝕的超合金涂層。WC顆粒的形狀對涂層微觀結(jié)構(gòu)和耐磨損性能的影響以及激光熔覆涂層在耐磨環(huán)境中服役的優(yōu)勢也被研究與討論。為了增加熔覆工件的壽命，發(fā)展了不同成分的多層熔覆層。 耐磨堆焊是指將耐磨的硬質(zhì)材料附著在質(zhì)地軟的材料表面，是一種有效減少表面磨損、撞擊損壞、腐蝕、侵蝕的方法。在很多情況下，注定要承受惡劣表面磨損的工件在服役錢都要進行耐磨堆焊處理。然而在這種表面技術(shù)中，工件表面受高溫，存在很多不可忽視的缺陷和很高的稀釋率。 對于含有WC顆粒的MMC，稀釋率對于最終WC的體積分?jǐn)?shù)和熔覆材料的耐磨特性有著直接的影響。激光熔覆稀釋率為12%，而傳統(tǒng)耐磨堆焊稀釋率為510%。對于所需要的和保持穩(wěn)定性的組分，激光熔覆有大的選擇范圍。 在該文檔對激光熔覆和耐磨堆焊技術(shù)生產(chǎn)的工件的耐磨特性做了比較。分別用上述兩種方法生產(chǎn)含有WC顆粒的Ni-Cr基合金并比較而這的耐磨特性。2 試驗方法 眾所周知，WC具有很好的耐磨特性。但是C本身非常硬，不適于承受循環(huán)應(yīng)力。為了增加涂層在重復(fù)加載和磨損環(huán)境下的壽命，研發(fā)了復(fù)合涂層。通過將WC顆粒加入到柔軟的金屬基材中，改善其耐磨特性，增強耐疲勞強度。隨著碳化物的增多，熔覆層耐磨性能提高，但也同時降低其的韌性。 將MMC涂層添加到金屬工件上的方法主要有三個：熱噴涂（粉末火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、音速火焰噴涂技術(shù)）、耐磨堆焊和激光熔覆。這里只討論耐磨堆焊和激光熔覆。激光熔覆時使用同軸送粉噴嘴，4kw的NdYA連續(xù)激光機。激光波長為1064m，使用直徑為600m的光學(xué)纖維。 含WC顆粒的Ni基涂層熔覆到低碳鋼（AISI 1020，F(xiàn)e+0.2C%）。熔覆的方形試樣尺寸為101.6mm101.6mm12.7mm。激光熔覆中所使用的兩種粉末成分如表1 所示。先將兩種粉末預(yù)混合，然后取體積分?jǐn)?shù)為50%來組成耐磨堆焊所需要的組分。耐磨堆焊選用Ni基合金。表1 激光熔覆的粉末粉末材料碳化鎢WCNi合金（85%Ni+Cr，SI，F(xiàn)e）粉末大?。╩）45-15063-150粉末形式熔合的球狀球狀原子霧化氣體 在激光熔覆過程中，不同送粉速度和掃描速度條件下都選用最大用粉量，如表2。優(yōu)化過程工藝參數(shù)，以得到最好的結(jié)合和最小的稀釋率。熔覆在室溫下進行，在用砂紙磨好的試樣上熔覆。3 試樣準(zhǔn)備 熔覆好的樣品用光學(xué)顯微鏡觀察并測量硬度。 將試樣用粘有晶粒大小為1m的金剛石拋光。選用Ni合金通用的腐蝕劑（50mlHNO3+50ml乙酸）腐蝕來觀察結(jié)構(gòu)。表2 激光參數(shù)工藝參數(shù)變化范圍激光器類型NdYAG激光功率4kw（最大）送粉速度（g/min）40-120掃描速度（mm/min）400-800 圖1 激光熔覆樣品，熔覆層和基材界面（200）4 微觀組織觀察含有碳化物顆粒的典型激光熔覆涂層如圖1所示。熔覆層具有很好的微觀結(jié)構(gòu)。圖中，定向的樹枝晶垂直向熔覆層的自由面方向生長。凝固起源于熔覆層和基材界面處，并且朝向熔覆層方向（沿著熱流的方向）。在WC顆粒周圍可以明顯觀察到熔覆材料的磨損。樹枝晶起源于顆粒的徑向，在熱傳遞中扮演沉淀（如圖2）。 圖3 激光熔覆層材料溶解的球狀碳化鎢的分布 圖3熔覆層中WC顆粒的分布是比較好的，垂直地穿過厚度方向。這些顆粒并沒有熔化而是保持球形。在某些條件下，在冷的或硬的基材上熔覆會出現(xiàn)微觀裂紋。這些裂紋的產(chǎn)生伴隨著明顯的聲音（應(yīng)力的突然釋放，就像受到撞擊的聲音）。通過在激光熔覆過程中暫停，來測量聲音的長度，一般小于2s，微觀裂紋通常產(chǎn)生在凝固過程末期或者冷卻過程初期。裂紋主要垂直于基材表面，并且對熔覆層和基材間冶金結(jié)合的完整性不產(chǎn)生影響。 在激光熔覆過程中，送粉速度控制著基材和熔覆層間的結(jié)合質(zhì)量。隨著送粉速度的增加，飛行粒子吸收的激光功率增加，稀釋率降低。稀釋率的降低對復(fù)合層成分有直接影響，將導(dǎo)致WC組分升高，如圖4。事實上，隨著稀釋率增加，化學(xué)復(fù)合涂層變成了熔覆材料和基材的混合物了。Fig. 4. 送粉速度對WC組分的影響. (a)熔覆速度= 600 mm/min, 送粉速度 = 30 g/min, (b) 熔覆速度 = 600 mm/min, 送粉速度 = 60 g/min. 同樣地，熔覆速度對于WC組分也有直接影響。隨著熔覆速度的增加，傳遞到基材特定區(qū)域的熱量減少，可以獲得更低的稀釋率，WC成分增加。圖5 耐磨堆焊材料溶解的球狀碳化鎢的分布 圖5是經(jīng)耐磨堆焊得到的復(fù)合層橫截面的微觀結(jié)構(gòu)。與激光熔覆相比，沒有觀察到樹枝晶。大多數(shù)WC顆粒保持原來的球形。微粒的數(shù)目是一致的。5 耐磨特性和作用 為了比較耐磨堆焊樣品和激光熔覆樣品的耐磨特性，根據(jù)ASTM-65標(biāo)準(zhǔn)，對二者進行了干沙、橡膠輪磨損試驗。磨損試驗結(jié)果以每立方毫米所損失的體積來衡量。從實驗結(jié)果看，越耐磨的材料有更小的體積損失。 對于磨損試驗，需要三種樣品：一種是帶有耐磨堆焊WC-Ni涂層的標(biāo)準(zhǔn)鋼樣品（AISI 1020），第二種是帶有激光熔覆WC-Ni涂層的標(biāo)準(zhǔn)鋼樣品，第三種是參考樣品，是D2鋼。 對于兩種含有涂層的樣品，放置的是含有最初稱量體積分?jǐn)?shù)為5050%的WC-Ni合金。 在進行磨損實驗之前，每個熔覆層的表面用600粒度的金剛石砂輪機研磨光潔。試樣的硬度用洛氏硬度壓頭測量。對于復(fù)合涂層，每個地方的硬度值不同。 為了獲得MMC涂層的硬度，測量五組數(shù)據(jù)取平均值。 耐磨實驗在加拿大國家研究委員會工業(yè)材料研究所進行。實驗數(shù)據(jù)如表3，由耐磨堆焊產(chǎn)生的WC-Ni復(fù)合涂層磨損量的材料是激光熔覆的六倍。激光熔覆WC-Ni涂層表現(xiàn)出較低的硬度，而耐磨特性顯著提高。與帶熔覆層的樣品比較，D2鋼表現(xiàn)出較高的硬度和較低的耐磨性能。表3 磨損試驗結(jié)果（ASTM G-65）材料磨損量硬度（HRC）真實值與標(biāo)準(zhǔn)的偏差D2（工具鋼）49600.8Ni-WC（50-50體積%）耐磨堆焊36253.1Ni-WC（50-50體積%）激光熔覆647.55.4 圖6 展示了磨損試驗后試樣表面。在這些試樣中，WC顆粒以圓形出現(xiàn)或以球形出現(xiàn)。如圖6b和c，激光熔覆可以得到更高的WC體積分?jǐn)?shù)。微觀組織和更高WC體積分?jǐn)?shù)的綜合作用通過最后兩種涂層的總體硬度表示。激光熔覆獲得的細晶粒和高的WC體積分?jǐn)?shù)增加了總體的最終硬度（激光熔覆硬度47.5HRC ， 比較硬度25HRC）。 從熔覆磨損表面的圖片來看，磨損的機理是是減少附著相。WC顆粒保持完整，沒有明顯的破碎。 做磨損試驗的同時，真實用于陽極糊攪拌機的復(fù)合涂層分別用激光熔覆和耐磨堆焊生產(chǎn)。將這些復(fù)合涂層黏貼在攪拌機表面以生產(chǎn)陽極糊。陽極糊是碳糊，主要由樹脂粘合劑將大于10mm到亞微米的粒子粘合在一起。經(jīng)過一個月的使用，由電弧耐磨堆焊生產(chǎn)的涂層大量磨損變形。攪拌機定期打開觀察磨損狀況，過了7-8個月以后，激光熔覆生產(chǎn)的復(fù)合涂層產(chǎn)生磨損變形。在這種特殊條件下，激光熔覆的優(yōu)勢顯而易見。試