分享：WC-Cr7C3 复合增强铁基激光熔覆层的组织与性能

王皓民1,汪国庆1,熊杨凯1,江 昊1,赵远涛2,方志强1,李文戈2

 (1.海南大学材料科学与工程学院,海口 570228;2.上海海事大学商船学院,上海 201306) 

摘 要:以铬粉、钨粉、石墨粉和铁粉为熔覆层原料,Ni60合金粉为黏结层原料,采用激光熔覆技 术在45钢基体表面制备了 WC-Cr7C3 复合增强铁基熔覆层,研究了不同激光功率(2500~3500 W) 和扫描速度(2~5mm·s -1)下熔覆层的宏观形貌,得到最优工艺参数,分析最优工艺下熔覆层的显 微组织和性能。结果表明:最优激光熔覆工艺参数为激光功率3500 W 和扫描速度2mm·s -1;熔 覆层中原位自生了网络结构的 WC-Cr7C3 复合碳化物,由熔覆层表面到内部其组织逐渐由等轴晶 和树枝晶向柱状晶和平面晶转变;熔覆层的平均硬度为507.6HV,较基体提高约63.8%,平均稳 定摩擦因数为0.128,仅为基体的1/4,磨损率为4.9×10 5cm 3·N -1·m -1,仅为基体的1/9,磨损形 式为轻微的磨粒磨损和轻微的黏着磨损。 

关键词:WC-Cr7C3 复合增强铁基激光熔覆层;原位反应;显微组织;摩擦磨损性能 中图分类号:TG174.4 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)10-0098-08 

0 引 言

 45钢因具有较好的强度、塑韧性与焊接性而广 泛应用于关键机械零部件的制造;这些关键零部件 在服役过程中常面对严重摩擦磨损的工况,给其服役性能与寿命带来了巨大挑战,因此有必要对其表 面进行改性处理。激光熔覆技术是指采用高能激光 束照射基体表面粉末,使粉末熔化、凝固而形成涂层 的一种技术[1-2]。激光熔覆技术制备的金属陶瓷复 合涂层已广泛应用于机械零件表面以提高零件表面 硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能[3-6]。在金属陶瓷复合 激光熔覆层中,TiC、VC、Cr7C3、WC 等碳化物因具 有硬度高、稳定性好、耐腐蚀性能佳等优势而广泛用 作硬质强化相[7-10]。研究[11]表明,激光熔覆原位合 成的强化相与铁基相有着良好的界面行为,可解决 强化相与基体相界面相容性与润湿性差的问题。同 时,激光熔覆技术制备的碳化物增强熔覆层成形质 量较好,碳 化 物 对 熔 覆 层 的 性 能 提 升 有 较 好 的 效 果[9]。但是单一碳化物相的强化作用也易使改性熔 覆层的性能分布不均衡,导致其应用受到一定程度 的限制[12]。 近年来,多元硬质相复合强化的激光熔覆层因 多元硬质相差异化的物理化学性能,而赋予熔覆层 更加优异 的 组 织 稳 定 性、力 学 性 能 与 化 学 稳 定 性 等[12] ;其中 WC与 Cr7C3 复合增强激光熔覆层在组 织稳定性、硬度、耐磨性与抗高温氧化性能等诸多方 面展现了良好的协同增强效果,这 与 WC 具 有 比 Cr7C3 更高的硬化效果,而 Cr7C3 可提升 WC 相的 高温稳定性有关[13]。目前,有关 WC-Cr7C3 复合增 强激光熔覆 层 的 研 究 很 少,且 主 要 集 中 在 强 化 效 果分析等 方 面[7],未 见 有 关 激 光 熔 覆 工 艺 优 化 及 工艺参数对熔覆层组织和性能影响等方面的研究 报道,而激光 功 率 和 扫 描 速 度 会 显 著 影 响 熔 覆 层 的显微组织和力学性能[14]。基于此,作者以铬粉、 钨粉、石墨粉与铁粉为熔覆层原料,Ni60合金粉为 黏结层原料,采用激光熔覆技术在45钢基体表面 制备了 WC-Cr7C3 复合增强铁基熔覆层,研究了不 同激光功率 和 扫 描 速 度 下 熔 覆 层 的 宏 观 形 貌,得 到最优的激 光 熔 覆 工 艺 参 数,分 析 了 最 优 工 艺 下 熔覆 层 的 显 微 组 织、物 相 组 成、硬 度、摩 擦 磨 损 性能。

 1 试样制备与试验方法 

试验所用基体材料为尺寸60 mm×60 mm× 5mm 的45钢,对 其 进 行 喷 砂 处 理 使 表 面 粗 糙 度 Ra 为2.5μm,用丙酮超声清洗后烘干。熔覆材料 包括钨粉(平均粒径48μm,纯度不低于99.95%,北 京化学试剂公司生产)、铬粉(平均粒径75μm,纯度 不低于99.9%,北京化学试剂公司生产)、Ni60自熔 合金粉(粒径48~106μm,纯度不低于99.9%,北京 化学试剂公司生产)、铁粉(平均粒径48μm,纯度不 低于99.9%,天津化学试剂三厂生产)与石墨粉(平 均粒径75μm,纯度不低于99%,北京有色金属研 究院生产)。将 Ni60合金粉与质量分数10%聚乙 烯醇黏结剂均匀混合,涂敷在45钢基体表面形成黏 结层,厚度为0.2mm。根据前期研究结果,确定熔 覆层中铬粉、石墨粉、钨粉的原料配比如表1所示。 按照表1的原料配比称取熔覆材料,采用球磨机机 械球磨2h后,置于70 ℃的烘箱内烘干1h。将烘 干后的混合粉体与质量分数10%聚乙烯醇黏结剂 混合,并均匀涂覆在 Ni60合金粉黏结层表面,涂覆 厚度约为0.7 mm,烘干。采用 HL-5000型 CW 二 氧化碳激光器进行激光熔覆试验,激光光斑直径为 8mm,离焦量为270mm,搭接率为10%,激光功率 分别为2500,3000,3500W,扫描速度分别为2,3, 5mm·s -1,保护气体为氩气。采用 LeicaDM2700M 型光学显微镜对熔覆层 的宏观 形 貌 进 行 观 察。 用 线 切 割 加 工 出 尺 寸 为 10mm×5mm×5mm 的试样,经超声清洗、镶嵌、 打磨、抛光、王水腐蚀后,采用 HitachiS-3400N 型 扫描电镜(SEM)对熔覆层的截面微观形貌进行观 察,采用SEM 附带的JXA-8100型能谱仪(EDS)进 行微区成分分析。采用 X'PertProMDP型 X 射线 衍射仪(XRD)分析熔覆层的物相组成,采用铜靶, Kα 射线,管电压为40kV,管电流为40mA,扫描范 围为20°~90°,扫描速率为 10(°)·min -1,步 长 为 0.02°。采用热震试验研究熔覆层与基体的结合性 能,将 熔 覆 层 试 样 置 于 500 ℃ 的 马 弗 炉 中 保 温 2min,随后立即水淬3min,反复操作50次后,采用 SEM 观察熔覆层与基体界面处的截面形貌。采用 HXD-1000TMC型显微硬度计测熔覆层和基体截面 的维氏硬度,测试间隔为0.1mm,载荷为1.96N,保 载时间为15s。采用 OptimalSRV 型摩擦磨损试验 机对熔覆层试样和基体试样进行摩擦磨损试验,对磨 件为Si3N4 球(硬度1800HV,直径10mm),法向载 荷为90N,行程为1mm,往复频率为30Hz,试验时 间为60min;摩擦磨损试验后,以未磨损表面为基准面,磨损表面上垂直于磨痕方向为x 轴,磨损表面法 向为y 轴,采用 TL-1型探针式粗糙度测试仪绘制磨 痕轮廓;采用Talysurf5P-120型表面形貌仪测定磨损 表面的形貌曲线,计算磨损体积。 

2 试验结果与讨论 

2.1 宏观形貌

 由图1可以看出,在5mm·s -1扫描速度下,不 同激光功率制备熔覆层中均出现了明显的宽度约 6.5mm 的窄条状熔覆区域(非搭接区)以及窄条状 熔覆区域之间的搭接区。2500 W 激光功率下制备 的熔覆层单道宽度较窄,原料粉末仍保持原状,熔覆 层几乎未实现成形,且搭接区域存在较多未熔化的 粉体颗粒与球化熔粒,整体成形质量较差。当激光 功率增加到3000W 时,熔覆层部分成形,搭接区出 现金属熔合形貌且未熔颗粒数量明显减少,但仍存 在较多的球化熔粒。当激光功率为3500 W 时,熔 覆层表面平整度良好,搭接区存在少量球化熔粒且 未出现明显未熔颗粒,说明3500 W 的激光功率对 该熔覆材料具有较好的熔覆效果。 

由图2结合图1(c)可知,在3500 W 激光功率 下,随着扫描速度由5mm·s -1下降到2mm·s -1, 熔覆层成形质量逐渐变好。5mm·s -1 扫描速度制 备得到熔覆层搭接区存在一些球化熔粒,部分熔覆 层成形良好,但整体成形质 量 一 般。3 mm·s -1 扫 描速度下制 备 得 到 熔 覆 层 平 整 度 较 好,搭 接 区 的 球化熔粒较少。当扫描速度为2 mm·s -1时,熔覆 层表面球化 熔 粒 完 全 消 失,熔 覆 层 有 明 显 金 属 光 泽且均匀 度 与 平 整 度 良 好。对 比 可 知,在 高 激 光 能量下,随着扫描速度的降低,原料粉体有足够的 时间充分熔融从而形成均匀平整的表面形貌。熔 覆层表面出现的黑色物质可能来源于激光熔池中 聚乙烯醇的 焦 化、混 合 粉 体 中 合 金 元 素 的 氧 化 或 高含量 石 墨 的 上 浮 脱 碳,该 黑 色 物 质 可 被 清 除。 综上可知,在3500 W 激光功率、2mm·s -1扫描速 度下制备得 到 的 熔 覆 层 具 有 较 好 的 成 形 质 量,因 此后面对该工艺下熔覆层的微观形貌与性能进行 研究。 

2.2 微观形貌与物相组成 

由图3 可知,在激光功率 3500 W、扫描速度 2mm·s -1条件下,非搭接区熔覆层试样截面由熔覆 层、熔 合 层 与 基 体 组 成,其 中 熔 覆 层 厚 度 约 为 500μm,熔合层厚度约为10μm。熔覆层组织主要 由碳化物强化相与马氏体相组成,碳化物相呈现三维 网络结构,同时该网络结构还存在由合金基体相凝固 成分偏析产生的共晶组织或伪共晶组织。熔覆层组织细小致密,且无明显裂纹。由熔覆层表面到内部, 其组织逐渐由等轴晶(区域 A和B)、树枝晶(区域 C) 向柱状晶与平面晶(区域 D)转变,该晶粒形貌的演变 是由凝固形状控制因子K(温度梯度与凝固结晶速率 的比值)决定的[15]。在靠近熔合层处K 值较大,导致 平面晶产生;随着距熔合层距离的增大,形核率下降, 在正的凝固温度梯度作用下,熔覆层晶粒沿着热量传 递方向呈柱状晶生长;随着距熔合层距离的继续增 大,此时熔体快速达到过冷状态,熔体凝固释放的相 变潜热导致正凝固温度梯度的产生,进而引发树枝晶 的生成;在熔覆层表面处,较大的过冷度促进大量晶 粒形核,从而形成等轴晶。熔合层为一条白亮带,其 晶粒为熔覆层熔体在较大过冷度下所形成的细小晶 粒,组织中无明显杂质及缺陷。 由图4可知,搭接区熔覆层试样截面由熔覆层、 熔合层与基体组成,其中熔覆层厚度约为550μm, 熔合层厚度约为8μm。相较非搭接区,搭接区熔覆 层中的网络结构更明显,共晶组织更均匀、规则且致 密;由熔覆层表面到内部,其组织逐渐由均匀等轴晶 和不明显的树枝晶(区域 E,F,G)向平面晶与少量 柱状晶(区域 H)转变。与非搭接区相比,激光重熔 作用及熔池的对流使得搭接区内成分更加均匀,熔 池凝固过程中合金相周围更易形成共晶组织网络, 同时晶粒尺寸略有减小。 由图5可 知:搭 接 区 和 非 搭 接 区 熔 覆 层 中 白 亮相和灰质相的化学成分相似,均含有铁、钨、铬、 碳、镍5种 元 素,主 要 元 素 均 为 铁 元 素 和 碳 元 素, 其中灰质相 中 含 有 相 对 较 少 的 钨、铬 及 较 多 的 镍 元素,说明灰 质 相 主 要 为 铁 基 合 金 相 及 部 分 碳 富 集相,白亮相含有相对较多的钨、铬及较少的镍元 素,说明白亮相主要为合金碳化物相,其中镍元素 来源于黏结层。 由图6可知,熔覆层的主要物相为 Cr7C3、WC、 Fe3C与 FeM 固溶体(M 代表 Ni,W,Cr,C),说明激 光熔覆 可 原 位 合 成 Cr7C3 与 WC 碳 化 物 强 化 相。 结合图5可知,熔覆层中的灰质相为 FeM 固溶体与 碳富集 区,而 白 亮 相 为 Cr7C3、WC、Fe3C 富 集 区。 其中,FeM 固溶体是由于镍基合金粉黏结层在激光 熔池对流作用下对表面熔覆层的熔融稀释形成的。 在表面激光熔覆过程中,黏结层粉末发生熔融、对 流、扩散,使其与表面熔覆层形成合金化的复合熔覆 层,结合熔合层的白亮带,可知熔覆层与基体形成了 冶金结合。

 2.3 与基体的结合性能

 由图7可知,经500℃反复50次的热震试验后, 熔覆层内部无明显裂纹等缺陷产生,且熔覆层与基体间界面处未见明显裂纹、剥离等现象,说明二者形成 了较好的结合,这主要是因为原位自生碳化物相与 FeM 合金相间具有较好的界面相容性,且镍基合金粉 在激光熔覆过程中发生熔融、对流、扩散,使其与熔覆 层形成合金化的复合熔覆层,从而提高了熔覆层的内 部结合力,使熔覆层与基体形成了冶金结合[16]。

 2.4 显微硬度

 由 图8可知,随着距表面距离的增加,熔覆层的硬度先缓慢降低,当距表面距离大于550μm 时,硬 度急剧降低,说明此时测试的区域已属于硬度较低 的熔合层,其中熔覆层的平均硬度为507.6 HV,而 基体的平均硬度为304.5HV,熔覆层的硬度较基体 提高了约63.8%。熔覆层硬度与其屈服强度有正 相关性。在激光熔覆过程中,熔池由内向外的凝固 行为导致低熔点的碳化物(Cr7C3、WC 与 Fe3C)向 熔覆层表层区域富集,起到第二相强化作用;激光熔 图8 激光功率3500W、扫描速度2mm??s -1下制备得到熔覆层 试样的截面硬度分布曲线 Fig 8 Sectionhardnessdistributioncurveofcladdinglayersample preparedwithlaserpowerof3500 Wandscanningspeed of2mm??s -1 覆过程的快速降温行为导致表层区域具有较大过冷 度,引起合金相与碳化物相的结晶率升高,晶粒细 化,从而提高了熔覆层表层区域的屈服强度[17],进 而提高了表层的硬度。较多的碳元素与合金元素使 熔覆层形成明显的固溶强化效应。3种强化机制的 协同作用使得熔覆层具有很高的硬度,远高于基体。

 2.5 摩擦磨损性能 

由图9可知,磨损试验后,45钢基体磨痕宽而 深,熔覆层磨痕窄而浅。由图10可知:45钢基体的 摩擦因数在0~120s内由0增加到0.48,在摩擦稳 定阶段的平均摩擦因数为0.458;熔覆层的摩擦因 数在0~120s内由0增加到0.25,在摩擦稳定阶段 的平均摩擦因数为0.128,仅为基体的1/4。基体和 熔覆层的磨损率分别为 4.9×10 6,5.4×10 5 cm 3· N -1·m -1,熔覆层的磨损率仅为基体的1/9。熔覆 层中致密的碳化物网络将基体相分割成无数窄小的 微观密 闭 空 间,使 熔 覆 层 硬 度 趋 近 于 碳 化 物 组 织[18] ;在摩擦磨损过程中,碳化物网络结构承受主 要载荷,使得熔覆层的磨损量较低,同时熔覆层中的 石墨可起到润滑作用,减小摩擦因数。 由图11可知:相同条件下磨损试验后45钢基 体发生较严 重 的 磨 损,存 在 明 显 犁 沟 和 部 分 长 条 鳞片状剥落 区 域,说 明 基 体 发 生 了 磨 粒 磨 损 和 黏 着磨损;熔覆层的磨损程度较为轻微,表面未发现 明显犁沟或 塑 性 变 形 的 磨 痕,只 有 少 量 的 轻 度 磨 粒磨损和 黏 着 磨 损 痕 迹。在 摩 擦 磨 损 过 程 中,熔 覆层中均匀密集分布呈网络结构的碳化物增强相 分散了摩擦 作 用,灰 质 相 与 基 体 相 均 发 生 局 部 剥 离而引起轻 微 黏 着 磨 损,少 量 凸 出 碳 化 物 颗 粒 脱 落引起轻微磨粒磨损[19]。 

3结论

 (1)以铬粉、钨粉、石墨粉与铁粉为熔覆层材 料,Ni60合金粉体为黏结层材料,在3500 W 激光 功率与2mm·s -1扫描速度下在45钢基体上制备得 到的激光熔覆层具有较好的成形质量。 (2)熔 覆 层 中 原 位 自 生 了 网 络 结 构 的 WCCr7C3 复合碳化物,基体相为合金相 FeM(M 代表 Ni,W,Cr,C),熔覆层与黏结层发生了元素合金化; 由表面到内部,熔覆层组织逐渐由等轴晶和树枝晶 向柱状晶与平面晶转变。 (3)热震试验后熔覆层内部无明显裂纹等缺陷 产生,且熔覆层与基体界面处未见明显裂纹、剥离等 现象,说明二者形成了良好的冶金结合;熔覆层的平 均硬度为507.6HV,较基体提高约63.8%,高硬度 与其第二相强化、细晶强化和固溶强化的协同作用 有关;熔覆 层 在 摩 擦 稳 定 阶 段 的 平 均 摩 擦 因 数 为 0.128,仅 为 基 体 的 1/4,磨 损 率 为 5.4×10 5 cm 3· N -1·m -1,仅为基体的1/9,磨损形式为轻微的磨粒 磨损和轻微的黏着磨损。

来源：材料与测试网