niwc复合梯度涂层激光重熔组织演变的研究

niwc复合梯度涂层激光重熔组织演变的研究

激光金属陶瓷复合涂层是激光表面强化技术中发展最快、应用最广泛的技术之一，取得了许多显著成就。但由于受激光熔池大的温度梯度的影响,以及陶瓷与金属基体之间的物化性能的不匹配,很容易使复合涂层出现裂纹与孔洞。而采用多元化合成技术制备复合梯度涂层,不仅可大大缓解涂层内的应力,避免裂纹的产生,而且有利于陶瓷颗粒的合理分布。本文利用现代微观分析技术、显微硬度计及磨损实验机对宽带激光熔覆Ni-WC复合梯度涂层组织、硬度及磨损特性进行了较为详细地研究。涂层的熔覆和显微硬度选择调质40Cr钢作为基体材料,样品尺寸为60mm×30mm×10mm。选择Ni60B合金为复合涂层的粘结合金,将其分别与10、25及30vo1.%的WC粉末相混合,制备出三种的复合熔覆粉末。实验用熔覆粉末具体化学组成及粒度如表1所示。采用自重送粉法,在配有宽带扫描转镜系统的5kW数控CO2激光加工系统上进行宽带激光熔覆。激光熔覆时,按照Ni60B、Ni-10vo1.%WC、Ni-25vo1.%WC和Ni-50vo1.%WC的顺序进行重叠熔覆。激光熔覆主要工艺参数为:功率2.2kW,扫描速度2mm/sec,送粉率3～8g/min,光斑尺寸20mm×2mm。熔覆后获得了宽为21mm,厚为4.5mm的复合梯度涂层。采用扫描电镜和X射线衍射仪对复合梯度涂层组织进行分析。利用显微硬度计测试显微硬度。选用MM200磨损实验机进行干滑动磨损试验,磨损条件为:对磨偶件为GCr15(硬度为HRC58),载荷98N,磨轮转速200rpm,磨损时间30min。结果与分析1.涂层表面微区组织结构图1所示为Ni-WC复合梯度涂层熔覆区的X射线衍射分析图谱。可见,复合梯度涂层熔覆区主要是由γ-Ni、M23C6、M7C3、Ni2B、WC及W2C所组成。图2所示为Ni-WC复合梯度涂层组织形貌特征。在激光熔覆过程中,由于受陶瓷颗粒运动、合金熔体流动特性及颗粒与液固界面间相互作用等因素的综合影响,使得WC颗粒发生沉积,在各亚层的底部形成了WC颗粒积聚区。随着亚层中WC含量的增加,WC颗粒积聚区的扩大,颗粒的分布也愈趋均匀。同时,涂层熔覆区组织形貌也随着亚层中WC含量的增加而发生改变。在扫描电镜下作进一步放大观察可以发现,位于涂层表面的Ni-50%WC亚层非WC聚集区的显微组织主要是由条块状M23C6型化合物、梅花状M7C3型化合物、黑色Ni2B硼化物、树枝晶γ-Ni固溶体和分布其间的共晶组织所构成(图3)。图4所示为Ni-50%WC亚层内WC颗粒积聚区的组织形貌。可见,该微区主要是由大块状WC颗粒、树枝晶γ-Ni固溶体,以及细小块状M7C3型化合物所组成。在高温下,由于WC颗粒与合金界面间发生互扩散和化学反应,结果导致颗粒边缘形成了向外辐射生长的晶须状组织。图5所示为Ni-50%WC与Ni-25%WC两亚层交界处的组织形貌。可见,由于在叠层熔覆过程中该微区受到二次熔凝作用,使得该微区树枝晶组织明显粗化,且WC颗粒因发生破碎熔解,导致颗粒边缘变的凹凸不平。而Ni-25%WC亚层WC颗粒积聚区组织变化不大,与Ni-50%WC亚层WC颗粒积聚区组织基本相似(图略)。图6为Ni-25%WC和Ni-10%WC两亚层交界处的组织形貌。可见,该微区内除了大块状WC颗粒外,主要是由细小的颗粒状白色M7C3型化合物和灰色γ-Ni相所组成。在涂层边缘区域,由于Ni基合金熔体具有良好的流动性能,因而在Ni基合金涂层表面叠层熔覆Ni-10%WC涂层时,两种涂层熔体发生了激烈的搅拌混合,结果在表面张力和颗粒与粘接金属密度差所引起浮力的综合作用下,WC颗粒发生沉降,最终积聚在涂层的底部。同时,因两种涂层成分的剧烈混合及基体金属的稀释作用,粘接金属的组织形貌也发生了明显改变,出现了大量的三角状共晶组织。而在涂层熔覆区与热影响区之间则存在一条白亮带,它是以平面晶的生长形态沿热流方向生长出来的,并与热影响区之间保持着平直界面(图7)。白亮层的形成表明涂层与基体实现了良好的冶金结合。2.涂层亚表面区图8所示为Ni-WC复合梯度涂层显微硬度沿层深分布曲线。可见,复合梯度涂层显微硬度沿层深分布曲线上明显地出现了三台阶,分别对应熔覆区、热影响区和基体。在涂层亚表面区,因WC颗粒在高温下发生溶解而导致周围合金成分发生较大变化,在随后的快速凝固过程中析出了多种增强化合物相,因而在距表面0.2～0.3mm的范围内涂层具有较高硬度。而在涂层最表层因受激光作用时间较长,合金元素发生了较大程度的烧损,从而降低了涂层最表层的硬度。此外,在个亚涂层进行叠层熔覆过程中,因受二次重熔作用,显微组织明显粗化,因此,在各亚层的交界处显微硬度也随之降低,致使涂层熔覆区硬度沿层深分布出现了几个低谷。3.复合梯度涂层磨损机理图9所示为Ni-WC复合梯度涂层在PN=98N,VR=200rpm条件下磨损体积与滑动距离之间的关系曲线。为作比较,Ni基合金涂层磨损特性曲线也列入图中。由图可见,在最初滑动的126m距离内,Ni基合金涂层的磨损体积与Ni-WC复合梯度涂层的相差不大,但随着滑动距离的增加,Ni基合金涂层的磨损体积急剧增加,而Ni-WC复合梯度涂层因WC颗粒硬质强化作用及大量强化析出相的增强作用,在滑动了377m后仍处于轻微的磨损阶段。图10所示为Ni-WC复合梯度涂层磨损表面扫描电镜照片。可见,由于WC颗粒骨架增强作用,使得复合梯度涂层的磨损主要发生在WC颗粒上。在循环载荷的作用,由于硬质磨粒的压入和随后的运动,使得WC颗粒表面出现了轻微塑性流变迹象,形成了窄而浅的犁沟。而在磨损表面局部区域,WC颗粒因发生脆性断裂而留下了剥落坑。因此,由磨损形貌可以推断,在干滑动摩擦磨损条件下,Ni-WC复合梯度涂层主要磨损机制为磨粒磨损和WC颗粒剥落磨损。复合梯度涂层结合区与热影响区的金相结构的变化1.Ni-WC复合梯度涂层熔覆区主是由γ-Ni、M23C6、M7C3、Ni3B、WC和W2C所构成。涂层组织形貌特征随着由Ni-50%WC、Ni-25%WC、Ni-10%WC和Ni基合金各亚层的渐次过渡而发生明显变化。2.复合梯度涂层结合区与热影响区的冶金结合形态为平直界面型。3.复合梯度涂层