激光熔覆Ni基WC金屬陶瓷涂層組織與高溫磨損性能_百度文庫講解

1、激光熔覆Ni基WC金屬陶瓷涂層組織與高溫磨損性能 汪新衡，匡建新，黃開有，陳豐峰（湖南工學(xué)院機(jī)械工程系，湖南衡陽 421002摘要：在21-4-N耐熱鋼表面進(jìn)行添加 WC顆粒的鎳基自熔粉末激光熔覆處理，得 到了 Ni基WC合金涂層。對熔覆層進(jìn)行了顯微組織觀察和分析以及不同溫度下的 高溫干摩擦磨損試驗。結(jié)果表明， Ni21+20%WC+0.5%CeO2熔覆層組織細(xì)小，高 溫干摩擦磨損性能最好。關(guān)鍵詞：激光熔覆；鎳基金屬陶瓷涂層；高溫干摩擦磨損Microstructure and Abrasive-wear Behavior Under High Temperature of Laser Clad

2、 Ni-based WC Ceramic CoatingWANG Xin-heng ,KUANG Jian-xin , HUANG Kai-you ，CHEN Feng-feng(Dept.of Mecha ni cal Engineenin g,H unan in stitute of Tech no logy. Hen gya ng Hu nan 421002,Chi naAbstract:The laser claddi ng which self-fused Ni-based ceramic powder of WC composite is used on the surface o

3、f 21-4-N heat-resisti ng steel, Ni-based WC coati ng can be formed. Observ ing and analying the microstructure of cross secti on, Check ing the abrsrssive-wear under high temperature of cross section in different temperature. The results showed that the microstructure of Ni21+20%Wc+0.5%CeO2 claddi n

4、g layer is small a nd it prese nts the best abrasive-wear behavior un der high temperature in these inv estigated coat in gs.Keywords:laser claddi ng ; Ni-based Metal-ceramics layers; abrasive-wear un der high temperature激光熔覆技術(shù)具有涂層與基體結(jié)合牢固、涂層稀釋率低、工件變形小等特點。它可 以在普通金屬材料上獲得高性能的表面合金層，賦予其特異的性能。陶瓷材料具有 高的硬度和

5、優(yōu)良的耐磨、耐蝕、耐熱和抗高溫氧化性能，但其脆性較大，難以加 工，故其應(yīng)用受到很大的限制。而用高能量密度的激光熔覆高硬度、高耐磨性的金 屬一陶瓷涂層則為陶瓷材料的應(yīng)用開辟了一條新的途徑 1、2。在激光熔覆表面合 金化研究中，人們對熔覆合金層的單一性能一耐磨、耐蝕等性能進(jìn)行了大量的研究 工作3、4。但對于激光熔覆合金層的高溫性能及其相應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)方面的研究卻 少有報道。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在航空航天、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域利用的材料越來越 多，其工作條件及服役條件愈加苛刻，很多機(jī)械零件如汽車發(fā)動機(jī)排氣門長期在高 溫、腐蝕氣氛中工作，其密封面常因腐蝕磨損造成密封不良。為了尋求這一問題的 解決，本文研究了激

6、光熔覆鎳基金屬陶瓷涂層組織及其高溫干摩擦磨損性能。1試驗材料及方法 針對汽車排氣門，選用耐熱鋼21-4-N為基底材料。熔覆材料選用自熔合金粉末， 化學(xué)成分見表1。在自熔合金粉末中添加20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同的 WC顆粒，另外 再加入0.5%CeO2粉末。預(yù)處理為正火。表1基材和熔覆合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%Table 1 Composition of based material and claded alloy （wt%材料CBSiMnCrFeNNi21-4-N0.45 7.50v 0.2581020 22余量0.35 0.503.5 4.5Ni600.84.54.016.013.0余量Ni

7、210.65 -0.752.0 3.03.5 4.025 26.5v 5.0余量Ni250.121.53.58.0余量將基底材料加工成內(nèi)徑 50mm,外徑70mm,高10mm的圓環(huán)，然后噴砂、清 洗，將配好的熔覆合金粉末用適量酒精和有機(jī)粘結(jié)劑調(diào)成糊狀并均勻涂敷在基底表 面，涂層厚度為1.01.2mm,真空中烘干、固化，激光熔覆設(shè)備選用5KW HJ-4型橫流CO2激光器，單道掃描，用氮氣保護(hù)熔池，光斑直徑34mm,激光功率2.02.2kW，掃描速度4.55.0mm/s；高溫干摩擦磨損試驗在 MG-200型高速高溫磨 損試驗機(jī)上進(jìn)行。采用環(huán) 一環(huán)對磨，下環(huán)材質(zhì)為耐熱鑄鐵，上環(huán)工作面為不同成分 的激

8、光熔覆層。為避免高溫磨損過程中上下試樣粘著造成機(jī)器卡死現(xiàn)象，試驗中采 用到溫后先空轉(zhuǎn)1500轉(zhuǎn)左右。再加載對磨5000轉(zhuǎn)左右，由自動記錄儀記下摩擦力 矩一時間曲線。具體試驗條件如下：試驗溫度為50C, 250C, 450C, 650E ；載荷砝碼30kg;轉(zhuǎn)速1500r/min ;空轉(zhuǎn)1min ;加載時間33.5min,試樣失重 w（g=w0（始重，mg-w（磨損后重，mg。2試驗結(jié)果及分析2. 1激光熔覆層顯微組織觀察圖1為幾種不同成分的激光熔覆層在光學(xué)顯微鏡下的組織形貌。從圖中可以看出， 盡管熔覆成分不同，但熔覆層結(jié)構(gòu)大致相似，均分為3個區(qū)域。由表及里依次為熔化區(qū)、結(jié)合區(qū)和熱影響區(qū)。基體熱

9、影響區(qū)主要由相變板條馬氏體組成。緊靠基體， 厚度大約只有幾個微米的是結(jié)合區(qū)，呈平面晶狀態(tài)，冷卻時以柱狀晶形式有熱影響 區(qū)外延生長，晶間為細(xì)小的共晶組織，平面晶的存在表明了熔覆層與基體之間形成 了良好的冶金結(jié)合5。其中，基體區(qū)與熱影響區(qū)的界線不清晰，說明在整個激光熔覆處理過程中自涂層以下受熱影響較大且均勻，這對涂層材料性能的均勻化有 利。當(dāng)CeO2添加到熔覆層中后，陶瓷相碳化鎢顆粒的數(shù)量和形狀都要發(fā)生變化， CeO2的加入促使熔覆層中碳化鎢顆粒的數(shù)量減少，棱角鈍化，形狀趨于光滑。另 外，又能譜分析可推測出，不含 CeO2的激光熔覆金屬陶瓷復(fù)合層中的針狀組織與 添加CeO2的激光熔覆金屬陶瓷復(fù)合層

10、中的針狀組織，是兩種不同的金屬間化合物 。從組織形貌比較來看，Ni25+2O%WC+O.5%CeO2熔覆層組織較粗大，枝晶明顯； Ni21+2O%WC+O.5%CeO2熔覆層組織細(xì)小，枝晶不明顯；而Ni6O+2O%WC+O.5%CeO2 熔覆層介于二者之間。這是由于 Ni25合金含碳量很低且不含鉻，因而在凝固過程中 形成的高熔點第二相質(zhì)點少，作為非自發(fā)形核的核心就少，阻止晶粒長大作用就 弱，所以形成了較粗大、明顯的枝晶組織；而Ni60合金熔點較低，相應(yīng)的凝固時間較長，同時含鉻量 也比Ni21少，它在凝固過程中形成的高熔點化合物數(shù)量相對也少，因此形成的枝 晶要比Ni21+2O%WC+O.5%Ce

11、O2熔覆層稍微粗大些7(a) (b (c圖1幾種成分熔覆層的組織形貌x 3OO (aNi21+2O%WC+O.5%CeO2 (bNi25+2O%WC+O.5%CeO 2 (cNi6O+2O%WC+O.5%CeO2Fig.1 Microstructures of clad layer with various compositions 3OOx2. 2高溫干摩擦磨損性能圖2為不同成分熔覆層在相同試驗條件下的高溫干摩擦磨損性能對比直方圖。由圖可看出，Ni21+2O%WC+O.5%CeO2熔覆層的磨損量最小，耐磨性最好，而Ni60+20%WC+0.5%Ce02熔覆層耐磨性最差。這和熔覆層硬度高低、組

12、織致密均 勻程度、熔點高低有著密切的關(guān)系。加入適量的CeO2，能加速碳化鎢顆粒的溶解和使碳化鎢顆粒的形狀變化，成為較 光滑的表面形狀，使局部應(yīng)力得以緩解。另外，CeO2的加入，促使涂層高溫氧化后獲得更為平整、致密的氧化層，它們在陶瓷相上的附著存在大大增強(qiáng)了氧化層的 穩(wěn)定性。這些，都會減少激光熔覆層在氧化和摩擦過程中的脫落。12Clec圖2 利破論懈歎尼礎(chǔ)湖站冊it對比F 2- lill - nf llii* liih 1UFh*ifn i-tHrbwl lii* 斟! | h h 血i iKkri*! T 1. 5 m iM * l）LIM -0,f Cfi 工U （ + I r J. IVi

13、2l O4 M21 ft i 5r i2l 電官（；* krNi60+20%WC+0.5%Ce02熔覆層熔點較低，在高溫磨損情況下，易出現(xiàn)較嚴(yán)重的 粘著磨損甚至熱磨損現(xiàn)象，導(dǎo)致耐磨性較差。Ni25+20%WC+0.5%CeO2熔覆層由于含碳量低，其硬度比Ni60+20%WC+0.5%Ce02熔覆層的低，但基體塑韌性相對 較好，所以在摩擦磨損過程中易發(fā)生塑性變形，增大摩擦副的接觸面積，使接觸應(yīng) 力有所降低8，加之Ni25合金熔點較高，產(chǎn)生粘著磨損傾向相對較小，因而磨損 量小些。Ni21+20%WC+0.5%CeO2熔覆層組織致密細(xì)小，析出相硬質(zhì)點較多，硬 度高且隨溫度升高下降平緩，所以高溫耐磨性

14、最好。2. 3摩擦磨損形貌和磨損機(jī)理分析圖3是Ni21+20%WC+0.5%CeO2熔覆層經(jīng)不同溫度摩擦磨損后的表面形貌。從圖 中可看出：Ni21+20%WC+0.5%CeO2熔覆層在低溫（50C時細(xì)磨痕比較清晰，只有 少量的熔化粘著物（圖3a；當(dāng)溫度逐漸升高時，磨痕變得越來越模糊不清，熔化粘 著物越來越多（圖3b;且出現(xiàn)隆起棱邊被壓平的犁溝（圖3c；到650E高溫時，由于 粘著物的增多和犁溝棱邊的反復(fù)形成又被壓平，磨面比較平坦，只有細(xì)微的刮擦痕 跡（圖3d。出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因在于激光熔覆層的磨損機(jī)理隨溫度改變而發(fā)生了變 化：低溫時以磨粒磨損為主，隨著溫度升高逐漸轉(zhuǎn)向以粘著磨損和氧化磨損為主

15、9、10。(a) (b (c (d圖3 Ni21+20%WC+0.5%CeO2熔覆層不同溫度下摩擦磨損形貌X 500 (a 50C (b 250 C (c 450C (d 650 CFig. 3 Wear pattern of Ni21+20%WC+0.5%CeO2 clad layer under various temperature X5003結(jié)論(1幾種不同成分的激光熔覆金屬陶瓷涂涂層在光學(xué)顯微鏡下的組織形貌相似，Ni21+20%WC+0.5%CeO2熔覆層組織更為細(xì)小。(2高溫干摩擦試驗表明，不同成分激光熔覆金屬陶瓷涂層的高溫耐磨性能以Ni21+20%WC+0.5%CeO2 為最好。

16、(3對激光熔覆金屬陶瓷涂層的磨損機(jī)理初步判定低溫時以磨粒磨損為主，溫度升 高逐漸轉(zhuǎn)向以粘著磨損和氧化磨損為主。參考文獻(xiàn)：1 Jasim K M. Rawli ng R D. West D R. Pulsed Laser Seali ng of Plasma-sprayed Layers of 8wt percent Y ttri-a Stabilized zirconia J. J Mater Sci. 1992,27:3903-3607.2 張光鈞，李軍，李文戈.激光表面改性的發(fā)展趨勢J.金屬熱處理，2006,36(11:1-73 劉秀波，王華明.TiAl合金激光熔覆復(fù)合材料涂層耐磨性研究J.材料熱處理學(xué)報,2006,27(1:87-92.4 .趙高敏，王昆林，李傳剛.稀土對Fe基合金激光熔覆層抗磨性能的影響J摩擦學(xué)學(xué)報2004,24(4:318-341. 張大偉，張新平.激光熔覆Ni-Cr3C2涂層的微觀組織及磨損性能J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2005,36(6:110-113 趙濤,蔡昇，王順興等.CeO2對鎳基金屬陶瓷復(fù)合層組織和耐腐蝕性能的影響J.金屬熱處理,2001,(2:1-3.7 李春華，徐愷悌，王順興