niwc復(fù)合梯度涂層激光重熔組織演變的研究

niwc復(fù)合梯度涂層激光重熔組織演變的研究

激光金屬陶瓷復(fù)合涂層是激光表面強化技術(shù)中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，取得了許多顯著成就。但由于受激光熔池大的溫度梯度的影響,以及陶瓷與金屬基體之間的物化性能的不匹配,很容易使復(fù)合涂層出現(xiàn)裂紋與孔洞。而采用多元化合成技術(shù)制備復(fù)合梯度涂層,不僅可大大緩解涂層內(nèi)的應(yīng)力,避免裂紋的產(chǎn)生,而且有利于陶瓷顆粒的合理分布。本文利用現(xiàn)代微觀分析技術(shù)、顯微硬度計及磨損實驗機對寬帶激光熔覆Ni-WC復(fù)合梯度涂層組織、硬度及磨損特性進行了較為詳細地研究。涂層的熔覆和顯微硬度選擇調(diào)質(zhì)40Cr鋼作為基體材料,樣品尺寸為60mm×30mm×10mm。選擇Ni60B合金為復(fù)合涂層的粘結(jié)合金,將其分別與10、25及30vo1.%的WC粉末相混合,制備出三種的復(fù)合熔覆粉末。實驗用熔覆粉末具體化學(xué)組成及粒度如表1所示。采用自重送粉法,在配有寬帶掃描轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)的5kW數(shù)控CO2激光加工系統(tǒng)上進行寬帶激光熔覆。激光熔覆時,按照Ni60B、Ni-10vo1.%WC、Ni-25vo1.%WC和Ni-50vo1.%WC的順序進行重疊熔覆。激光熔覆主要工藝參數(shù)為:功率2.2kW,掃描速度2mm/sec,送粉率3～8g/min,光斑尺寸20mm×2mm。熔覆后獲得了寬為21mm,厚為4.5mm的復(fù)合梯度涂層。采用掃描電鏡和X射線衍射儀對復(fù)合梯度涂層組織進行分析。利用顯微硬度計測試顯微硬度。選用MM200磨損實驗機進行干滑動磨損試驗,磨損條件為:對磨偶件為GCr15(硬度為HRC58),載荷98N,磨輪轉(zhuǎn)速200rpm,磨損時間30min。結(jié)果與分析1.涂層表面微區(qū)組織結(jié)構(gòu)圖1所示為Ni-WC復(fù)合梯度涂層熔覆區(qū)的X射線衍射分析圖譜?？梢?復(fù)合梯度涂層熔覆區(qū)主要是由γ-Ni、M23C6、M7C3、Ni2B、WC及W2C所組成。圖2所示為Ni-WC復(fù)合梯度涂層組織形貌特征。在激光熔覆過程中,由于受陶瓷顆粒運動、合金熔體流動特性及顆粒與液固界面間相互作用等因素的綜合影響,使得WC顆粒發(fā)生沉積,在各亞層的底部形成了WC顆粒積聚區(qū)。隨著亞層中WC含量的增加,WC顆粒積聚區(qū)的擴大,顆粒的分布也愈趨均勻。同時,涂層熔覆區(qū)組織形貌也隨著亞層中WC含量的增加而發(fā)生改變。在掃描電鏡下作進一步放大觀察可以發(fā)現(xiàn),位于涂層表面的Ni-50%WC亞層非WC聚集區(qū)的顯微組織主要是由條塊狀M23C6型化合物、梅花狀M7C3型化合物、黑色Ni2B硼化物、樹枝晶γ-Ni固溶體和分布其間的共晶組織所構(gòu)成(圖3)。圖4所示為Ni-50%WC亞層內(nèi)WC顆粒積聚區(qū)的組織形貌?？梢?該微區(qū)主要是由大塊狀WC顆粒、樹枝晶γ-Ni固溶體,以及細小塊狀M7C3型化合物所組成。在高溫下,由于WC顆粒與合金界面間發(fā)生互擴散和化學(xué)反應(yīng),結(jié)果導(dǎo)致顆粒邊緣形成了向外輻射生長的晶須狀組織。圖5所示為Ni-50%WC與Ni-25%WC兩亞層交界處的組織形貌?？梢?由于在疊層熔覆過程中該微區(qū)受到二次熔凝作用,使得該微區(qū)樹枝晶組織明顯粗化,且WC顆粒因發(fā)生破碎熔解,導(dǎo)致顆粒邊緣變的凹凸不平。而Ni-25%WC亞層WC顆粒積聚區(qū)組織變化不大,與Ni-50%WC亞層WC顆粒積聚區(qū)組織基本相似(圖略)。圖6為Ni-25%WC和Ni-10%WC兩亞層交界處的組織形貌?？梢?該微區(qū)內(nèi)除了大塊狀WC顆粒外,主要是由細小的顆粒狀白色M7C3型化合物和灰色γ-Ni相所組成。在涂層邊緣區(qū)域,由于Ni基合金熔體具有良好的流動性能,因而在Ni基合金涂層表面疊層熔覆Ni-10%WC涂層時,兩種涂層熔體發(fā)生了激烈的攪拌混合,結(jié)果在表面張力和顆粒與粘接金屬密度差所引起浮力的綜合作用下,WC顆粒發(fā)生沉降,最終積聚在涂層的底部。同時,因兩種涂層成分的劇烈混合及基體金屬的稀釋作用,粘接金屬的組織形貌也發(fā)生了明顯改變,出現(xiàn)了大量的三角狀共晶組織。而在涂層熔覆區(qū)與熱影響區(qū)之間則存在一條白亮帶,它是以平面晶的生長形態(tài)沿?zé)崃鞣较蛏L出來的,并與熱影響區(qū)之間保持著平直界面(圖7)。白亮層的形成表明涂層與基體實現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合。2.涂層亞表面區(qū)圖8所示為Ni-WC復(fù)合梯度涂層顯微硬度沿層深分布曲線?？梢?復(fù)合梯度涂層顯微硬度沿層深分布曲線上明顯地出現(xiàn)了三臺階,分別對應(yīng)熔覆區(qū)、熱影響區(qū)和基體。在涂層亞表面區(qū),因WC顆粒在高溫下發(fā)生溶解而導(dǎo)致周圍合金成分發(fā)生較大變化,在隨后的快速凝固過程中析出了多種增強化合物相,因而在距表面0.2～0.3mm的范圍內(nèi)涂層具有較高硬度。而在涂層最表層因受激光作用時間較長,合金元素發(fā)生了較大程度的燒損,從而降低了涂層最表層的硬度。此外,在個亞涂層進行疊層熔覆過程中,因受二次重熔作用,顯微組織明顯粗化,因此,在各亞層的交界處顯微硬度也隨之降低,致使涂層熔覆區(qū)硬度沿層深分布出現(xiàn)了幾個低谷。3.復(fù)合梯度涂層磨損機理圖9所示為Ni-WC復(fù)合梯度涂層在PN=98N,VR=200rpm條件下磨損體積與滑動距離之間的關(guān)系曲線。為作比較,Ni基合金涂層磨損特性曲線也列入圖中。由圖可見,在最初滑動的126m距離內(nèi),Ni基合金涂層的磨損體積與Ni-WC復(fù)合梯度涂層的相差不大,但隨著滑動距離的增加,Ni基合金涂層的磨損體積急劇增加,而Ni-WC復(fù)合梯度涂層因WC顆粒硬質(zhì)強化作用及大量強化析出相的增強作用,在滑動了377m后仍處于輕微的磨損階段。圖10所示為Ni-WC復(fù)合梯度涂層磨損表面掃描電鏡照片?？梢?由于WC顆粒骨架增強作用,使得復(fù)合梯度涂層的磨損主要發(fā)生在WC顆粒上。在循環(huán)載荷的作用,由于硬質(zhì)磨粒的壓入和隨后的運動,使得WC顆粒表面出現(xiàn)了輕微塑性流變跡象,形成了窄而淺的犁溝。而在磨損表面局部區(qū)域,WC顆粒因發(fā)生脆性斷裂而留下了剝落坑。因此,由磨損形貌可以推斷,在干滑動摩擦磨損條件下,Ni-WC復(fù)合梯度涂層主要磨損機制為磨粒磨損和WC顆粒剝落磨損。復(fù)合梯度涂層結(jié)合區(qū)與熱影響區(qū)的金相結(jié)構(gòu)的變化1.Ni-WC復(fù)合梯度涂層熔覆區(qū)主是由γ-Ni、M23C6、M7C3、Ni3B、WC和W2C所構(gòu)成。涂層組織形貌特征隨著由Ni-50%WC、Ni-25%WC、Ni-10%WC和Ni基合金各亞層的漸次過渡而發(fā)生明顯變化。2.復(fù)合梯度涂層結(jié)合區(qū)與熱影響區(qū)的冶金結(jié)合形態(tài)為平直界面型。3.復(fù)合梯度涂層