激光熔覆Ni/TiC復合涂層組織與性能

戴晟，左敦穩，方淳，趙先銳，王金芳，朱流

(1.臺州學院 機械工程學院, 浙江 臺州 318000；2.南京航空航天大學 機電學院, 江蘇 南京 210016)

0 引言

模具的表面磨損嚴重影響模具的使用壽命，對模具表面采用電鍍、滲碳、激光表面處理、熱噴涂、離子注入和電子束輻照等表面強化處理以提高模具(特別是型腔面)的硬度、耐磨、抗疲勞等性能，延長模具的壽命[1]。采用激光熔覆技術[2-6]將高性能材料熔覆到模具基體表面，形成具有高硬度、耐磨性好、耐蝕性好的熔覆層，可以延長模具的使用壽命，恢復磨損報廢零件的服役功能，并且具有顯著的綠色制造的特征，在模具表面強化領域具有廣闊的應用前景。目前，激光熔覆涂層的研究主要集中在陶瓷相-金屬基復合涂層，熔覆過程中以未熔陶瓷顆粒和基材為核心迅速冷卻凝固，形成枝晶，在熔覆涂層中彌散分布，起到彌散強化作用，并因其快速凝固特性而得到過飽和固溶體，起到固溶強化作用，增強基材表面的硬度和耐磨性[7]。Cheng等[8]在NAK80模具鋼表面激光熔覆制備了Ni/WC復合涂層，顯著提高模具鋼表面的耐磨性。文獻[2,9]在2738塑料模具鋼表面制備了Ni/WC復合涂層，研究了其顯微組織和摩擦磨損性能。Obadele等[10]研究了TiC添加量對WC-Co-Cr涂層和WC-Ni涂層的影響。Lou等[11]研究了Cr3C2-NiCr涂層的組織與性能。駱芳[12]通過在P20模具鋼激光熔覆非晶納米Al2O3，TiC，WC等陶瓷硬質顆粒的涂層以提高耐磨性。本文采用激光熔覆技術在45鋼樣品表面制備了Ni/TiC復合涂層，研究其成分、組織結構、顯微硬度分布及耐磨性，為進一步優化工藝參數提供前期研究基礎。

1 試驗材料與方法

激光熔覆基體材料選用45鋼，熔覆前試樣表面需要經砂紙打磨、除銹和無水乙醇清除油污。熔覆材料采用Ni基合金+TiC粉末，其中Ni基合金粉末粒度為120～200目，TiC粉末粒度為80～150目。TiC粉末占混合粉末總質量的60%。試驗前，對粉末進行100 ℃烘干2 h，以去除混合粉末表面吸附的水分。

采用Nd:YAG激光加工機進行熔覆試驗，激光熔覆參數：激光器輸出電流110 A、掃描速率110 mm/min、光斑直徑0.8 mm、激光頻率為6 Hz、脈寬6.0 ms。采用大面積多道搭接熔覆方法，搭接率約為50%～60%，每完成一道熔覆，需要停激光，對熔覆區進行重新鋪粉，以保證搭接效果，同時可以使前一道熔覆層基本冷卻以保持激光熔覆快速凝固的特性。試驗前將熔覆粉末預置在45鋼基材表面。

用線切割機切取試樣觀察分析涂層的顯微組織、硬度和摩擦性能。利用日立S-4800型場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣的組織形貌。利用Bruker D8 ADVANCE型 X射線衍射儀分析涂層物相，Cu靶作為X射線源，工作電壓35 kV，加速電壓40 kV，工作電流30 mA，掃描速度為4.0(deg/min)。利用島津HMV-2T型顯微硬度計測定熔覆層試樣橫截面的顯微硬度，在測量過程中避開顆粒、孔洞，載荷為300 g，壓頭保持時間為10 s。

在球盤式摩擦試驗機上進行摩擦磨損試驗，YG8硬質合金球為對偶件。試驗時，將試樣固定在樣品盤上，由電機驅動其轉動，轉動速度為600 r/min，轉動半徑為5 mm，對試樣施加垂直恒定載荷為10 N，試驗是在室溫無潤滑的條件下進行，磨損時間為30 min。試樣磨損失重采用島津高精度(10-5g)分析天平稱量，每個數據均為重復試驗三次的平均值。稱量前將磨損試樣放在超聲波清洗器中用無水乙醇清洗干凈。

采用蔡司Axio CSM700白光共聚焦顯微鏡觀測各磨損試樣形貌，并測量磨痕寬度和深度，利用文獻[2]的方法分別計算磨損試樣的磨損體積和比磨損率，評價Ni/TiC熔覆涂層的耐磨性。磨損體積Vw和比磨損率K分別為：

(1)

(2)

式中：h為磨痕深度(μm)；b為磨痕寬度(mm)；r為磨痕軌道半徑(mm)；P為法向載荷(N)；S為滑動距離(m)。

2 試驗結果與討論

2.1 涂層的顯微結構

圖1為激光熔覆Ni/TiC復合涂層的X射線衍射圖譜。分析衍射強度峰值可知，Ni/TiC復合涂層的主要組成相為TiC，γ-Ni，[Fe,Ni]，FeNi3和Fe3C。

圖1 Ni/TiC復合涂層的XRD圖譜

圖2為Ni/TiC激光熔覆層試SEM組織形貌和EDS分析結果。由圖2(a)可以看出，熔覆層與基體呈現良好的冶金結合，涂層無明顯的氣孔、裂紋等缺陷。在激光作用下，結合區部分基體及熔覆材料熔化，形成冶金結合。該區域溫度最高，溫度梯度幾乎垂直于界面，形成了平行于界面的一層極薄的平面晶，在平面晶的前方，由于冷卻速度過快而形成了超細的等軸晶或短棒狀晶粒。在熔覆區(圖2(b))未見尺寸較大的硬質相顆粒分布。熔覆層微區的EDS分析結果可以看出(圖2(c)和(d))，圖中的微區中均含有Ni、Fe、Ti、Al等合金元素，另外還有少量的Si元素。熔覆層微區的EDS分析結果可以看出圖2(c)和圖2(d)中的微區中均含有Ni，Fe，Ti，Al等合金元素，另外還有少量的Si元素。可見，在熔覆過程中，TiC與Ni很好的熔融。

圖2 激光熔覆Ni/TiC復合涂層橫截面組織形貌(SEM)和EDS分析

2.2 涂層的硬度

激光熔覆Ni/TiC復合涂層試樣橫截面上的顯微硬度分布曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，Ni/TiC復合涂層的顯微硬度沿層深皆呈明顯的階梯狀分布。涂層中最外表面的熔覆層硬度最高，平均顯微硬度值約為800 HV，明顯高于基體硬度，主要是因為碳化物周圍存有彌散析出造成的。冶金結合區硬度急劇下降，這主要是因為熔覆過程中基體的微熔使Fe元素向涂層擴散，導致結合區成分被稀釋，使得單位體積里強化相的數量減少，從一定程度上降低了結合區的硬度，這樣可以使硬度從熔覆層到基體得以較好的過渡，緩沖激光熔覆層受到的沖擊。熱影響區的硬度值為170 HV以上，明顯高于基體硬度值(140～150 HV)，說明靠近結合區的熱影響區已經發生了淬火，存在淬火馬氏體。Ni/TiC復合涂層的高硬度會使得45鋼基體表面耐磨性有較大的改善。

圖3 激光熔覆Ni/TiC復合涂層顯微硬度沿層深方向分布曲線

2.3 耐磨性能

圖4 試樣的磨損失質量

圖4為45鋼基體和TiC/Ni激光熔覆試樣的磨損失質量。由圖可見，45鋼基體的平均磨損失質量為2.7 mg，而TiC/Ni激光熔覆試樣的平均磨損失質量為0.6 mg，磨損失質量為未涂層基材的22.2%。通過式(1)和式(2)分別計算得到45鋼基體和TiC/Ni激光熔覆試樣的磨損體積Vw和比磨損率K，如圖5所示。45鋼基體經激光熔覆TiC/Ni復合涂層后，熔覆試樣的比磨損率相對于基體試樣的比磨損率下降了86.5%。由此可見，經激光熔覆TiC/Ni復合涂層后，45鋼的耐磨性能得到顯著提高。這是因為激光熔覆TiC/Ni復合涂層硬度較高，另外硬質顆粒TiC也在摩擦過程中起到了很好的抗摩擦磨損能力，使熔覆層的磨損失重量和比磨損率遠小于45鋼基體。因此，相比于鋼基體，激光熔覆涂層的耐磨性有了很大提高。

圖5 試樣的比磨損率

3 結論

1) 在45鋼基體表面采用激光熔覆技術制備了TiC/Ni復合涂層，涂層與基材之間均沒有出現氣孔和裂紋等缺陷，具有良好的冶金結合；試樣的硬度顯著提高，其中熔覆層的硬度超過800 HV，有利于保證TiC/Ni熔覆層的耐磨性。

2) 熔覆試樣的比磨損率比基體試樣的比磨損率下降了86.5%，TiC硬質相提高了摩擦副表面的承載能力，使耐磨性得到了顯著提高。

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