激光熔覆原位生成硬質相對耐磨性的影響

宗琳 菅渡平

摘要：本實驗采用激光熔覆技術對堆焊層進行處理，生成含有TiC-VC的復合硬質相的堆焊層，使基體材料表面硬度提高，耐磨性增強。本實驗通過改變釩鐵的含量，通過硬度摩擦試驗觀察分析隨著釩鐵含量的增加，TiC-VC復合硬質相的數量增加且分布均勻，堆焊層的硬度逐漸增加，耐磨性增強。當釩鐵含量達到32.6%時，其硬度值為54.6HRC，磨損量為0.4367g，堆焊層硬度達到最大值，耐磨性最好。

關鍵詞：激光熔覆；復合硬質相；硬度；耐磨性

前言

激光熔覆技術具有對于金屬陶瓷涂層的制備具有很好的發展前景，已引起國內外眾多科研學者的關注。激光熔覆技術存在很多優點，如凝固快速、低稀釋率、涂層于基體呈冶金結合等。在涂層制備方面顯示出良好的應用前景[1]。陶瓷顆粒增強金屬基復合材料既具有陶瓷相的高強度、高硬度和普通金屬基良好的韌性，在耐磨涂層中性能優良[2]。截止目前，增強相的加入方法無外有兩種，原位自生法和外加顆粒法。外加顆粒法雖然工藝簡便，易于生成陶瓷相，但易燒損，也容易帶進其他雜質使母材與熔覆層結合減弱，同時生成的顆粒尺寸和分布狀態也難以控制[3]。原位自生法是新興的制備金屬基復合材料的方法，原位合成技術不僅在技術方面有很大優勢，如金屬陶瓷涂層由于通過原位反應生成陶瓷相，顆粒彌散分布增強，無界面污染且同母材結合良好，因此涂層具有良好的硬度即具有了優良的耐磨性，同時在經濟上也具有顯著優勢[4]。

多年以來，制備TiC都是由石墨與鈦粉直接反應生成，考慮到Ti粉經濟成本較高并且其化學性質活潑，易于被空氣氧化在熔覆過程中。同理，V也是強碳化合物元素，且與C的反應產物VC性質相近。對鋼基體具有更小的接觸角。在實際應用中，加入鈦鐵和釩鐵，反應產物和基體相似，能促進熔覆層熔覆在基體表面。

1.試驗的材料及方法

本試驗采用20G作為母材，在其表面制備堆焊層，其尺寸為120mm×100mm×12mm，合金粉末是由鈦鐵30、釩鐵50，石墨（純度99.5%）及鐵粉按照一定質量分數混合而成，表1為各成分量。熔覆前采用水玻璃作粘結劑預置在試板表面，厚度為3mm，試板晾干后經10min/50℃、10min/100℃、1h/200℃烘干。激光器為5KW橫流CO2激光器，熔覆用功率為1800KW，掃描速度100mm/min.焦距為330mm，為防止涂層熔覆過程氧化，采用氬氣作保護氣，氬氣流量為25L/min.

2.試驗結果與分析

由表可以看出，隨著釩含量的增加，試件的硬度也在增大，而硬度越大則耐磨性能越好。其原因是在激光熔覆的條件下其熔覆層中的釩鐵和鈦鐵，激光產生高溫將其融化，從而產生液相的釩鐵、鈦鐵，繼而Ti和V以離子的方式游離于液相鐵中，Ti和V都屬于強碳化物形成元素，而石墨提供C原子，在熔池中隨即生成（Ti，V）C，由于鈦、釩在于C反應時其摩爾質量比相同，所以在熔池凝固過程中很容易依附成長，從而形成TiC和VC的互溶體碳化物結構，因此我們分析堆焊層中的硬質相是（Ti，V）C復合顆粒。在堆焊層中隨著釩鐵含量的增加，硬質相（Ti，V）C的數量也越來越多，由一號件基體組織的晶粒數量較少、分布不均勻、晶粒較細小，到二號件晶粒數目增加也變的比較均勻，三號件的晶粒數目變的更多，硬度也逐漸增大，四號件的晶粒大小適中且分布均勻，因此硬度最大。四號件的釩鐵含量為32.6%，其硬度值為54.6HRC，為本次實驗的最大硬度值。

3.結論

3.1利用激光堆焊技術，將鈦鐵、釩鐵、鐵粉和石墨按一定比例配制的試件進行表面改性處理，制備出（Ti，V）C復合硬質相，使鐵基合金多元強化。

3.2隨著釩含量的增加，堆焊層中的硬質相（Ti，V）C也逐漸增加，硬度升高。

參考文獻：

[1]高陽，潘峰，佟百運等.銅基材上熱障涂層的激光熔覆[J].中國有色金屬學報，2003，13（2）：315-318.

[2]田永生，陳傳忠，王德云等.激光熔覆生成碳硅鈦化合物及其組織性能研究[J].中國激光，2004，31（7）：880-882.

[3]杜寶帥，李清明，王新洪等.激光熔覆原位自生TiC-VC顆粒增強Fe基金屬陶瓷涂層[J].焊接學報，2007，28（4）：66-68.

[4]閆洪，胡勇.原位自生復合材料制備與流變成形[M].北京：機械工業出版社，2013.