Ti對等離子堆焊Ni基Cr 3C2涂層組織與性能的影響

斯松華，姜閃閃，王妍妍

(安徽工業大學材料科學與工程學院，安徽馬鞍山243002)

等離子堆焊技術是一種表面改性技術，具有成本低、操作簡單、效率高等特點［1－3］.隨著表面改性技術的不斷發展，金屬基復合材料因其高硬度及良好的耐磨性能在金屬表面改性中的應用越來越廣泛［4－7］.鎳基合金由于良好的高溫和耐蝕性能，近年來受到較多關注［8］.曾志強等［9］分別在Ni45、Ni55粉末中添加不同含量的WC粉末制備強化層，均對基體產生十分明顯的強化作用.但是WC密度大，脆性高，在熔覆過程中大顆粒未熔WC聚集在堆焊層底部，在磨損過程中易剝落，影響耐磨性.楊再江等［10］系統研究了 Cr3C2、WC增強Ni基焊層微觀結構和耐磨粒磨損性能，結果發現，添加Cr3C2、WC的焊層耐磨性均有明顯提高.Cr3C2作為一種陶瓷材料，具有高熔點、高硬度等特點，是一種良好的耐摩擦磨損材料.侯清宇等［11］采用等離子堆焊技術在低碳鋼表面分別制備了不同含量的Cr3C2/鎳基涂層，研究發現，隨著Cr3C2含量的增加，堆焊層的耐磨性顯著提高，但Cr3C2加入量太高時，堆焊涂層工藝特性變差，同時涂層碳化物大大增多，不均勻性增加，在磨損過程中易開裂剝落，耐磨性反而下降.TiC具有高強度、高硬度，可作為制備高性能復合材料的增強相，但直接加入TiC，基體與增強相的相容性差，不利于改善涂層質量.Ti為強碳化物形成元素，研究表明［12－14］，利用原位合成技術在金屬基陶瓷復合粉末中加入合金元素Ti，通過化合反應或置換反應能夠制備出以TiC顆粒為增強相的復合熔覆層，有利于改善組織提高性能.

本文采用等離子堆焊技術在Q235碳鋼表面制備3種涂層，分別為Ni50合金涂層、Cr3C2/Ni復合涂層和 Ti/Cr3C2/Ni復合涂層，研究添加Cr3C2及在此基礎上添加Ti對Ni50合金涂層組織、硬度以及耐磨性能的影響，期望通過復合添加Cr3C2和Ti可以改善Ni50合金涂層的組織與耐摩擦磨損性能，使堆焊層具有高硬度的同時具有良好的韌性，以防止裂紋的產生.

圖1 Ni50(a，d)、Cr 3C2/Ni(b，e)、Ti/Cr 3C2/Ni(c，f) 涂層的顯微組織Fig.1 Microstructures of the(a，d)Ni50，(b，e)Cr3C2/Ni，and(c，f)Ti/Cr3 C2/Ni coatings

1 材料與方法

試驗選用Q235作為堆焊基板材料，試樣尺寸為100 mm×80 mm×30 mm.堆焊材料選用Ni基自熔性合金粉末，化學成分(質量分數/%)為:0.56C，4.3Si，3.3B，4.2Fe，16.3Cr，其余為 Ni，其粒徑53～120μm，Cr3C2粉末粒徑40～82μm，Ti粉末粒徑50～90μm.采用感重0.1 mg的FA2204B電子天平按設計比例稱量，分別配置Ni基自熔性合金粉末、Cr3C2/Ni復合粉末、Ti/Cr3C2/Ni復合粉末，經研磨后預置在基板材料表面.堆焊前將試樣置于干燥箱中，200℃下干燥2 h待用.

采用PTA－400E型等離子噴焊機在基板上堆焊3 種合金層(Ni50、Cr3C2/Ni、Ti/Cr3C2/Ni)，堆焊層厚度約3 mm，工藝參數如下:工作電流130～140 A，送粉電 壓 25 V，擺動速度1 800 mm/min，擺動寬度23 mm，噴距7 mm.將堆焊后的試樣置于加熱爐中160℃保溫2.5 h并隨爐冷卻.金相試樣沿垂直等離子弧掃描方向切取，經打磨、拋光后采用王水進行腐蝕，利用OLYMPUS-PME3型光學顯微鏡對各堆焊層的顯微組織進行觀察，采用PHILIP-KL30型掃描電鏡結合EDS能譜儀觀察各堆焊層的組織形貌并對堆焊層成分進行分析.

采用HV－1000型顯微硬度計檢測各涂層截面的硬度，試驗加載力為9.8 N，保壓時間10 s.通過MMS－2A環－塊磨損試驗機測定各堆焊層的耐摩擦磨損性能，上試樣尺寸為30 mm×7 mm×6.5 mm，對磨環材料為GCr15，試驗條件如下:加載力300 N，設定轉速250 r/min，磨損時間0.5 h.采用超聲波清洗儀，用丙酮對試樣磨損前后進行清洗后并稱重，采用PHILIP-KL30型掃描電鏡對試樣的磨損形貌進行觀察.

2 結果與分析

2.1 堆焊層的組織

圖1所示為3種堆焊層中部的典型顯微組織.

由圖1可知:Ni50合金涂層顯微組織主要由γ－Ni固溶體基體和共晶組織組成，如圖1(a)和(d)所示;添加40%的Cr3C2后，涂層的顯微組織發生了明顯變化，Cr3C2/Ni復合涂層組織優先析出大量長桿狀、塊狀及顆粒狀的初生相，如圖1(b)和(e)所示;復合添加 Ti及 Cr3C2后，Ti/Cr3C2/Ni復合涂層組織中初生相尺寸明顯減小且分布更均勻，如圖1(c)和(f)所示.

表1為3種涂層掃描組織成分分析結果.由表1可知，A區富含Ni元素并含有少量的C、Si，分析可知［15］，A 區應當為固溶了 C、Cr、Si、Fe 等元素的γ－Ni固溶體基體，B區應當為共晶組織.C、F區 Cr、Fe含量較高，因此應當為富 Cr碳化物;D、E區均以Ni為主，并且含有較高含量的Cr，根據掃描照片可以判斷，D區為γ－Ni枝晶組織，E區為γ－Ni+化合物相的共晶組織.復合添加Ti及Cr3C2后，Ti/Cr3C2/Ni復合涂層組織中優先析出的碳化物尺寸明顯減小且分布更均勻，這是由于TiC的形成溫度高于含Cr碳化物，在冷卻過程中優先析出TiC，這些TiC可以作為碳化物的形核核心，起到細化與均勻化碳化物及枝晶組織的作用.

表1 中各區域的微區成分分析結果(質量分數/%)Table 1 EDS micro-analysis of different regions shown in Fig.1(mass fraction/%)

2.2 堆焊層的硬度及耐磨性

圖2為3種涂層的顯微硬度分布，可以看出，3種涂層的硬度呈明顯階梯狀，在熔合線附近硬度迅速降低，說明等離子堆焊稀釋率低，表面堆焊層性能得以保持［16］.Ni50、Cr3C2/Ni、Ti/Cr3C2/Ni 3種涂層的截面平均硬度分別為 658、839、828 HV.Cr3C2加入后，涂層的顯微組織發生了明顯變化，析出的大量碳化物作為一種增強硬質相顯著提高了涂層的截面硬度.但是，由于熔池中較高含量的未熔Cr3C2降低了對流作用，這些未熔的Cr3C2顆粒可以作為形核核心，生成了大量大塊的碳化物，并松散無序地分布于金屬基體上，導致Cr3C2/Ni復合涂層的硬度上下波動，很不穩定.加入適量的合金元素Ti可以起到彌散強化和細晶強化的作用，使堆焊層組織更致密均勻，降低了硬度起伏.

圖2 各堆焊層的硬度分布Fig.2 Micro-hardness profile of the plasma surfacing layers

圖3 所示為各堆焊涂層的滑動磨損失重，可以看出，相對于Ni基合金涂層，Cr3C2/Ni涂層的磨損失重降低了58.8%，Ti/Cr3C2/Ni復合涂層的磨損失重降低了67.9%，相對耐磨性分別提高了1.4倍和2.1倍，Ti/Cr3C2/Ni復合涂層的磨損失重最少.

圖3 3種涂層的磨損失重Fig.3 Sliding wear loss of all coatings

圖4 為3種涂層在滑動磨損試驗中的磨損形貌，可以看出:Ni50合金涂層的表面磨損形貌中出現較寬而深的犁溝，犁溝周圍有細小的磨屑，以磨粒磨損為主，在滑動磨損試驗中，加載載荷產生的摩擦力對摩擦表面產生剪切、犁皺和切削作用，產生槽狀磨痕;添加質量分數40%的Cr3C2后，Cr3C2/Ni復合涂層的表面磨損形貌中出現大量的層片狀剝落現象，表面犁溝明顯減輕，以疲勞磨損為主，這是由于涂層表面在載荷作用下產生微裂紋，隨后產生剝落并形成凹坑;Ti/Cr3C2/Ni復合涂層磨損表面幾乎沒有犁溝，剝落現象較Cr3C2/Ni涂層明顯得到改善，因此其耐磨性最好.

由于大量高硬度 Cr3C2粒子的加入，Cr3C2/Ni復合涂層組織中有大量大塊的硬質碳化物顆粒，能夠顯著提高涂層的硬度及耐摩擦磨損性能，但這些粗大硬質相脆性大，在摩擦磨損試驗中其本身易斷裂，與基體形成的界面也不穩定，易開裂，在循環應力作用下容易從涂層中剝落下來.加入適量Ti，有利于原位合成TiC，并且能夠促進Cr3C2的熔解，析出的細小硬質相有助于減小應力集中，降低涂層的開裂傾向，改善涂層的耐摩擦磨損性能，同時碳化物尺寸減小與均勻分布使其與枝晶及共晶組織接觸面積增大，結合更加緊密，因此在抵抗對磨環循環應力時不易產生剝落.

圖4 各涂層的磨損形貌Fig.4 Morphology of worn surfaces of coatings

3 結論

1)Ni50合金涂層組織主要由γ－Ni固溶體基體和共晶組織組成;Cr3C2/Ni復合涂層主要由大量長桿狀、塊狀初生碳化物和細小枝晶組織組成;復合添加Ti元素后，Ti/Cr3C2/Ni復合涂層中碳化物尺寸較小且分布均勻，組織明顯細化.

2)與 Ni50合金涂層相比，加入Cr3C2后，Cr3C2/Ni復合涂層硬度提高了26%，表面磨損形貌中出現了層片狀的剝落現象，槽狀犁溝變淺減少，其相對耐磨性提高了1.4倍.

3)復合添加Cr3C2與Ti后，相對于Cr3C2/Ni復合涂層，Ti/Cr3C2/Ni復合涂層硬度變化不大，但硬度起伏較小，分布更均勻.Ti/Cr3C2/Ni涂層滑動磨損表面只有輕微犁溝及剝落，表現出較好的耐磨損性能，與Ni50合金涂層相比，其相對耐磨性提高了2.1倍.