功率對激光熔覆Ni基WC涂層組織與硬度的影響

史強(qiáng) 許寅明 候博玲

摘? ?要：使用YLS-6000-BR用于釬焊的三光點(diǎn)光纖激光器對合金42CrMo表面的Ni基WC涂層進(jìn)行測驗(yàn)，判斷激光功率對于合金42CrMo表面的Ni基WC涂層性能、組織結(jié)構(gòu)影響。伴隨YLS-6000-BR設(shè)備運(yùn)作功率的增加，合金42CrMo表面的Ni基WC涂層組織表現(xiàn)出粗化發(fā)展趨勢，在功率持續(xù)增加的過程中，Ni基WC涂層的顆粒發(fā)生分解，出現(xiàn)Fe-C化合物，Ni基WC涂層的硬度也持續(xù)減小，YLS-6000-BR激光功率調(diào)整至1800W，涂層硬度最大值為1050HV，而伴隨功率增加，其硬度逐漸衰減，表示Ni基WC涂層雖然能夠顯著增加合金材料的物理性能，但是激光對于Ni基WC涂層性能、組織有影響，實(shí)際造成損傷和功率大小有關(guān)。

關(guān)鍵詞：Ni基WC涂層? 激光測試? 物理性能

中圖分類號：TG456.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）03（a）-0101-02

WC涂層以高硬度、高穩(wěn)定性、高耐熱性等優(yōu)勢，得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外常將WC涂層用于CO基合金或者Ni基合金中，以達(dá)到提高材料物理性能的效果。Ni基WC涂層粉末是用WC顆粒包裹制備而成的材料，Ni基和WC顆粒可起到相互保護(hù)、相互促進(jìn)的作用，如此就能夠進(jìn)一步提高WC顆粒的穩(wěn)定性，并保證涂層表面有較高的一致性。激光本身是能量極為集中的物理狀態(tài)，通過激光照射合金基材，能夠促使合金基材熔化，對于各種基材、涂層的物理穩(wěn)定性有著極為突出的影響。但當(dāng)前國內(nèi)還少有通過激光來測試Ni基WC涂層物理性能的權(quán)威文獻(xiàn)，本文立足于該空白，探究功率對激光熔覆Ni基WC涂層組織與硬度的影響。

1? 試驗(yàn)材料以及方法

本次研究所用材料為42CrMo合金材料結(jié)構(gòu)鋼，該結(jié)構(gòu)鋼的成分為“C：0.39-0.44;SI：0.18-3.36;Mn：0.6-0.7;Cr：1.0-1.1;Mo：0.16-0.24;Ni<0.04;Cu<0.04;P<0.036;S<0.036（均為比例）”。42CrMo合金材料結(jié)構(gòu)鋼常用于加工制作變速箱齒輪、增壓器傳動結(jié)構(gòu)、連桿結(jié)構(gòu)等，因此對于其耐磨性的要求較高。試驗(yàn)中所用42CrMo合金材料結(jié)構(gòu)鋼，尺寸為200mm×60mm×8mm，在測試前，去除結(jié)構(gòu)鋼表面存在的灰塵、鐵銹、油污等，用800目砂紙進(jìn)行初步處理，然后用丙酮進(jìn)行清洗，最后讓其放置在無塵室中自然干燥，保證結(jié)構(gòu)鋼的表面滿足激光測試要求。結(jié)構(gòu)鋼表面熔覆粉末為Ni基WC粉末，顆粒直徑在100目左右，粉末成分為“NI：0.59;Cr0.12;B：0.04;Si：0.03;Co：0.05;WC：0.05（均為比例）”。

試驗(yàn)采用YLS-6000-BR用于釬焊的三光點(diǎn)光纖激光器，在確保基材性狀良好涂層和基層適應(yīng)良好的情況下，開始測驗(yàn)。YLS-6000-BR激光功率測試為1800W、2400W、3000W、3200W，試驗(yàn)樣品用硝基鹽酸腐蝕10s然后利用金相顯微鏡檢查樣品表面的微觀結(jié)構(gòu)，并用X射線對其進(jìn)行物理性狀分析，硬度測試主要采用HV-1000A硬度計檢查，檢查取多個點(diǎn)，最終結(jié)果為多點(diǎn)檢查平均值。磨損檢查主要采用“Disc pin type friction and wear tester”，設(shè)備轉(zhuǎn)速為每分鐘840轉(zhuǎn)，載荷設(shè)置為430g，摩擦半徑為2mm，摩擦?xí)r間為30min，測量采用FA2004電子天平。

2? 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 微觀組織

1800W、2400W、3000W、3200W條件下，樣品微觀組織發(fā)生明顯變化，在1800W條件下，樣品表面微觀組織為“細(xì)小樹枝晶”，樹枝的發(fā)展方向不連續(xù)、無規(guī)律;在2400W條件下，樣品表面微觀組織為“胞狀樹枝晶”;在3000W條件下，樣品表面的二次晶越發(fā)粗化;在3200W條件下，樣品表面結(jié)晶急速粗化，且有著明顯的粗大結(jié)晶，均垂直在界面方向。由此可見，伴隨激光功率的增加，Ni基WC涂層熔池獲得的能量也就越多，且存在晶核合一、數(shù)目急速減少的情況。

2.2 Ni基WC涂層成分

Ni基WC涂層伴隨激光功率的增加，WC顆粒逐步開始分解，而在功率達(dá)到3200W時，熔池內(nèi)的能量更加充沛，促進(jìn)了Fe和Ni的擴(kuò)散，形成大量Ni3Fe。

2.3 硬度

在不同1800W、2400W、3000W、3200W條件下，熔覆層強(qiáng)化顆粒導(dǎo)致熔覆層的硬度大于基材的硬度，在1800W條件下，顯微鏡測試其硬度最大可達(dá)1050HV，伴隨著硬度進(jìn)一步增加，硬度逐漸衰弱。該現(xiàn)象和表面微觀結(jié)構(gòu)粗化有直接關(guān)系，在激光功率增加到一定程度時，WC顆粒出現(xiàn)激素分解的情況，以致于Ni基WC涂層的WC顆粒含量減少（主要和Fe發(fā)生反應(yīng)形成其他元素），Ni基WC涂層原有結(jié)構(gòu)被破壞。

2.4 磨損性能

在磨損性能測試的過程中，涂層的平均摩擦因數(shù)為0.596，在WC顆粒的強(qiáng)化作用下，在Ni基WC涂層的影響下，減小了熔覆層表面摩擦力，以致于摩擦力矩減小，摩擦性能因此提高。

3? 討論

激光對于Ni基WC涂層物理性能、組織均有著較為突出的影響，選擇合理的激光功率，能夠獲得不同條件下Ni基WC涂層的物理性狀變化結(jié)果，在本次研究中，伴隨激光功率上升，Ni基WC涂層的硬度等參數(shù)也發(fā)生了較大變化。Ni基WC涂層的使用的確能夠大幅度提高基材的表面硬度性能、抗摩擦性能，在1800W激光功率影響下，Ni基WC涂層仍舊能夠保持良好硬度，高功率的激光才能夠促使Ni基WC涂層中WC顆粒和Fe發(fā)生反應(yīng)，以致于原有結(jié)構(gòu)被破壞。從Ni基WC涂層受激光影響的粗化反應(yīng)看，激光導(dǎo)致Ni基WC涂層粗化，會直接致使涂層在摩擦條件下受到的磨損加劇，以致于其抗摩擦性能下降，但是也可考慮：在磨損條件下，同時受激光影響，粗化表面或會導(dǎo)致涂層磨損脫落量增加，所以激光功率對于基材的抗磨損性能影響并不顯著。

4? 結(jié)語

綜上所述，Ni基WC涂層是性能較為良好的涂層，能夠適應(yīng)多種環(huán)境下的工作需求，在激光測試條件下仍舊表現(xiàn)出良好性能，盡管Ni基WC涂層在高功率激光影響下，抗磨損性能、硬度性能逐步下降，但是Ni基WC涂層實(shí)際受到激光影響的機(jī)理還有待商榷，望廣大研究人員能夠從磨損、粗化相互作用的角度對Ni基WC涂層性能進(jìn)一步進(jìn)行研究，以為Ni基WC涂層在我國工業(yè)生產(chǎn)、制造中的應(yīng)用提供可靠的參考借鑒。

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