激光熔覆制備Ni60?WC?Co復合涂層工藝與性能研究

郭紅麗，李勇

激光熔覆制備Ni60?WC?Co復合涂層工藝與性能研究

郭紅麗1，李勇2

（1.山西工程科技職業大學 智能制造學院，太原 030031；2.浙江凱盈新材料有限公司，浙江 海寧 314400）

提高機械設備用06Cr19Ni10鋼的性能，采用激光熔覆制備Ni60?WC?Co復合涂層。利用X射線衍射（XRD）、掃描電鏡（SEM）、顯微維氏硬度計和摩擦磨損試驗儀，研究了不同激光功率對復合涂層的微觀形貌、硬度和耐磨性的影響。隨著激光功率增大，復合涂層與基體之間緊密結合，致密均勻，球形WC顆粒均勻分布于復合涂層中，硬度、磨損量均先增大后減小；當激光功率過大時，復合涂層中WC顆粒增多，且部分WC顆粒發生熱分解，生成的氣體產生氣孔。復合涂層物相主要由WC、W2C、γ?Ni、FeNi3、FeCr0.29Ni0.16C0.06、CoC、Co3B2等相組成，復合涂層由頂部的樹枝晶、中部的等軸晶和底部的柱狀晶組成；當激光功率為1.5 kW時，硬度最高，磨損量最小，耐磨性最佳，磨損表面無明顯磨損溝槽，主要呈磨粒磨損。最優激光功率為1.5 kW，在此工藝下制備的Ni60?WC?Co復合涂層，可以提高機械設備用06Cr19Ni10鋼的硬度和耐磨性。

激光熔覆；機械設備；復合涂層；硬度；耐磨性

磨損是機械設備零件最常見的失效形式之一[1-4]，每年機械設備由于磨損失效而產生高額的經濟損失和嚴重的安全事故，通過表面強化技術[5-6]在機械設備用材料表面制備一層涂層，對材料表面進行保護，可有效提升材料表面的耐磨性，延長機械設備零件的壽命。許多研究人員常使用表面強化技術如噴丸[7]、超音速噴涂[8]、激光熔覆[9-10]等來制備耐磨涂層。其中，超音速噴涂制備的涂層與基體之間的結合界面不夠牢固，而激光熔覆制備的涂層與基體之間能形成良好的冶金結合，具有能耗低、高效和相對密度高等特點，被認為是具有廣闊前景的表面強化技術，可用來強化耐磨件表面、修復磨損件和制備3D零件[11]等。Fu等[12]研究了激光熔覆Fe基合金粉末對輪軌材料微觀組織和耐磨性的影響，結果顯示，激光熔覆可以明顯提升輪軌材料的硬度和耐磨性，當熔覆粉末中添加適量La2O3時，對輪軌材料表面的硬度無明顯影響，但對材料表面的耐磨性有極大改善。Yang等[13-15]利用激光熔覆技術，在0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼上制備高溫自潤滑NiCr/Cr3C2?WS2涂層，通過涂層的相組成、微觀組織和摩擦磨損實驗分析得出，涂層主要由Cr7C3和（Cr、W）C碳化物組成，以潤滑WS2和CrS硫化物為次要相，涂層的摩擦因數隨著溫度的升高而降低，磨損率隨著溫度的升高而增大，NiCr/Cr3C2– WS2涂層在室溫至300 ℃時具有良好的抗磨和減摩擦能力。目前，大部分研究[14]制備的涂層厚度只有20～50 μm，且微納米級增強顆粒容易產生團聚。這里利用激光熔覆技術，在06Cr19Ni10不銹鋼表面制備一層WC顆粒分布均勻、厚度較厚的Ni60?WC?Co復合涂層，保證了較少的缺陷產生。同時，研究了不同激光功率對Ni60?WC復合涂層耐磨性能的影響，優化了制備Ni60?WC復合涂層的工藝，提高了熔覆效率，為機械設備零件的表面強化和修復，延長機械設備的使用壽命提供參考。

1 實驗

1.1 實驗材料與工藝

為制備單層多道熔覆層，實驗選用的基體是機械設備零件常用的06Cr19Ni10鋼塊，尺寸100 mm×50 mm× 10 mm。根據實驗前期的對比分析，確定熔覆粉末采用是Ni60（270～500目）和WC?Co（250～500目）的混合粉末（質量比為8∶2），其化學成分見表1—2。混合粉末在掃描電鏡下的形貌（圖1）顯示呈現為球形顆粒狀。在實驗前，先對基體和粉末材料進行超聲清洗，去除材料表面的油脂和氧化層。然后將粉末材料在烘干箱中高溫（250 ℃）烘干去除水分，再將其放置在氬氣環境中以120 r/min的速率球磨混粉3 h，使Ni60粉末與WC?Co粉末混合均勻，基體在熔覆前預熱至450 ℃，以減少裂紋產生。激光熔覆設備采用YAG連續波光纖激光加工系統（JHL–1GX–2000），激光熔覆工藝參數分別選取激光功率為0.9、1.2、1.5、1.8 kW，掃描速度200 mm/min，光斑直徑2 mm，送粉速率16 g/min，搭接率50%。

表1 Ni60的化學成分

表2 WC?Co的化學成分

圖1 Ni60?WC?Co混合粉末SEM圖

1.2 表征與性能測試

熔覆完成后，將試樣放在室溫下冷卻至常溫，然后進行線切割、鑲嵌、研磨和拋光，用蝕刻劑（HNO3∶HCl∶HF為1∶1∶1）對制好的金相試樣腐蝕60 s。利用能譜分析儀（EDS）的掃描電鏡（SEM）對復合涂層的顯微組織進行分析，用顯微硬度計（MVC– 1000JMT1）在復合涂層表面和沿復合涂層表面向基體方向對復合涂層的硬度進行進行測試，加載壓力為50 N，加載時間為15 s，測試點間隔100 μm。在室溫下采用MMD-1摩擦磨損試驗儀對復合涂層的摩擦磨損性能進行檢測，加載壓力為200 N，磨損時間為30 min，磨圈轉速為200 r/min，磨盤材料為C45E4鋼（硬度600HV）。在磨損實驗前后，分別將試樣放在無水乙醇中進行超聲清洗，烘干后稱重，計算其磨損前后的磨損失重，并觀察其磨損表面形貌。

2 結果與分析

2.1 復合涂層形貌

不同激光功率制備復合涂層的橫截面SEM宏觀形貌見圖2。隨著激光功率增大，復合涂層表面未熔化的顆粒減少，當激光功率增加至1.5 kW時，復合涂層表面厚度更大、形貌更佳。WC顆粒保持原有的球形顆粒狀，分布較均勻（圖3）。當激光功率不超過1.5 kW時，復合涂層與基體之間緊密結合，致密均勻，無明顯裂紋和氣孔產生。由于激光熔覆的快速凝熔特點，當激光束輻照在材料表面時，部分基體材料和粉末熔化形成熔池，并冷卻凝固快速形成復合涂層。由于WC的熔點較高，在激光功率較低時產生的能量不足以熔化WC顆粒，因此當激光功率小于1.5 kW時，WC呈現為完整的球形顆粒狀，被熔池內的強對流分散而均勻分布在復合涂層中。但當激光功率為1.8 kW時，在復合涂層中出現一些氣孔，此時，激光能量過大，使得部分WC顆粒熔化產生分解[15]，與少量O2發生反應生成CO和CO2[16]，在極短時間內氣體難以逸出，在復合涂層中產生部分氣孔。稀釋率是指熔化基體材料對復合涂層的稀釋程度，其對熔覆層的結合牢固程度和性能影響較大。稀釋率過小時復合涂層與基體的結合強度不高，過大時基體對復合涂層過度稀釋，除了容易產生裂紋、氣孔等缺陷外，對復合涂層的硬度、耐磨性等也有所弱化。復合涂層的稀釋率一般應保持在10%以下。不同激光功率下的稀釋率變化見圖4，隨著激光功率增大，稀釋率先減小后增大，當激光功率為1.5 kW時，稀釋率達到最小（約為9.6%）。

圖2 復合涂層宏觀形貌

圖3 復合涂層橫截面SEM形貌

圖4 激光功率對復合涂層稀釋率影響

激光功率為1.5 kW時復合涂層的XRD分析譜圖見圖5。利用XRD分析譜圖對復合涂層進行物相分析可以看出，復合涂層主要由WC、W2C、γ?Ni、FeNi3、FeCr0.29Ni0.16C0.06、CoC、Co3B2等相組成。部分WC顆粒發生分解后生成了W2C和C，C會與Fe、Cr、Ni、Co等元素發生反應并生成碳化物，此類碳化物的硬度都較高，Fe與Ni、Co與B同樣發生反應生成化合物，這些硬質相在復合涂層中很好地起到了顆粒強化和彌散強化作用。

圖5 Ni60?WC?Co復合涂層XRD分析譜圖

激光功率為1.5 kW時復合涂層的微觀SEM形貌見圖6。圖6a顯示，復合涂層頂部由方向各異的細小樹枝晶組成，復合涂層頂部與空氣接觸，此處的溫度梯度較大，導致復合涂層頂部的樹枝晶向各方向生長，且晶粒較為細小。圖6b顯示，復合涂層中下部主要由中部的細小等軸晶和底部具有方向性生長的柱狀晶組成，這是由于復合涂層中部的溫度梯度小，向每個方向生長的速度一致，導致中部由等軸晶組成。而復合涂層底部靠近基體，可向基體方向散熱，導致底部有柱狀晶向基體方向生長。

圖6 復合涂層截面SEM形貌

2.2 復合涂層硬度

不同激光功率的復合涂層沿表面向基體方向的硬度變化折線圖見圖7。由圖7可以明顯看出，復合涂層的顯微硬度在800～1 200HV，是基體硬度（194HV）的4～6倍，這是由于WC硬質陶瓷相的加入、碳化物硬質相的生成和激光熔覆對復合涂層組織的細化作用，使得復合涂層的硬度得到了大幅提升。復合涂層硬度沿復合涂層表面向基體方向先增大，然后上下浮動，最后急劇下降。當激光功率不斷增大時，復合涂層硬度先增大后減小，當激光功率為1.5 kW時達到最大。當激光功率較小時熔化的粉末較少，復合涂層中含WC硬質陶瓷顆粒較少；當增大激光功率時熔覆粉末中有較多的WC硬質相，增大了復合涂層硬度；當激光功率過大時，雖然熔覆粉末更多，但部分WC硬質顆粒產生熱分解，容易產生氣孔，不利于復合涂層整體硬度的提升。

圖7 復合涂層顯微硬度分布

2.3 復合涂層耐磨性能

不同激光功率的復合涂層表面磨損量見圖8，增大激光功率復合涂層表面的磨損量先減小后增大，當激光功率為1.5 kW時磨損量最小，復合涂層的耐磨性最好。這說明適中的激光功率對復合涂層的耐磨性有提升作用。不同激光功率的復合涂層磨損表面形貌見圖9[16-18]。從圖9a可以看出，當激光功率為0.9 kW時，磨損表面出現較深溝槽和大磨損坑，此時發生黏著磨損和磨粒磨損，脫落的磨粒被壓入磨損表面而形成較深的溝槽；當激光功率為1.2 kW時，磨損表面的溝槽較淺、磨損坑較小，主要發生黏著磨損和磨粒磨損，在硬度較高的磨損表面磨損坑較小；當激光功率為1.5 kW時，磨損表面溝槽幾乎消失，無明顯磨損坑出現，主要發生磨粒磨損，此時磨損表面的耐磨性最佳[19-22]；繼續增大激光功率至1.8 kW時，磨損表面溝槽較淺，但出現大磨損坑，主要發生黏著磨損和磨粒磨損。復合涂層耐磨性出現這種變化的原因主要是隨著激光功率增大，激光束能量越大，熔化粉末材料越多，WC硬質顆粒更多，復合涂層硬度越高，從而在摩擦磨損過程中可起到減摩效果[17]，使得耐磨性越好。當激光功率為1.8 kW時，此時能量過大，部分WC顆粒出現熱分解，在復合涂層中產生氣孔，使復合涂層致密性降低，表面疏松、硬度降低、耐磨性變差[23-25]。

圖8 復合涂層表面磨損量

圖9 復合涂層表面磨損形貌

3 結論

為滿足更高強度、更耐磨的要求，通過激光熔覆制備了WC顆粒分布均勻、厚度較厚、缺陷少的Ni60? WC?Co復合涂層，研究了激光功率對復合涂層微觀形貌、硬度及耐磨損性能的影響。

1）Ni60?WC?Co復合涂層與基體之間形成緊密的冶金結合，致密均勻，無明顯缺陷，球形WC顆粒均勻分布在復合涂層中；當激光功率增大到1.8 kW時，復合涂層出現一些氣孔，主要是由于激光功率過大，WC顆粒熱分解反應生成氣體，產生氣孔。Ni60?WC? Co復合涂層的物相主要由WC、W2C、γ?Ni、FeNi3、FeCr0.29Ni0.16C0.06、CoC、Co3B2等相組成，Ni60?WC? Co復合涂層由頂部的樹枝晶、中部的等軸晶和底部的柱狀晶組成。

2）復合涂層硬度和磨損量均隨激光功率的增大，先增大后減小，當激光功率為1.5 kW時，硬度最大，磨損量最小，磨損表面無明顯溝槽和磨損坑，主要呈現為磨粒磨損，此時的耐磨損性能最佳，對機械設備零件的保護和修復效果最佳。

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Study on Technology and Performance of Ni60?WC?Co Composite Coating Prepared by Laser Cladding

GUO Hong-li1, LI Yong2

(1. School of Intelligent Manufacturing, Shanxi Vocational University of Engineering Science and Technology,Taiyuan 030031, China; 2. Zhejiang Kaiying New Material Co., Ltd., Zhejiang Haining 314400, China)

To improve the properties of 06Cr19Ni10 steel for mechanical equipment, Ni60?WC?Co composite coating was prepared by laser cladding. The effects of different laser power on the microstructure, hardness and wear resistance of the composite coating were studied by XRD, SEM, microhardness tester, friction and wear tester. The results show that with the increase of laser power, the composite coating was dense, uniform and closely combined with the matrix. Spherical WC particles are evenly distributed in the composite coating, the hardness first increases and then decreases, and the wear loss first increases and then decreases. When the laser power is too large, WC particles in the composite coating increase, and some WC particles undergo thermal decomposition, the generated gas produces pores. The phase of composite coating is mainly composed of WC、W2C、γ-Ni、FeNi3、FeCr0.29Ni0.16C0.06. CoC, Co3B2and other phases. The composite coating is composed of dendrite at the top, equiaxed crystal in the middle and columnar crystal at the bottom. When the laser power is 1.5 kW, the hardness is the highest, the wear amount is the smallest, the wear resistance is the best, and there is no obvious wear groove on the wear surface, which is mainly abrasive wear. The optimum laser power is 1.5 kW. The Ni60-WC-Co composite coating prepared under this process can improve the hardness and wear resistance of 06Cr19Ni10 steel for mechanical equipment.

laser cladding; mechanical equipment; composite coating; hardness; wear resistance

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.12.021

TG174.4

A

1674-6457(2022)12-0184-07

2022–02–17

浙江省重點研發計劃 (2020A01005）

郭紅麗（1977—），女，碩士，講師，主要研究方向為機械制造及自動化技術。