超聲輔助激光熔覆TiCN 鎳基涂層組織及性能研究＊

南志豪 姚芳萍 李傳鈺 侯宇杰 李金華

（遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，普通涂層已難以滿足更高的要求。為此，科研工作者們提出制備陶瓷-金屬基復(fù)合涂層[1-4]，陶瓷粉末本身具備高的硬度與耐磨耐腐性，可以有效彌補(bǔ)金屬基材料的不足。

大多數(shù)的陶瓷粉末為碳化物粉末，如WC、TiC 等，但由于陶瓷粉末與普通金屬基粉末各項(xiàng)物化參數(shù)相差較大，直接添加陶瓷粉末難以形成較好的結(jié)合，對涂層整體性能提升有限，因此可以通過原位生成增強(qiáng)相的方式[5-6]，在熔覆過程中原位自生出增強(qiáng)相，這種方法可以有效減少涂層缺陷，提升涂層性能。安學(xué)甲[7]制備了原位生成WC 鎳基涂層，研究發(fā)現(xiàn)原位生成涂層形貌較好無缺陷且組織細(xì)密，耐磨性較好；佘紅艷等[8]等制備了原位生長的TiB2、TiC 增強(qiáng)鐵基涂層，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合涂層相較于普通涂層顯微硬度和耐磨性均有較大提升。對于提升涂層性能還可以通過外加能場的方式，如加入電磁場、超聲場等，使用外加能場法可以改變?nèi)垠w流動、打碎枝晶和提升形核，從而改善涂層質(zhì)量，蔡川雄等[9]發(fā)現(xiàn)外加磁場輔助，可以加速熔體流動，抑制氣孔產(chǎn)生，促進(jìn)組織均化，從而提升涂層性能；王戰(zhàn)等[10]發(fā)現(xiàn)施加超聲輔助，基本不改變物相組成，且促進(jìn)元素均化，減小晶粒尺寸，減少裂紋的產(chǎn)生。

本文采用原位生成法與超聲輔助法相結(jié)合的方式，在H13 鋼表面制備出TiCN 增強(qiáng)鎳基涂層，通過TiN 粉末與C 粉原位自生出TiCN 增強(qiáng)相，并施加超聲輔助制備復(fù)合涂層，研究超聲頻率對涂層組成相、組織形態(tài)、顯微硬度及耐磨性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文選擇H13 鋼作為基體材料，熔覆材料為Ni60、石墨粉和TiN 粉末，粉末粒徑大小為48～106 μm，采用3 種粉末混合，其中石墨粉與TiN 粉末摩爾比為1∶1，兩種粉末與Ni60 粉末質(zhì)量比為1∶4，具體粉末質(zhì)量配比見表1，實(shí)驗(yàn)所用H13 鋼基體的化學(xué)成分見表2。

表1 復(fù)合粉末的化學(xué)成分

表2 H13 鋼成分

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)所用激光器型號為YLK-3000 激光器，額定功率為3 000 W，經(jīng)前期實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，激光工藝參數(shù)如下：激光功率1 400 W，掃描速度2 mm/s，送粉電壓12 V，光斑直徑2 mm，離焦量0 mm。通過同步送粉的方式制備熔覆涂層，激光器如圖1 所示，實(shí)驗(yàn)完成后進(jìn)行切割并打磨光滑，使用體積比為氫氟酸∶硝酸∶水=2∶4∶7 腐蝕液進(jìn)行腐蝕處理，使用Hitachi S-3400N 型掃描電鏡觀察組織，使用EDAX Genesis 2000 型X 射線能譜儀檢測物相。

圖1 激光器工作圖

試驗(yàn)所用超聲波發(fā)生器以及超聲振子均為深圳太和達(dá)公司生產(chǎn)，超聲波發(fā)生器額定功率為600 W，頻率范圍為23～42 kHz，最小可調(diào)頻率為0.1 kHz。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室前期的探索[11]，經(jīng)測量超聲波發(fā)生器的實(shí)際功率大約為50 W，振幅約為0.8 μm，在改變超聲頻率時實(shí)際功率和施加功率變化小于1%，故近似等于在改變超聲頻率時，超聲功率和超聲振幅不變化。超聲輔助激光熔覆實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表3。

表3 超聲輔助實(shí)驗(yàn)表

使用HVS-1000 型硬度計(jì)檢測硬度，每個區(qū)域硬度點(diǎn)間相距0.1 mm，圖2 所示為硬度點(diǎn)示意圖，圖3 所示為摩擦磨損示意圖，本次摩擦磨損試驗(yàn)采用濟(jì)南時代試金試驗(yàn)機(jī)公司生產(chǎn)的MM-W1B 進(jìn)行，摩擦副為純度99.9%的Al2O3陶瓷，涂層與摩擦副之間為干摩擦，檢測使用的工藝參數(shù)：試驗(yàn)力為30 N，轉(zhuǎn)速為60 r/min，摩擦力矩為2 000 N·mm，磨損時間為30 min、60 min、90 min，分別記錄不同磨損時間的磨損量，并使用掃描電鏡觀察磨損90 min 的磨痕來研究其磨損機(jī)理。

圖2 硬度點(diǎn)示意圖

圖3 摩擦磨損示意圖

使用間接施加超聲的方式，示意圖如圖4 所示。

圖4 超聲施加方式示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 涂層物相組成分析

圖5 所示為不同超聲頻率下涂層的XRD 圖譜，可以看出隨著超聲頻率的增加，各涂層物相組成不變，而原位生成TiCN 增強(qiáng)相峰高增加且峰寬減小，說明隨著超聲頻率的增加，涂層中原位生成TiCN增強(qiáng)相的含量增加且結(jié)晶度較好，這是因?yàn)槌曨l率增加，超聲的熱效應(yīng)增強(qiáng)使得原位生成反應(yīng)生成的TiC 增多，超聲的聲流效應(yīng)增強(qiáng)使得反應(yīng)生成的TiC 與TiN 在涂層中運(yùn)動更易結(jié)合成TiCN 固溶體；隨著超聲頻率的增加Cr0.19Fe0.7Ni0.11與FeC 的峰高降低且峰寬增加，說明在熔覆涂層中Cr0.19Fe0.7Ni0.11和FeC 的生成量有所減少，這是因?yàn)殡S著超聲頻率的增加涂層中的C 元素更多地與Ti 元素結(jié)合生成TiC 增強(qiáng)相。總體來說，隨著超聲頻率的增加，涂層中增強(qiáng)相含量增加。

圖5 不同超聲頻率下涂層的XRD

2.2 涂層宏觀形貌分析

圖6 所示為未施加超聲和施加不同超聲頻率下的涂層宏觀形貌圖，從圖中可以看出未施加超聲的涂層存在氣孔，且氣孔位置偏下，施加超聲26 kHz和30 kHz 的涂層也存在氣孔，但氣孔位置偏上，而施加34 kHz 和38 kHz 的涂層基本無氣孔，這是因?yàn)槭┘映暫螅暤穆暳?、空化和機(jī)械等效應(yīng)會加速氣泡的逸出，當(dāng)超聲頻率較低時，超聲效應(yīng)較弱，氣泡還未逸出涂層便已凝固成型，而隨著超聲頻率的增加，超聲效應(yīng)增強(qiáng)，大部分氣泡均溢出涂層，從而形成形貌較好的熔覆涂層。

圖6 涂層宏觀形貌

2.3 涂層顯微組織分析

圖7 所示為施加超聲頻率0 kHz、26 kHz、30 kHz、34 kHz、38 kHz 超聲頻率下的涂層顯微組織圖，可以看出未施加超聲時，涂層中增強(qiáng)相組織較少，且存在較多團(tuán)聚，這是因?yàn)榧す馊鄹彩求E冷驟熱的過程，粉末以極快的速度熔化后凝固，導(dǎo)致生成的增強(qiáng)相還未完全分開便凝固在一起，這樣可能會使得涂層性能分布不均勻；施加超聲頻率為26 kHz 的涂層顯微組織中增強(qiáng)相數(shù)量略微增加，但仍存在團(tuán)聚現(xiàn)象，這是因?yàn)槭┘映暫笕鄢貎?nèi)產(chǎn)生的空化效應(yīng)、聲流效應(yīng)等會打碎枝晶，增加形核率，從而使涂層中增強(qiáng)相數(shù)量有所增加，而因?yàn)槌曨l率較低產(chǎn)生的聲流和空化效應(yīng)較弱，涂層中的團(tuán)聚現(xiàn)象并沒有得到明顯改善；施加超聲頻率為30 kHz和34 kHz 的涂層顯微組織中增強(qiáng)相數(shù)量明顯增加，且團(tuán)聚現(xiàn)象得到了改善，增強(qiáng)相組織無序性增加，這是因?yàn)殡S著超聲頻率的增加，聲流和空化效應(yīng)增強(qiáng)，聲流效應(yīng)帶動空化效應(yīng)破碎的晶粒流動，使得增強(qiáng)相組織分布均勻；施加超聲頻率38 kHz 的涂層顯微組織增強(qiáng)相數(shù)量進(jìn)一步增加，基本無團(tuán)聚現(xiàn)象，增強(qiáng)相分布無序且均勻，可以獲得較為良好的力學(xué)性能。隨著超聲頻率的增加，可以有效增加涂層形核率，細(xì)化晶粒[11]。

圖7 涂層顯微組織

2.4 涂層顯微硬度分析

圖8 所示為施加不同超聲頻率下的涂層顯微硬度圖，可以看出測量位置1～7 的點(diǎn)依次涂層上層到底部的顯微硬度，測量位置8～10 為熱影響區(qū)的顯微硬度，測量位置11～12 為未受熔覆過程影響的基體的顯微硬度。

圖8 涂層顯微硬度

從測量位置1～7 的顯微硬度值中可以看出，隨著超聲頻率的增加，涂層顯微硬度值呈增大趨勢，超聲頻率為26 kHz、30 kHz 時涂層顯微硬度相較于未施加超聲時顯微硬度提升較小且在這兩種超聲頻率下涂層顯微硬度波動較大，而超聲頻率為34 kHz、38 kHz 時涂層顯微硬度提升較大且波動減小，這是因?yàn)殡S著超聲頻率的增大，超聲的空化效應(yīng)增強(qiáng)，對晶粒的細(xì)化程度增加，同時超聲的聲流效應(yīng)也增強(qiáng)，聲流效應(yīng)在熔融狀態(tài)下的涂層中產(chǎn)生的環(huán)流將生成的增強(qiáng)相均勻帶到涂層各個地方，使得涂層在較高超聲頻率時，涂層顯微硬度明顯增加且硬度分布更加均勻。

2.5 涂層耐磨性分析

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)超聲輔助對于涂層力學(xué)性能的影響，選擇組織較細(xì)密且硬度值較高的超聲頻率38 kHz 輔助制備的涂層，將其與未施加超聲輔助的涂層進(jìn)行對比試驗(yàn)，圖9 所示為有無超聲輔助下的單層多道熔覆涂層，可以看出未施加超聲的涂層表面存在部分柱節(jié)現(xiàn)象，而超聲輔助的涂層表面基本無柱節(jié)，且表面更加平整，這是因?yàn)榛旌戏勰┰谒头燮魉统鰰r并不是完全均勻的，這樣就會使得較大的熔融粉末液滴會有較大的表面張力，吸引周圍較小的熔融粉末液滴，從而使較大液滴處形成柱節(jié)，施加超聲后，超聲的聲流效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)等會增加熔融液滴內(nèi)的流動速度，促進(jìn)液滴分離，從而使得涂層表面基本無柱節(jié)產(chǎn)生且表面較平整[12]。

圖9 有無超聲輔助下的單層多道熔覆涂層

對每個時間段的磨損件進(jìn)行測重，得到每個時間段的不同涂層的磨損量， 由圖10 可以看出在各個時間段未施加超聲涂層磨損量大于施加超聲涂層的磨損量，施加超聲后，減少涂層磨損量約30%，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中模具表面涂層的磨損量小意味著使用壽命長，節(jié)約生產(chǎn)成本。

圖10 對比試驗(yàn)涂層的磨損量

圖11 所示為磨損90 min 后的未施加超聲涂層與施加超聲涂層的摩擦磨損處的微觀形貌圖，可以看出點(diǎn)1 所指區(qū)域?yàn)橛操|(zhì)顆粒在磨損過程中脫落形成的凹坑；點(diǎn)2 所指區(qū)域?yàn)樾∶娣e的組織堆積與粘著，點(diǎn)3 所指區(qū)域?yàn)槊撾x的硬質(zhì)相和磨粒在摩擦力的作用下使表面切削和犁削形成的犁溝。未施加超聲的涂層的磨損以犁削為主，還有小面積的組織堆積與粘著和硬質(zhì)點(diǎn)脫落的凹坑，而施加超聲后的涂層的磨損主要以輕微犁削為主，基本沒有組織堆積與粘著和硬質(zhì)點(diǎn)脫落的凹坑，這是因?yàn)槭┘映暫罂梢詼p小元素偏析使涂層中增強(qiáng)元素分布更加均勻，涂層各處硬度較均勻，從而基本沒有組織堆積與粘著現(xiàn)象。此外施加超聲還可以促進(jìn)晶粒細(xì)化，使涂層中硬質(zhì)點(diǎn)與涂層結(jié)合更加緊密，從而使得施加超聲后涂層的磨損主要表現(xiàn)為輕微犁削。

圖11 摩擦磨損形貌圖

3 結(jié)語

（1）改變超聲頻率不會使涂層產(chǎn)生新物相，隨著超聲頻率的增加會促進(jìn)TiCN 增強(qiáng)相的產(chǎn)生并改善結(jié)晶度。

（2）隨著超聲頻率的增加，涂層中氣泡數(shù)量減少，組織更細(xì)密，當(dāng)超聲頻率為38kHz 時涂層顯微組織最細(xì)小，且無團(tuán)聚現(xiàn)象。

（3）對熔覆涂層自上而下進(jìn)行顯微硬度測量，發(fā)現(xiàn)隨著超聲頻率的增加，涂層顯微硬度增大且涂層硬度變化更加平穩(wěn)。

（4）探究了未施加超聲與施加超聲的多道涂層的摩擦磨損性能，得出施加較優(yōu)超聲頻率的涂層耐磨性能提升約30%，且磨損主要表現(xiàn)為輕微犁削。