超音速激光沉积Ni60-WC涂层在钢材上的性能表征外文翻译资料

 2022-07-28 15:14:00

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超音速激光沉积Ni60-WC涂层在钢材上的性能表征

摘要

Ni60-WC颗粒由于其高硬度而用于改善硬质钢的耐磨性。超音速激光沉积作为一种新兴技术，将激光与冷喷涂结合而沉积出硬质涂层。在本研究中，采用SLD在低碳钢上沉积出Ni60-WC。通过SEM、光学显微镜、EDS、XRD、显微硬度测试和滑动磨损测试对涂层显微组织和性能进行表征。将最佳工艺参数下的实验结果与使用激光熔覆沉积的结果进行比对。

关键词：Ni60-WC; 超音速激光沉积; 激光熔覆; 显微结构; 磨损

  1. 介绍

Ni60合金掺硬质WC颗粒，广泛用于制备表面涂层以提高钢的耐磨性。由于耐磨性极佳Ni60-WC涂层已被应用于许多行业领域，如矿业，运输业，工业，制造业等。然而，Ni60-WC涂层经常会出现裂纹和气孔。近年来，研究人员试图在Ni60-WC涂层上应用不同的沉积技术，从而实现无裂纹或无缺陷涂层。传统的沉积技术，如热喷涂、等离子喷涂、弧焊熔覆和激光熔覆（LC）常常用于Ni60-WC复合涂层中。Wang等人[1]研究了等离子喷涂Ni掺硬质相WC涂层的耐磨性，并测试了三种WC含量不同的涂层的耐磨性。结果表明，当WC含量为60%时，涂层耐磨性最佳，但出现了孔隙。虽然冷喷涂技术具有很高的沉积效率低氧化率，并且可以保留原始涂层的成分或涂层材料的原始相，但是冷喷涂技术不能用于沉积硬质颗粒。相反，由于熔池在基体的表面上形成，所以弧焊熔覆和激光熔覆技术可以沉积硬质颗粒并可以实现良好的冶金连接。但是，由于热输入过大，涂层和基体材料会产生严重的变形。在这些工艺中，WC颗粒在沉积期间，大部分溶解于熔池中，这降低了涂层的硬度。

另外，在焊接或熔覆过程中产生的热应力会导致涂层产生裂纹，并且在熔覆面积较大时，低的熔覆效率还会提高成本。周，等人[4-6]观察激光熔覆Ni60涂层中的裂纹，使用具有椭圆点的激光感应设备进行快速熔覆，制备了完全致密且无裂纹的Ni基WC复合材料涂层以及Ni60涂层。但是，这一技术对于基体材料的形状有所限制，只能用于一些简单的形状，如轴，平板等。它不适用于具有复杂形状的产品。Ni60-WC涂层之所以不能广泛应用，是因为碳化物颗粒会导致裂纹和孔隙的形成。因此，WC颗粒的成分和尺寸对涂层性能有非常重要的影响。Matthew 等人 [8,9] 成功地将激光熔覆与冷喷涂结合在一起，制备出Ti和Ti合金的高密度涂层，并使用低温氮气来降低冷喷涂成本。超音速激光沉积法（SLD）通过将激光与冷喷涂技术结合在一起，具有许多优点。特别地，通过激光来控制沉积温度（可应用于硬质材料，如Stellite6和硬质碳化物），可以保留固态冷喷涂的显著优点并取代了高成本氦氮混合气。而且，粒子的高速冲击使基体材料产生塑性变形，导致涂层与基体的良好结合。

同时，SLD不会导致涂料的融化，因此可以保留涂层的精细纤维结构，避免WC降解。

在本研究中，由于SLD具有很多优点，如沉积速率高，稀释度低，可用于钢基体材料的沉积。本文论证激光功率对SLD沉积Ni60-WC涂层的性能影响，并与LC沉积涂层的性能做比较。

  1. 实验方法

2.1. 粉末制备

涂料是由不同尺寸Ni60和30%WC颗粒配制的。Ni60与WC的最佳含量由多组实验得出，包括激光熔覆、喷涂重熔和AC-HVAF喷涂[1,15]。通过激光散射对粉末中的颗粒尺寸分析，粉末颗粒的直径通过参考文献进行选取。[12-17]以及Ni60粉末是市售的。Ni基自熔合金中大多数颗粒的直径在30mm至50mm的范围内，如图1所示。WC粉末中颗粒直径约为10mm，如图2所示。可以以观察到WC颗粒被粘在一起，并且难以找到WC的单独颗粒。Ni60的化学成分和每个元素的重量百分比在表1中给出。使用SLD系统[8,9,18]将混合的70％Ni60和30％WC粉末沉积在碳钢基材上，单轨道的工艺参数列于表2。最初，在一系列操作条件下喷射单个轨道以识别沉积所需的激光功率范围。为了尽快找到最佳的激光功率，操作压力保持在30 bar，气体速率约为1000m/s，SLD横移速率为10mm/s。低碳钢板尺寸为160times;55times;2mm，作为基体材料。

2.2 显微结构分析

结合A4i图像分析软件，在光学显微镜下检测可得到的SLD涂层结构。抛光涂层样品的横截面，然后用由5g FeCl 3，2ml HCl和99ml乙醇组成的化学溶液进行蚀刻。使用扫描电子显微镜分析涂层样品的表面形貌和微观结构。使用能量色散光谱（EDS）评估涂层的化学成分，并使用X射线衍射仪和X#39;Pert Pro分析软件鉴定微结构中的相。

3结果与讨论

3.1单轨SLD

3.1.1涂层结构

选择表2中编号的涂层试样1,3和5进行分析。这些试样的结构分别如图3-5所示。从图3可以观察出打两的小的、明亮的白色颗粒，其尺寸在1mm到3mm不等，并且图中还分部有小凹坑与孔隙。元素分布如图3(b)所示，包含峰和谷，其中前一曲线（白色颗粒）表示峰：高钨和碳含量，后一曲线（矩形）表示谷：低钨含量，高铬和铁。图3(c)表示涂层式样1的扫描图。明亮的白色物体应为WC，基体中的薄白色树枝晶体可能是碳化铬。这些结果证实了明亮的物体是WC颗粒，它们分布在具有FeNi和铬碳化物的基体中。图4（a）表明较大的明亮物体分布在具有较大凹坑和孔隙的区域中。图4（b，c）表示较大的多边形和明亮物体是WC颗粒，小白色晶体可能是Cr 7 C 3和Cr 23 C 6，并且基体可以是FeNi。

从图4（a）可以看出，对于用较高激光功率制备的涂层样品3，白色颗粒和小白色晶体的尺寸随着激光功率的增加而增加;一些WC颗粒的尺寸超过2mm，并且它们表现出部分树枝晶体，如左上角的箭头所示。随着激光功率的增加，涂层样品5的大WC颗粒（光）分布在Cr 7 C 3，Cr 23 C 6和FeNi基质的树枝晶体中

从图3-5(a)可以看出，随着激光功率的增加，碳化铪晶体从薄树枝晶体生长成粗晶体晶体，对于WC颗粒也是如此。硬质相，如Cr 7 C 3，Cr 23 C 6和WC颗粒，是提高硬度及耐磨性的关键因素。对涂层样品进行X射线衍射（XRD）分析，以确认沉积期间形成的相，XRD光谱如图6所示。由SLD沉积的涂层的相是Cr 7 C 3，Cr 23 C 6，FeNi和WC。这与WC-Ni的普通激光熔覆有很大的不同，WC-Ni中的WC几乎不溶解且扩散到激光熔覆中并形成化合物。从图4(a)可以看出，对于用较高激光功率制备的涂层样品3，白色颗粒和小白色晶体的尺寸随着激光功率的增加而增加；一些WC颗粒的尺寸超过2mm，并且它们呈现出树枝晶态，如左上角的箭头所示。如图5所示，随着激光功率的增加，涂层样品5的WC大颗粒分布在Cr7C3、C23C6和FeNi的树枝晶中。从图3-5(a)中可以看出，随着激光功率的增加，碳化铪从薄树枝晶体生长成粗晶粒，WC也是如此。硬质相，如Cr7C3，Cr23C6和WC颗粒，是提高涂层硬度和耐磨损性能的关键因素。

对涂层样品进行X射线衍射（XRD）分析，以确认沉积期间形成的相。光谱图如图6所示。由SLD沉积的涂层的相是Cr7C3，Cr23C6，FeNi和WC。这与WC-Ni的普通激光熔覆有很大的不同，WC-Ni中的WC几乎不溶解并扩散到激光熔覆中并形成化合物。

3.1.2 截面的显微硬度

由于WC的量的变化会导致硬度数据的大的变化，因此使用数字微硬度计，以0.4mm的间隔从界面到涂层表面沿水平方向和垂直方向测量涂层的显微硬度。五个涂层的平均硬度如图7所示。从图7可以看出，涂层1的显微硬度最高，达到HV742。涂层5的显微硬度最低，硬度值HV687。这些结果表明，显微硬度的差异很小。因此，可推测出硬度取决于碳化物的结构。考虑到图3-7，激光功率，涂层结构和涂层硬度之间也存在相关性。

3.1.3 截面形貌

图8显示了表2中涂层样品的形貌；图8（a）中的涂层样品1为涂层中的最高密度。涂层顶部出现许多明亮细小的WC颗粒，与硬度试验结果一致。

如图8（b），涂层样品2中观察到许多孔和小的WC颗粒。这些碳化物颗粒均匀地分布在涂层中，但其量很少。

涂层中的凹坑或孔隙随着激光功率的增加而增加。这是因为在这种情况下涂料开始部分熔化。还能发现Ni60和碳化物颗粒的尺寸随着激光功率的增加而增加。空气中的氧气可能与涂层的一些化学元素（例如碳）发生反应，产生气体，导致孔隙的形成。图8（c-e）示出了涂层中的凹坑。然而，大多数凹坑可能不是孔隙，如图9所示;它们是抛光期间WC颗粒被剥落时留下的凹坑。

图9显示了涂层中凹坑百分比分析（红色区域代表凹坑）。黑色区域表示在SLD工艺中形成的凹坑，以及由于抛光期间WC颗粒的剥落引起的凹坑。从图9可以看出，涂层样品1（2kW激光功率）中暗区的百分比最小。

增加激光能量可以导致WC颗粒与Ni60基体之间的粘附性更强，但会降低WC含量。当激光功率从2kW增加到4kW时，WC颗粒的量减少，如图9所示。然而，激光功率不足以完全熔化合金且沉积的颗粒没有完全熔化。一些区域呈现出WC颗粒与Ni基基体之间良好的附着力，在抛光过程中可以避免WC颗粒的剥离。然而，不仅Ni基涂层和WC之间的粘附力受输入能量的影响，而且还受到Ni60和WC的热膨胀系数的影响。在激光功率相同的条件下，如果它们的热膨胀系数相同，这些颗粒的生长速率是相同的，由于彼此良好的匹配，凹坑或孔的数量将被减少，Ni基涂层和WC之间的粘合力将会更好

上述分析表明，在氮气气氛下，在30巴的压力，450℃的温度和2kW的沉积功率下沉积的涂层样品1在所研究的涂层样品中是最好的。用稀释率进一步研究了用这些参数制备的单道涂层。

3.2 SLD涂层与LC涂层的比较

采用LC沉积Ni60-WC粉末，激光功率为1.8-2.0kW，扫描速度为3-10mm / s，，如表3所示。只有一个涂层（图10（a）中的2号涂层）无裂纹（以2 kW的激光功率和10mm / s的扫描速度沉积）。为了研究在2kW的激光功率和10mm / s的移动速率的沉积条件下涂层的性能，制造了具有4mm的沉积宽度和2mm的重叠多轨道。在这些涂层中也发现了裂纹。LC涂层的横截面如图1所示。将其与最佳工艺（氮气气氛，30巴压力，450℃，速度为10mm / s，2kPa的沉积功率和横越的条件下的沉积宽度为4mm的SLD涂层和三层的SLD涂层）进行比较。多轨涂层的最佳工艺参数如表4所示。在多轨SLD涂层的第一层和第二层中几乎没有发现裂纹，但是在第三层中观察到，如图11所示。裂纹可能是由于材料在不同温度下的相变，体积和应力变化导致的。

3.2.1元素稀释分析

在LC工艺中，高压气体供应被分离并通过夹带金属粉末颗粒的高压粉末进料器直接输送到喷嘴。通过高速IR高温计（Kleiber）监测沉积区中的温度。通过使用高温计通过内置于控制软件的PID回路来控制激光功率来保持一致的沉积位置条件。

使用CNC X-Y平台移动喷嘴，激光头和高温计，使基材保持静止，允许样品直径达1600 mm。

图12（a，b）示出了沿着SLD和LC涂层的横截面从接口到涂层（或基底）的Ni，Cr和W的线扫描，测试距离分别为2.7mm和2.4mm。由于SLD的基板材料不含有Ni，Cr和W，所以这些结果表现出从涂层到用于SLD的基板的低稀释率。

如图12（c）所示，涂层中Ni，Cr和W的含量较高，底物中Ni，Cr和W的含量较低。SLD涂层中Ni，W和Cr的含量高于LC涂层。这表明W或Cr与LC涂层中的C形碳化物反应，Ni与Fe形成FeNi反应，导致LC涂层中元素的降低，即较高的元素稀释。

3.2.2显微结构分析

如图13（a）所示，小的多边形且明亮的WC颗粒嵌入Ni60基体中。由于抛光过程中WC颗粒的剥落或由于颗粒之间的冲击而形成的孔隙，黑色凹坑可能是孔。

图13（b）显示了树枝晶体的清晰形成。白色共晶体沿着晶体边界分布，使用能量色散X射线（EDX）检测器测量和分析LC涂层的圆形区域。 结果列于表5。可以看出，其中A区的镍和镍含量高于B区，B区的钨和碳含量高于A区。这些结果与图6中的X射线衍射（XRD）分析结果一起用于识别在LC沉积期间形成的共晶体。使用LC沉积的涂层的相是Cr7C3，Cr23C6，FeNi和Fe7W6; LC涂层没有WC，因为Fe与形成W的Fe 7 W 6反应。这可能是由于LC的输入能量比SLD的输入能量高得多，从而导致Fe7W6的形成。如果使用表4中的工艺参数，当激光加热SLD中的沉积区域时，SLD的能量密度与LC的优化能量密度相同，同时，采用LC时，激光会将粉末融化。因此，对于LC，区域A中的主相是FeNi，区域B中的主相是Cr7C3，Cr23C6和Fe7W6。

3.3显微硬度和耐磨性

机械部件受到的摩擦和磨损力会导致能量和材料的大量损失。同时，硬度是衡量材料抗磨损能力的关键。因此，可以使用热喷涂，激光熔覆和其他表面技术将硬颗粒沉积在基材上以提高它们的硬度及磨损性能以抵抗作用于部件表面的摩擦和磨损力[15,19-24]。

图14（a）展示了使用数字微硬度计从与界面到涂层表面（或基底）的0.3mm恒定纵向间隔测量的3或5个压痕的平均显微硬度。 使用具有5mm直径的Si 3 N 4陶瓷球的针式盘式机器测量摩擦系数。 旋转半径为2.5mm，正常载荷为200g，转速为800r / min，试验持续时间为2h。 如图14所示，最高硬度值为HV690，用于SLD涂层。这是由于硬质相中涂层中的碳化物的量大于LC涂层中的碳化物量。 最低硬度值是HV394，用于LC涂层。 这是因为通过将质量的碳化物分解

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