ni–cr wc 复合涂层的激光熔覆技术发展和特点

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1、Ni–Cr+WC复合涂层的激光熔覆技术发展和特点摘要：为了提高金属工件在氧化和磨损环境中的寿命，通常在其表面附上特殊涂层。最近二十年，随着激光技术的迅速发展，激光用来生产高质量涂层。含有Ni和WC的金属基陶瓷复合涂层（MMC）通常用于延长恶劣磨损工作条件下工件的寿命。根据美国试验材料学会G-65标准试验方法，通过对激光熔覆技术和普通耐磨堆焊技术做耐磨比较试验，发现经激光熔覆后工件寿命延长六倍。取得如此效果的原因是激光熔覆有低的稀释率和高的凝固速度。结果，对于含有WC颗粒的MMC，激光熔覆后WC有更高的体积分数和更好的微观结构。为了工程上所需要的耐氧化和耐磨

2、性能，开发了Ni–Cr+WC复合涂层。通过在标准钢上熔覆含有不同WC体积分数的Ni、Cr基体复合涂层，探究工艺参数对熔覆质量的影响，观察其微观结构。关键词：激光熔覆MMC耐磨特性NdYAG激光器涂层WC颗粒1．介绍近二十年，随着激光在工业中的应用，激光熔覆随之发展并取得了广泛地应用，不仅生产出了含有自润滑耐磨损颗粒的复合涂层，而且也出现了耐腐蚀的超合金涂层。WC颗粒的形状对涂层微观结构和耐磨损性能的影响以及激光熔覆涂层在耐磨环境中服役的优势也被研究与讨论。为了增加熔覆工件的寿命，发展了不同成分的多层熔覆层。耐磨堆焊是指将耐磨的硬质材料附着在质地软的材料表面

3、，是一种有效减少表面磨损、撞击损坏、腐蚀、侵蚀的方法。在很多情况下，注定要承受恶劣表面磨损的工件在服役钱都要进行耐磨堆焊处理。然而在这种表面技术中，工件表面受高温，存在很多不可忽视的缺陷和很高的稀释率。对于含有WC颗粒的MMC，稀释率对于最终WC的体积分数和熔覆材料的耐磨特性有着直接的影响。激光熔覆稀释率为1~2%，而传统耐磨堆焊稀释率为5~10%。对于所需要的和保持稳定性的组分，激光熔覆有大的选择范围。在该文档对激光熔覆和耐磨堆焊技术生产的工件的耐磨特性做了比较。分别用上述两种方法生产含有WC颗粒的Ni-Cr基合金并比较而这的耐磨特性。2．试验方法众所周

4、知，WC具有很好的耐磨特性。但是C本身非常硬，不适于承受循环应力。为了增加涂层在重复加载和磨损环境下的寿命，研发了复合涂层。通过将WC颗粒加入到柔软的金属基材中，改善其耐磨特性，增强耐疲劳强度。随着碳化物的增多，熔覆层耐磨性能提高，但也同时降低其的韧性。将MMC涂层添加到金属工件上的方法主要有三个：热喷涂（粉末火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、音速火焰喷涂技术）、耐磨堆焊和激光熔覆。这里只讨论耐磨堆焊和激光熔覆。激光熔覆时使用同轴送粉喷嘴，4kw的NdYA连续激光机。激光波长为1064μm，使用直径为600μm的光学纤维。含WC颗粒的Ni基涂层熔覆到低碳钢（

5、AISI1020，Fe+0.2C%）。熔覆的方形试样尺寸为101.6mm×101.6mm×12.7mm。激光熔覆中所使用的两种粉末成分如表1所示。先将两种粉末预混合，然后取体积分数为50%来组成耐磨堆焊所需要的组分。耐磨堆焊选用Ni基合金。表1激光熔覆的粉末粉末材料碳化钨WCNi合金（85%Ni+Cr，SI，Fe）粉末大小（μm）45-15063-150粉末形式熔合的球状球状原子雾化气体在激光熔覆过程中，不同送粉速度和扫描速度条件下都选用最大用粉量，如表2。优化过程工艺参数，以得到最好的结合和最小的稀释率。熔覆在室温下进行，在用砂纸磨好的试样上熔覆。1．试

6、样准备熔覆好的样品用光学显微镜观察并测量硬度。将试样用粘有晶粒大小为1μm的金刚石抛光。选用Ni合金通用的腐蚀剂（50mlHNO3+50ml乙酸）腐蚀来观察结构。表2激光参数工艺参数变化范围激光器类型NdYAG激光功率4kw（最大）送粉速度（g/min）40-120扫描速度（mm/min）400-800图1激光熔覆样品，熔覆层和基材界面（200×）2．微观组织观察含有碳化物颗粒的典型激光熔覆涂层如图1所示。熔覆层具有很好的微观结构。图中，定向的树枝晶垂直向熔覆层的自由面方向生长。凝固起源于熔覆层和基材界面处，并且朝向熔覆层方向（沿着热流的方向）。在WC颗粒

7、周围可以明显观察到熔覆材料的磨损。树枝晶起源于颗粒的径向，在热传递中扮演沉淀（如图2）。图3激光熔覆层材料—溶解的球状碳化钨的分布图3熔覆层中WC颗粒的分布是比较好的，垂直地穿过厚度方向。这些颗粒并没有熔化而是保持球形。在某些条件下，在冷的或硬的基材上熔覆会出现微观裂纹。这些裂纹的产生伴随着明显的声音（应力的突然释放，就像受到撞击的声音）。通过在激光熔覆过程中暂停，来测量声音的长度，一般小于2s，微观裂纹通常产生在凝固过程末期或者冷却过程初期。裂纹主要垂直于基材表面，并且对熔覆层和基材间冶金结合的完整性不产生影响。在激光熔覆过程中，送粉速度控制着基材和熔覆

8、层间的结合质量。随着送粉速度的增加，飞行粒子吸收的激光功率增加，稀