1 引言

激光熔覆是随着激光技术的发展而新兴起来的一种表面改性方法^[1]。该方法利用高能量激光束作用在工件材料表面,使工件材料发生所希望的理化性质的改变。激光熔覆涂层可以显著地提高材料的强度、硬度、耐磨性、耐蚀性和高温性能等^[2],从而大幅提高产品的质量,延长产品的使用寿命,降低成本,取得一定的经济效益。激光束能量密度高,其作用在工件表面的时间短,因此激光熔覆是一个快热、快冷的过程,熔覆过程中会产生较大的过冷度,导致熔覆层易产生裂纹;此外,由于激光束的作用时间短,熔池内产生的气体无法及时排出,因此易在涂层内产生气孔;这些缺陷都会严重影响涂层的组织和性能,阻碍激光熔覆技术在实际生产中的应用。针对激光熔覆过程中存在的上述问题,国内外研究者对激光熔覆技术中存在的问题进行了大量研究,并取得了一定成果。许多人研究了工艺参数对激光熔覆层缺陷的改善,还有部分人在激光熔覆过程中施加辅助工艺,如超声振动、机械振动、电磁搅拌等^[3-11],研究了它们对激光熔覆层缺陷的改善作用。这些研究对改善激光熔覆层中的缺陷具有一定意义,可在一定程度上减少熔覆层中的气孔、裂纹等缺陷。

镍(Ni)基合金具有良好的高温耐腐蚀性和抗氧化性能,并且价格比较低,因此应用十分广泛。在Ni基合金中添加适量的铬(Cr)、碳(C)、钨(W)等元素,可以有效改善Ni基合金的硬度和耐磨性,获得高性能的优异涂层。本文采用真空辅助工艺,以Ni基WC复合粉体作为熔覆材料,研究了真空环境对激光熔覆Ni基WC涂层组织及性能的影响。

2 试验

2.1 试样制备

试验基体材料选用Q235钢,其化学成分如表1所示。利用线切割将Q235钢切割成尺寸为60 mm×45 mm×15 mm的矩形块,对试样表面进行磨削、抛光以及清洁处理。熔覆材料为Ni基WC,其粒径为150~300目(48~106 μm),化学成分如表2所示。预置涂层为Ni基WC,黏接剂为无水乙醇,预置涂层厚度为1 mm,在80 ℃下烘烤4 h。试样1的制备在非真空氮气直吹保护条件下进行;试样2的制备在真空环境下进行。

2.2 试验方法

采用德国Rofin公司的FL020型光纤激光器对预置涂层进行熔覆,激光器的额定功率为2000 W。真空设备采用自制的真空箱,如图1所示,采用耐高温高透光玻璃对真空箱进行密封,玻璃的透光率大于95%。采用真空泵对真空箱进行抽真空,真空度可达100 Pa。通过正交试验确定最优试验参数如下:激光功率为1600 W,光斑直径为5 mm,扫描速度为4 mm/s,搭接率为30%。

图 1. 真空箱实物照片

Fig. 1. Vacuum box picture

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利用线切割将熔覆试样在垂直于涂层表面的方向上切割成尺寸为10 mm×10 mm×15 mm的试样块。对垂直于涂层表面方向的横截面进行打磨抛光处理,制成金相试样。采用Future-Tech公司的FM700型显微硬度仪在距涂层表面0.3 mm处测试涂层的显微硬度。随后,对试样进行打磨抛光处理,然后用王水腐蚀试样15 s,采用日立公司的S-3400N型扫描电子显微镜观察涂层的显微组织。将试样块的涂层表面打磨平整,采用Rigaku公司的D/Max2500PC型X射线衍射仪分析涂层的物相。将试样表面打磨光滑,采用美国GETR公司的UMT-3型多功能摩擦磨损试验机以及粗糙度仪测试涂层的摩擦磨损性能。

3 结果与讨论

3.1 涂层的微观组织

图2(a1)、(b1)所示为涂层底部的微观组织形貌,图2(a2)、(b2)所示为涂层中部的微观组织形貌。从图2(a1)、(b1)可以看出,涂层与基体之间存在一条明亮的结合带^[12],说明二者之间形成了良好的冶金结合。

从图2(a1)、(a2)中可以看出:在非真空环境条件下,涂层的组织以粗大的树状晶和柱状晶为主。在非真空试验条件下,熔覆过程中熔池内液体的流动性较差,金属液相的成分不均匀,结晶时易发生枝晶偏析,促进了树枝晶的形成;另外,冷却凝固过程中的过冷度较大,晶粒生长得快,促进了树枝晶的长大,导致涂层的组织粗大、不均匀。此外,涂层中存在许多微裂纹。这是因为在非真空试验条件下,凝固过程中较大的过冷度会使涂层内部产生很大的残余应力,从而导致涂层易在存在硬质相的部位产生微裂纹。涂层中还存在明显的气孔缺陷,这是因为在非真空试验条件下,液体的流动性差,熔池内产生的气体无法从熔池内及时排出,残留在涂层内部形成了气孔缺陷。

从图2(b1)、(b2)中可以看出,涂层组织较为均匀、致密,粗大的树状晶明显减少,组织主要以胞状晶和柱状晶为主。原因是在真空环境条件下,熔池内液体的流动性变好^[13],液相成分更均匀,减少了熔池内液相凝固时的枝晶偏析,减少了树状晶的形成;另外,熔池内液体流动性变好可以降低熔池的温度梯度,减小晶核的生长速度,从而抑制树枝晶的生长,使涂层的组织更均匀、致密。此外,涂层中几乎不存在气孔。这是因为在真空试验条件下,熔池内外的压差可以加快气体的逸出,从而显著减少了涂层中的气孔缺陷。涂层中微裂纹的数量也明显减少。这是因为在真空环境下,熔池内液体的流动性变好,可以在一定程度上减小凝固过程的过冷度,从而减小了残余应力,使涂层中的微裂纹数量有所减少。

图 2. 不同工艺条件下涂层的微观组织。(a1)(a2)非真空环境;(b1)(b2)真空环境

Fig. 2. Microstructures of coatings under different process conditions. (a1)(a2) non-vacuum environment; (b1)(b2) vacuum environment

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3.2 涂层中的物相

图3所示为不同工艺条件下涂层的X射线衍射(XRD)谱图,可以看出:在非真空试验条件下,涂层中的物相主要有Cr₂₃C₆、NiB₂、γ-Ni、FeNi₃;在真空试验条件下,涂层中的物相主要有Cr₂₃C₆、FeNi、γ-Ni、FeNi₃、Cr₃C₂。涂层中的物相以Ni基固溶体以及弥散在其中的金属间化合物为主。此外,在两种试验条件下,都未发现WC相。原因是采用大功率激光制备熔覆涂层时,极易导致涂层中的WC烧损和分解形成新的碳化物^[14]。在涂层的物相组成中,Cr和C形成的Cr₂₃C₆属于硬质相,硬质相的存在是微裂纹产生的重要原因。在真空试验条件下,涂层中的Cr₂₃C₆相减少,并出现Cr₃C₂相。原因是在真空试验条件下,熔池内液体的流动性好,加速了基体中的C元素向涂层中扩散,使涂层中的C元素含量相对增加,而Cr元素的含量相对减少,这有助于Cr₃C₂相的形成。相对于Cr₂₃C₆相,Cr₃C₂相是较细的硬质相组织,它的生成可以有效减少裂纹的产生。另外,液体的流动性变好可以使金属间化合物在Ni基固溶体中的分布更均匀,降低了硬质相的聚集,有效减少了涂层中的粗大组织,使涂层的组织更致密、均匀,降低了涂层中出现微裂纹的可能性,这也是涂层中微裂纹数量较少的重要原因。

图 3. 不同工艺条件下涂层的XRD谱图。(a)非真空环境;(b)真空环境

Fig. 3. XRD patterns of coating under different process conditions. (a) Non-vacuum environment; (b) vacuum environment

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3.3 涂层的硬度

采用显微硬度仪测试涂层的显微硬度。以涂层的结合区为零点,在垂直于涂层表面的方向上,从零点开始,分别向上、向下等间距(0.1 mm)测试涂层和基体的硬度,共测试9组,每组测试3个点,取3个点平均值作为该组的硬度值。测试条件如下:加载载荷为1 N,保压时间为5 s。测试结果如图4所示,可以看出:在非真空试验条件下,涂层的平均显微硬度为635.8 HV,约为基体硬度的2.5倍;在真空试验条件下,涂层的平均显微硬度863.1 HV,约为基体硬度的3倍。

图 4. 涂层的显微硬度曲线

Fig. 4. Microhardness curves of the coating

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硬度测试结果表明,真空环境可以提高涂层的显微硬度。在真空试验条件下,液体的流动性变好,液相成分更均匀,涂层中的偏析现象减弱,涂层的组织均匀、致密,在一定程度上提高了涂层的硬度。通过3.2节中的物相分析可知,涂层中的物相主要是Ni基固溶体和金属间化合物,液体的流动性改善后,可以使涂层中的金属间化合物均匀地弥散在Ni基固溶体中,对涂层起到弥散强化的作用^[15],从而进一步提高了涂层的硬度。

3.4 涂层的摩擦磨损性能

本文中的摩擦磨损试验是不加任何润滑剂的干摩擦试验,摩擦形式是点接触的往复式直线摩擦,对磨件是直径为9.25 mm的轴承钢球(其材料为GCr15),对磨时间为15 min,施加的载荷为10 N,频率为2 Hz。图5所示为涂层的摩擦因数曲线,可以看出:在非真空试验条件下得到的涂层的平均摩擦因数约为0.59,在真空试验条件下得到的涂层的平均摩擦因数约为0.51,较非真空条件下的降低了约14%。这主要是由于在真空试验条件下,涂层的组织更均匀、致密,均匀、致密的组织可以减小涂层的表面粗糙度,降低涂层表面的摩擦因数;另外,涂层中几乎没有气孔和裂纹缺陷,降低了摩擦过程中材料的磨损,有效减少涂层表面剥落的材料对摩擦表面的刮擦。因此,真空环境下获得的涂层的摩擦因数更小,摩擦过程更平稳,涂层具有更好的减磨性。

图 5. 涂层的摩擦因数曲线

Fig. 5. Friction coefficient curves of the coating

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摩擦磨损试验结束后,采用粗糙度仪测试涂层的磨痕形貌,得到涂层垂直于磨痕方向的波纹曲线,如图6所示,其中X为磨痕的宽度,Y为磨痕的深度,波纹曲线的横截面积即为该截面上涂层的磨损量^[16]。利用曲线的横截面积来评估整个涂层的磨损量,横截面积越大,则涂层的磨损量越大,涂层的耐磨性越差。通过Origin积分计算得到在真空试验条件下涂层的磨损量为0.73×10^-3 mm²,而非真空试验条件下涂层的磨损量为1.65×10^-3 mm²,磨损量降低了约56%。这主要是由于在真空试验条件下,

图 6. 涂层磨痕波纹曲线

Fig. 6. Scratch corrugated curves of the coating

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涂层的组织更均匀、致密,涂层表面材料的抗黏接能力增强,在相同的摩擦条件下,涂层表面材料的去除程度更小,因此涂层具有更高的耐磨性^[17-18]。

4 结论

在真空环境下进行激光熔覆具有以下优点:1)增大了气体逸出涂层的速度,使涂层中几乎没有气孔缺陷;2)减小了凝固过程的过冷度,使涂层中的微裂纹数量显著减少;3)明显改善了涂层的组织,涂层中粗大的树枝晶减少,组织主要为胞状晶和柱状晶,组织更均匀、致密。