激光熔覆Ni/TiC復(fù)合涂層組織與性能

戴晟，左敦穩(wěn)，方淳，趙先銳，王金芳，朱流

(1.臺州學(xué)院 機械工程學(xué)院, 浙江 臺州 318000；2.南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院, 江蘇 南京 210016)

0 引言

模具的表面磨損嚴重影響模具的使用壽命，對模具表面采用電鍍、滲碳、激光表面處理、熱噴涂、離子注入和電子束輻照等表面強化處理以提高模具(特別是型腔面)的硬度、耐磨、抗疲勞等性能，延長模具的壽命[1]。采用激光熔覆技術(shù)[2-6]將高性能材料熔覆到模具基體表面，形成具有高硬度、耐磨性好、耐蝕性好的熔覆層，可以延長模具的使用壽命，恢復(fù)磨損報廢零件的服役功能，并且具有顯著的綠色制造的特征，在模具表面強化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，激光熔覆涂層的研究主要集中在陶瓷相-金屬基復(fù)合涂層，熔覆過程中以未熔陶瓷顆粒和基材為核心迅速冷卻凝固，形成枝晶，在熔覆涂層中彌散分布，起到彌散強化作用，并因其快速凝固特性而得到過飽和固溶體，起到固溶強化作用，增強基材表面的硬度和耐磨性[7]。Cheng等[8]在NAK80模具鋼表面激光熔覆制備了Ni/WC復(fù)合涂層，顯著提高模具鋼表面的耐磨性。文獻[2,9]在2738塑料模具鋼表面制備了Ni/WC復(fù)合涂層，研究了其顯微組織和摩擦磨損性能。Obadele等[10]研究了TiC添加量對WC-Co-Cr涂層和WC-Ni涂層的影響。Lou等[11]研究了Cr3C2-NiCr涂層的組織與性能。駱芳[12]通過在P20模具鋼激光熔覆非晶納米Al2O3，TiC，WC等陶瓷硬質(zhì)顆粒的涂層以提高耐磨性。本文采用激光熔覆技術(shù)在45鋼樣品表面制備了Ni/TiC復(fù)合涂層，研究其成分、組織結(jié)構(gòu)、顯微硬度分布及耐磨性，為進一步優(yōu)化工藝參數(shù)提供前期研究基礎(chǔ)。

1 試驗材料與方法

激光熔覆基體材料選用45鋼，熔覆前試樣表面需要經(jīng)砂紙打磨、除銹和無水乙醇清除油污。熔覆材料采用Ni基合金+TiC粉末，其中Ni基合金粉末粒度為120～200目，TiC粉末粒度為80～150目。TiC粉末占混合粉末總質(zhì)量的60%。試驗前，對粉末進行100 ℃烘干2 h，以去除混合粉末表面吸附的水分。

采用Nd:YAG激光加工機進行熔覆試驗，激光熔覆參數(shù)：激光器輸出電流110 A、掃描速率110 mm/min、光斑直徑0.8 mm、激光頻率為6 Hz、脈寬6.0 ms。采用大面積多道搭接熔覆方法，搭接率約為50%～60%，每完成一道熔覆，需要停激光，對熔覆區(qū)進行重新鋪粉，以保證搭接效果，同時可以使前一道熔覆層基本冷卻以保持激光熔覆快速凝固的特性。試驗前將熔覆粉末預(yù)置在45鋼基材表面。

用線切割機切取試樣觀察分析涂層的顯微組織、硬度和摩擦性能。利用日立S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣的組織形貌。利用Bruker D8 ADVANCE型 X射線衍射儀分析涂層物相，Cu靶作為X射線源，工作電壓35 kV，加速電壓40 kV，工作電流30 mA，掃描速度為4.0(deg/min)。利用島津HMV-2T型顯微硬度計測定熔覆層試樣橫截面的顯微硬度，在測量過程中避開顆粒、孔洞，載荷為300 g，壓頭保持時間為10 s。

在球盤式摩擦試驗機上進行摩擦磨損試驗，YG8硬質(zhì)合金球為對偶件。試驗時，將試樣固定在樣品盤上，由電機驅(qū)動其轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動速度為600 r/min，轉(zhuǎn)動半徑為5 mm，對試樣施加垂直恒定載荷為10 N，試驗是在室溫?zé)o潤滑的條件下進行，磨損時間為30 min。試樣磨損失重采用島津高精度(10-5g)分析天平稱量，每個數(shù)據(jù)均為重復(fù)試驗三次的平均值。稱量前將磨損試樣放在超聲波清洗器中用無水乙醇清洗干凈。

采用蔡司Axio CSM700白光共聚焦顯微鏡觀測各磨損試樣形貌，并測量磨痕寬度和深度，利用文獻[2]的方法分別計算磨損試樣的磨損體積和比磨損率，評價Ni/TiC熔覆涂層的耐磨性。磨損體積Vw和比磨損率K分別為：

(1)

(2)

式中：h為磨痕深度(μm)；b為磨痕寬度(mm)；r為磨痕軌道半徑(mm)；P為法向載荷(N)；S為滑動距離(m)。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 涂層的顯微結(jié)構(gòu)

圖1為激光熔覆Ni/TiC復(fù)合涂層的X射線衍射圖譜。分析衍射強度峰值可知，Ni/TiC復(fù)合涂層的主要組成相為TiC，γ-Ni，[Fe,Ni]，F(xiàn)eNi3和Fe3C。

圖1 Ni/TiC復(fù)合涂層的XRD圖譜

圖2為Ni/TiC激光熔覆層試SEM組織形貌和EDS分析結(jié)果。由圖2(a)可以看出，熔覆層與基體呈現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，涂層無明顯的氣孔、裂紋等缺陷。在激光作用下，結(jié)合區(qū)部分基體及熔覆材料熔化，形成冶金結(jié)合。該區(qū)域溫度最高，溫度梯度幾乎垂直于界面，形成了平行于界面的一層極薄的平面晶，在平面晶的前方，由于冷卻速度過快而形成了超細的等軸晶或短棒狀晶粒。在熔覆區(qū)(圖2(b))未見尺寸較大的硬質(zhì)相顆粒分布。熔覆層微區(qū)的EDS分析結(jié)果可以看出(圖2(c)和(d))，圖中的微區(qū)中均含有Ni、Fe、Ti、Al等合金元素，另外還有少量的Si元素。熔覆層微區(qū)的EDS分析結(jié)果可以看出圖2(c)和圖2(d)中的微區(qū)中均含有Ni，F(xiàn)e，Ti，Al等合金元素，另外還有少量的Si元素。可見，在熔覆過程中，TiC與Ni很好的熔融。

圖2 激光熔覆Ni/TiC復(fù)合涂層橫截面組織形貌(SEM)和EDS分析

2.2 涂層的硬度

激光熔覆Ni/TiC復(fù)合涂層試樣橫截面上的顯微硬度分布曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，Ni/TiC復(fù)合涂層的顯微硬度沿層深皆呈明顯的階梯狀分布。涂層中最外表面的熔覆層硬度最高，平均顯微硬度值約為800 HV，明顯高于基體硬度，主要是因為碳化物周圍存有彌散析出造成的。冶金結(jié)合區(qū)硬度急劇下降，這主要是因為熔覆過程中基體的微熔使Fe元素向涂層擴散，導(dǎo)致結(jié)合區(qū)成分被稀釋，使得單位體積里強化相的數(shù)量減少，從一定程度上降低了結(jié)合區(qū)的硬度，這樣可以使硬度從熔覆層到基體得以較好的過渡，緩沖激光熔覆層受到的沖擊。熱影響區(qū)的硬度值為170 HV以上，明顯高于基體硬度值(140～150 HV)，說明靠近結(jié)合區(qū)的熱影響區(qū)已經(jīng)發(fā)生了淬火，存在淬火馬氏體。Ni/TiC復(fù)合涂層的高硬度會使得45鋼基體表面耐磨性有較大的改善。

圖3 激光熔覆Ni/TiC復(fù)合涂層顯微硬度沿層深方向分布曲線

2.3 耐磨性能

圖4 試樣的磨損失質(zhì)量

圖4為45鋼基體和TiC/Ni激光熔覆試樣的磨損失質(zhì)量。由圖可見，45鋼基體的平均磨損失質(zhì)量為2.7 mg，而TiC/Ni激光熔覆試樣的平均磨損失質(zhì)量為0.6 mg，磨損失質(zhì)量為未涂層基材的22.2%。通過式(1)和式(2)分別計算得到45鋼基體和TiC/Ni激光熔覆試樣的磨損體積Vw和比磨損率K，如圖5所示。45鋼基體經(jīng)激光熔覆TiC/Ni復(fù)合涂層后，熔覆試樣的比磨損率相對于基體試樣的比磨損率下降了86.5%。由此可見，經(jīng)激光熔覆TiC/Ni復(fù)合涂層后，45鋼的耐磨性能得到顯著提高。這是因為激光熔覆TiC/Ni復(fù)合涂層硬度較高，另外硬質(zhì)顆粒TiC也在摩擦過程中起到了很好的抗摩擦磨損能力，使熔覆層的磨損失重量和比磨損率遠小于45鋼基體。因此，相比于鋼基體，激光熔覆涂層的耐磨性有了很大提高。

圖5 試樣的比磨損率

3 結(jié)論

1) 在45鋼基體表面采用激光熔覆技術(shù)制備了TiC/Ni復(fù)合涂層，涂層與基材之間均沒有出現(xiàn)氣孔和裂紋等缺陷，具有良好的冶金結(jié)合；試樣的硬度顯著提高，其中熔覆層的硬度超過800 HV，有利于保證TiC/Ni熔覆層的耐磨性。

2) 熔覆試樣的比磨損率比基體試樣的比磨損率下降了86.5%，TiC硬質(zhì)相提高了摩擦副表面的承載能力，使耐磨性得到了顯著提高。

[1] Santo L.Laser cladding of metals: a review[J].International Journal of Surface Science and Engineering, 2008,2(5):327-336.

[2] 戴晟, 左敦穩(wěn), 黎向鋒, 等.2738模具鋼表面激光熔覆Ni基WC復(fù)合涂層的摩擦磨損性能[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2012,42 (4):924-929.

[3] Wang HY, Zuo DW, Wang MD, et al.Effects of nano-CeO2p on oxidation behaviors of NiCoCrAlY laser cladding coatings on Ni-based superalloys[J].ACTA Metallurgical Sinica, 2009,45(8):971-977.

[4] LI Q, SONG GM, ZHANG YZ, et al.Microstructure and dry sliding wear behavior of laser clad Ni-based alloy coating with the addition of SiC [J].Wear, 2003, 254: 222-229.

[5] 王黎欽, 應(yīng)麗霞, 張三川,等.氮化硅/石墨激光合金化涂層的組織結(jié)構(gòu)與性能研究[J].中國激光, 2003, 30(9): 855-858.

[6] 崔澤琴, 王文先, 曹國光, 等.碳鋼表面激光熔覆鐵基B4C陶瓷涂層的組織與性能[J].材料熱處理學(xué)報, 2011, 32(3):134-138.

[7] 王紅穎，崔承云，周杰.工具鋼表面激光熔覆Co基合金涂層的組織及性能[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版).2010, 40(4): 1000-1004.

[8] CHENG Hu, YI Jian, FANG Zhigang, et al.Tribology Property of Laser Cladding Crack Free Ni/WC Composite Coating[J].Materials Transactions, 2013, 54 (1): 50-55.

[9] 趙先銳, 左敦穩(wěn), 程虎, 等.塑料模具鋼表面激光熔覆WxC/Ni基合金涂層的組織及性能[J].材料熱處理學(xué)報, 2013,34 (4):177-181..

[10] Obadele B A, Olubambi P A, Johnson O T.Effects of TiC addition on properties of laser particle deposited WC-Co-Cr and WC-Ni coatings[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2013, 23 (12): 3634-3642.

[11] Lou Deyuan, He Chunlin, Shang Shuo, et al.Microstructure and performances of graphite scattered Cr3C2-NiCr composites prepared by laser processing[J].Materials Letters, 2013, 93: 304-307.

[12] 駱芳，陳智君，樓程華，等.塑料模具鋼表面激光熔覆陶瓷復(fù)合涂層的性能研究[J].兵工學(xué)報， 2010, 31(7): 933-938.