激光熔覆WC/Ni基復合涂層高溫滑動干摩擦磨損性能

楊膠溪，張健全，常萬慶，王艷芳，陳　虹，王喜兵

(北京工業大學 激光工程研究院，北京 100124)

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激光熔覆WC/Ni基復合涂層高溫滑動干摩擦磨損性能

楊膠溪，張健全，常萬慶，王艷芳，陳虹，王喜兵

(北京工業大學 激光工程研究院，北京 100124)

利用激光熔覆技術制備微米團聚和塊狀兩種不同類型WC/Ni基復合涂層。在MMG-10型摩擦磨損試驗機上對涂層進行高溫滑動干摩擦磨損實驗，并用SEM和EDS對涂層進行磨損形貌觀察和成分分析。結果表明，激光熔覆WC/Ni基復合涂層高溫磨損性能隨著WC含量增加而提高，WC形態為微米團聚質量分數為60%的復合涂層具有優良的高溫耐磨性能。高溫下60%WC/Ni基復合涂層主要磨損機制由低溫下的磨料磨損轉變為氧化磨損和磨料磨損復合作用。

激光熔覆；復合涂層；碳化鎢；高溫滑動干摩擦；磨損性能

隨著現代工業的快速發展，設備或零部件的工作條件及服役條件越來越苛刻。很多機械零件如汽車發動機活塞環等需要長期在高溫、磨損環境中工作，從而對其高溫耐磨性的要求也越來越高。若僅通過選用高性能的整體材料來滿足設備或零部件表面高溫耐磨性要求，往往是不經濟的[1-4]。運用合理有效的表面改性技術，能在顯著提高設備或零部件表面高溫耐磨性的同時，使其心部仍保持足夠的韌性，可有效節約能源和材料。傳統電鍍Cr排放的Cr6+對水污染非常嚴重，給環境保護造成很大的困難[5,6]。因此，需要開發出一種新的表面改性方法來改善設備或零部件的高溫耐磨性。WC陶瓷顆粒硬度高、熔點高且具有優良的熱穩定性及化學穩定性，但由于WC顆粒脆性較大，作為涂層可采用塑性較好的金屬(鈷或鎳)作為黏結相與WC硬質相復合使用[7-11]。激光熔覆作為一種重要的表面改性技術，開發適合于激光熔覆的合金粉末，可獲得無氣孔、裂紋等缺陷且高溫耐磨性良好的WC/Ni基復合涂層[12-15]。

本文作者曾考察了激光熔覆WC/Ni基復合涂層常溫滑動干摩擦磨損特性[16]。由于該涂層還應用于對一些在高溫條件下服役的關鍵部件的強化，因此有必要研究該復合涂層的高溫摩擦磨損性能。本研究在考察溫度對該復合涂層摩擦磨損性能影響的基礎上，著重考察其在400℃下的摩擦磨損特性，探討WC含量和形態變化對該復合涂層高溫摩擦磨損性能的影響，并在對磨痕顯微觀察和成分分析的基礎上初步考察其磨損機理。

1　實驗材料與方法

激光熔覆涂層材料為WC/Ni基合金復合粉末，其中鎳基合金成分為(質量分數/%)：C 0.6，Cr 7.52，Si 3.62，B 2.20，Fe 3.50，余量Ni，粒度為45～100μm，WC顆粒形態為微米團聚和塊狀兩種形態，WC微米團聚狀顆粒度為(40～60μm)，WC塊狀顆粒度為(90～130μm)。

激光熔覆實驗采用Trumpf 6000W高功率快速軸流CO2激光器，熔覆時采用同步送粉方式，送粉器為Sulzer Metco Twin10C。基材選用GCr15圓盤，該試樣尺寸規格為φ43mm×4mm，圓盤表面加工一環形凹槽,凹槽外徑、內徑、深度分別為28，22mm和1mm，如圖1所示。本實驗中試樣編號及激光熔覆工藝參數如表1所示。

圖1　GCr15圓盤式樣　(a)熔覆前；(b)熔覆后；(c)加工后Fig.1　The GCr15 disc samples　(a)before laser cladding;(b)after laser cladding;(c)after machining

SampleLaserpower/WScanningspeed/(mm·min-1)Powderflowrate/(g·min-1)MassfractionofWC/%WC0#20002001501#200020015202#200020015403#200020015604#200020015205#200020015406#20002001560-AgglomerateAngular

激光熔覆后將試樣進行磨床加工，將加工后的圓盤狀摩擦副在MMG-10型高溫、高速摩擦磨損試驗機上以端面滑動的配副方式進行高溫干摩擦磨損實驗，端面摩擦副示意圖如圖2所示，對磨環選用退火態40Cr。磨損實驗參數：(1)溫度400℃，載荷80N，轉速100r/min，觀察WC形態和含量對涂層磨損性能的影響，實驗時間均為1.5h；(2)選取6#樣品(60%微米團聚WC)，載荷80N,轉速100r/min，分別選取不同溫度100，200，300，400℃和500℃，觀察涂層磨損量及摩擦系數隨溫度的變化，實驗時間均為1.5h。磨損實驗前后,摩擦副用精度為萬分之一的FA1104分析天平測量磨損失重, 取3次稱重數值的平均值。

圖2　端面摩擦副示意圖Fig.2　Schematic diagram of the friction pairs

2　結果與分析

2.1激光熔覆WC/Ni基復合涂層的典型形貌

激光熔覆WC/Ni基復合涂層的典型形貌如圖3所示。其中，圖3(a)，(b)與圖3(c)，(d)分別為微米團聚和塊狀WC/Ni基復合涂層的SEM形貌，圖中明亮的白色斑點為WC顆粒，并且WC顆粒彌散分布于合金涂層中。圖3(a)，(b)中WC顆粒呈近似圓形的團聚分布， 其半徑尺寸范圍為10～113μm。由于WC顆粒與鎳基合金密度差別較大，在圖3(c)中的合金涂層底部區域出現了明顯的塊狀WC顆粒聚集現象。圖3(d)為高倍放大下塊狀WC顆粒的典型形貌，可以看出即使高熔點的WC顆粒也出現了部分溶解現象，WC顆粒與鎳基合金有互熔和擴散，顆粒邊緣出現細小的樹枝晶。從圖3(a)，(c)中可看出這些金屬基復合涂層與GCr15基體表現出良好的冶金結合，熔合線處無明顯孔洞、裂紋等缺陷。在最佳工藝參數下，兩種類型的WC顆粒較均勻地分布在復合涂層中并在很大程度上保留了原始形態，僅有較低程度的分解。

2.2WC/Ni基復合涂層的高溫磨損性能

2.2.1WC含量和形態對涂層高溫磨損性能的影響

圖4所示為典型涂層摩擦因數曲線。如圖上、中、下3條曲線分別代表6#，3#，0#涂層摩擦因數曲線，隨著時間的不同三者的摩擦因數分別在0.6，0.5，0.4上下波動。添加60%WC的合金涂層的摩擦因數均高于未添加WC的鎳基涂層，并且添加塊狀WC的涂層的摩擦因數高于添加微米團聚狀WC的涂層。可見，WC硬質相在保護鎳基合金不受磨損的同時提高了涂層的摩擦因數，且當WC為塊狀形態時此作用更加明顯。

圖3　激光熔覆WC/Ni基復合涂層的典型形貌　(a)，(b)微米團聚WC顆粒； (c)，(d)塊狀WC顆粒Fig.3　The typical morphology of laser clad WC/Ni composite coatings　(a),(b)agglomeration WC particle;(c),(d) blocky WC particle

圖4　典型涂層摩擦因數曲線Fig.4　The typical friction coefficient curves of coating

圖5所示為400℃條件下WC含量和形態對熔覆層磨損性能的影響規律。由圖5可見400℃條件下，鎳基合金涂層1.5h磨損失重為52mg，平均摩擦因數為0.405，隨著WC含量的增加，涂層的磨損量減小，平均摩擦因數升高，且不同形態WC復合涂層的磨損量也有明顯差異。圖5(a)中，與鎳基合金磨損量相比，微米團聚WC復合涂層1#(20%WC)，2#(40%WC)和3#(60%WC)的磨損量分別降至34.6%，15.4%和7.7%；塊狀WC復合涂層4#(20%WC)，5#(40%WC)和6#(60%WC)的磨損量分別降至37.5%，17.3%和9.6%。圖5(b)中， 與鎳基合金平均摩擦因數相比，兩種形態WC復合涂層的平均摩擦因數均有很大提高，且微米團聚WC復合涂層平均摩擦因數最大達到0.512；塊狀WC復合涂層平均摩擦因數最大達到0.595。綜合可見，兩種形態WC復合涂層在400℃條件下摩擦磨損性能：較鎳基合金相比均有很大提高，兩者之間亦表現出較大差異。

究其原因：400℃時，從磨屑宏觀形態及其完全不導電兩方面分析，可判斷摩擦過程中即使摩擦環境中氧壓較低，摩擦雙方表面仍然有明顯的氧化跡象。在高溫和接觸應力的雙重作用下， 鎳基合金涂層與對磨環實際接觸面積增大，黏著磨損增加。硬質相WC顆粒使涂層產生彌散強化而使強度和硬度增加，同時WC顆粒本身的硬度很高，使涂層的黏著抗力增大，從而涂層磨損量減小，平均摩擦因數增大。同樣WC顆粒在涂層中的致密度也影響涂層的磨損性能，致密度越高對鎳基合金的保護作用越強，進而涂層的黏著抗力越大。涂層中WC質量分數相同時，微米團聚WC在涂層中的致密度相對要好，所以WC質量分數為20%，40%和60%時，微米團聚WC復合涂層的磨損量均低于相同質量分數塊狀WC復合涂層的磨損量。

2.2.2溫度對涂層磨損性能的影響

圖6　溫度對熔覆層平均摩擦因數和磨損量的影響Fig.6　Influence of temperature on friction coefficient and mass loss of cladding coatings

圖6所示為溫度變化對6#(60%微米團聚WC)復合涂層平均摩擦因數和磨損量的影響規律，從圖6可看出，隨溫度的升高平均摩擦因數呈降低趨勢，磨損量呈升高趨勢。分析其原因：在溫度較低時，摩擦表面氧化較小，此時摩擦因數主要取決于摩擦副本身。復合涂層中致密度較好的硬質相WC顆粒對鎳基合金的“陰影保護效應”較大，減少了摩擦副雙方的黏著抗力，且硬質相WC的抗變形能力強，對摩擦運動阻力大，導致平均摩擦因數高，磨損量小。在溫度范圍100～500℃內，隨著溫度的升高，復合涂層與對磨環摩擦表面之間氧化速率增大且氧化物磨屑生成量增加，氧化物磨屑對復合涂層的磨料磨損作用加大，導致涂層磨損量增大，且復合涂層主要磨損機制由低溫下的磨料磨損轉變為氧化磨損和磨料磨損復合作用。當溫度升高至500℃時，摩擦表面氧化速率劇烈增大且對磨雙方塑性變形增加至切削作用，因此摩擦表面氧化膜磨屑生成量急劇上升，涂層磨料磨損加劇，磨損量大幅度增加。由于在高溫(100～500℃)下氧化膜磨屑生成量增多，磨損表面氧化膜磨屑層覆蓋面積增大，所以平均摩擦因數隨著溫度的升高呈降低趨勢。

2.2.3涂層的磨痕形貌與成分能譜分析

為進一步了解涂層的磨損性能，采用掃描電子顯微鏡對涂層進行磨痕形貌分析。圖7為兩種形態WC硬質相顆粒磨損后的背散射電子SEM照片，從圖7可以看出，微米團聚狀與塊狀WC顆粒在磨損后基本都保持了外形的完整性。因硬質相顆粒與鎳基合金基體冶金結合良好，故在發生磨損時硬質相顆粒不易脫落且摩擦表面磨損較均勻。經磨損碳化鎢顆粒在金屬表面形成了“凸起”，對復合涂層較軟的鎳基基體起到了很好的保護作用，因此，硬質相碳化鎢顆粒的存在使得復合涂層的摩擦因數比單純鎳基合金的明顯提高。圖8所示為400℃下60%微米團聚狀WC復合涂層的磨痕SEM形貌：從圖8(a)中可以看出，3#涂層磨損面上有很少的細劃痕，表明該涂層具有良好的耐磨性；從圖8(b)可以看到灰色氧化膜磨屑致密的填充在白色硬質相WC顆粒周圍，對鎳基合金起到很好的保護作用，在一定程度上減輕了涂層的磨損、提高了涂層的耐磨性。圖9所示為400℃下60%塊狀WC復合涂層的磨痕SEM形貌：與微米團聚WC復合涂層相比，塊狀WC復合涂層磨屑呈片層狀且磨痕分布不均勻、較深且更寬，從而表現出更差的整體耐磨性。究其原因：正是由于塊狀WC復合涂層中硬質相分布不均勻，某些大面積的鎳基區域不能被WC顆粒保護，進而導致對磨環對其切削作用加大；此外，硬質相WC顆粒附近黏著的片層狀氧化膜磨屑與顆粒狀磨屑相比，與基體的結合力較弱且容易在磨損過程中發生脫落，無法對基體起到很好的保護作用。因此，微米團聚WC復合涂層的高溫耐磨性優于塊狀WC復合涂層。

圖7　硬質相WC顆粒磨損后背散射電子形貌　(a)微米團聚WC顆粒；(b)塊狀WC顆粒Fig.7　Back-scattered images of WC hard phase after abrasion　(a)agglomeration WC particle;(b)blocky WC particle

圖8　400℃下3#涂層磨痕SEM形貌　(a)低倍背散射電子形貌；(b)較高倍背散射電子形貌Fig.8　SEM images of laser cladding sample 3# abrasion trace at 400℃(a)back-scattered image at low magnification;(b)back-scattered image at higher magnification

圖9　400℃下6#涂層磨痕SEM形貌　(a)低倍二次電子形貌；(b)較高倍二次電子形貌Fig.9　SEM images of laser cladding sample 6# abrasion trace at 400℃(a)secondary electron image at low magnification;(b)secondary electron image at higher magnification

圖10　3#60%微米團聚WC復合涂層磨痕能譜　(a)A區域；(b)B區域Fig.10　EDS diagram of sample 3# with micro-agglomeration WC 60% abrasion trace　(a)area A;(b)area B

圖11　6#60%塊狀WC復合涂層磨痕能譜　(a)A區域；(b)B區域Fig.11　EDS diagram of sample 6# with blocky WC 60% abrasion trace　(a)area A;(b)area B

對兩種形態WC復合涂層進行磨痕能譜分析，結果如圖10與圖11所示。圖10為60%微米團聚WC復合涂層磨痕能譜(即圖8(a)中A，B區域)，從圖中可知：A區域主要含Fe，O元素，表明A區域表面形成了一定厚度的氧化膜，可對涂層起較好保護作用；而B區域中主要含W元素，表明硬質相WC顆粒在涂層中的致密度較高，從而使Ni基區域得到很好保護。圖11為60%塊狀WC復合涂層磨痕能譜(即圖9(a)中A，B區域)，從圖中可知：A，B區域中Fe，O元素含量都較少，表明整個磨損面上形成的氧化膜很薄，磨損過程中容易發生氧化膜的剝落，很難對涂層起到很好的保護作用；B區域中Ni元素平均含量很高，說明涂層中WC顆粒致密度較低，使得Ni基區域受到的保護作用也較小，導致鎳基合金與對磨環金屬發生黏著磨損。因此，涂層磨痕能譜結果表明：當WC質量分數為60%時，微米團聚WC復合涂層比塊狀WC復合涂層表現出更好的耐磨性。

3　結論

(1)高溫滑動干摩擦磨損實驗表明，硬質相WC顆粒的加入可顯著提高激光熔覆WC/Ni基復合涂層的高溫耐磨性，且隨著WC含量的增加，熔覆層的高溫耐磨性也隨之提高。當WC含量達到60%時，微米團聚和塊狀WC/Ni基熔覆層與Ni基合金熔覆層相比，磨損量分別降至7.7%和9.6%，耐磨性分別提高了13倍和10.4倍。

(2)含量相同，形態不同的WC顆粒對熔覆層的高溫耐磨性也有很大影響。當WC質量分數為20%，40%，60%時，微米團聚WC熔覆層耐磨性比塊狀WC熔覆層分別提高了8.3%，12.5%，25%。硬質相WC顆粒分布越均勻，復合涂層的高溫耐磨性越好。

(3)隨著溫度升高，涂層表面氧化速率加快，同時氧化膜磨屑生成量增多，對涂層的磨料磨損加大。高溫下60%WC/Ni基復合涂層主要磨損機制由低溫下的磨料磨損轉變為氧化磨損和磨料磨損復合作用。

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High Temperature Dry Sliding Friction and Wear Performance of Laser Cladding WC/Ni Composite Coating

YANG Jiao-xi，ZHANG Jian-quan，CHANG Wan-qing，WANG Yan-fang，CHEN Hong，WANG Xi-bing

(Institute of Laser Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Two different types of agglomerate and angular WC/Ni matrix composite coatings were deposited by laser cladding. The high temperature wear resistance of these composite coatings was tested with a ring-on-disc MMG-10 apparatus. The morphologies of the worn surfaces were observed using a scanning electron microscopy (SEM) equipped with an energy dispersive spectroscopy (EDS) for elemental composition. The results show that the high temperature wear resistance of the laser clad WC/Ni-based composite coatings is improved significantly with WC mass fraction increasing. The 60% agglomerate WC/Ni composite coating has optimal high temperature wear resistance. High temperature wear mechanism of 60% WC/Ni composite coating is from abrasive wear of low temperature into composite function of the oxidation wear and abrasive wear.

laser cladding；composite coating；tungsten carbide；high temperature sliding dry friction；wear resistance

楊膠溪(1971-)，男，副研究員，博士，主要從事激光熔覆成形及表面改性技術的研究及應用，聯系地址：北京市朝陽區平樂園100號北京工業大學激光工程研究院(100124)，E-mail: yangjiaoxi@bjut.edu.cn

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.017

TG146.2+3

A

1001-4381(2016)06-0110-07

國家973計劃(2011CB606365-3)；國家自然科學基金(50971004)；研究生創新平臺建設(101000543214524)

2015-03-15;

2016-03-25