微束等離子熔覆Ni基合金/Co-WC復合材料組織與性能研究

王勤生

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院無錫分院，江蘇 無錫 214174）

為了提高金屬部件表面的理化性能，如抗磨、耐蝕、耐高溫、抗沖擊、抗氧化等，工程上常采用化學熱處理（滲碳、滲氮等）、噴丸、冷擠壓等方法。化學熱處理適合批量生產，成本較高；噴丸、冷擠壓等物理方法雖然能提高材料表硬度，但要想達到很高的硬度（如HRC60 以上），這種方法并不可行。金屬材料的表面改性處理，除了應用上述方法外，還常采用熱噴涂、焊條堆焊等方法，熱噴涂方法易使涂層氧化、工件變形大；焊條堆焊方法雖然能使堆焊層獲得較高硬度，但其化學成分固定，不能獲得多方面的優異性能，且不利于開展科學研究。近年來，激光熔覆成為金屬材料表面改性的重點和有效手段，其優點是熱變形小、熔覆層材料性能穩定，缺點是激光器價格較高、一次性投資大，且激光器零部件易損壞、維修率高，尚處于研究階段，其工業應用受到一定限制。

等離子體是經過機械、熱、電磁壓縮后所形成的高能離子束，其弧柱熱能集中，弧心最高溫度可達32000K，能熔化幾乎所有的金屬或陶瓷材料，且設備簡單、便于操作、價格適中，是一種較理想的熔覆處理熱源。微束等離子熔覆處理技術是以小電流（小于100A）操作，具有金屬結構件變形量小，熱影響區小，母材與堆焊層之間為冶金結合、涂層不氧化、金屬稀釋率低等優點，適合高摩擦、高沖擊、強腐蝕工況下金屬構件的表面處理，是一種發展前景非常廣闊的金屬表面改性處理新技術。

本文利用微束等離子熔覆處理技術，采用Ni 基合金/Co-WC 復合材料粉末，在母材表面熔覆形成一層冶金結合的熔覆涂層，通過冶金層微觀組織檢驗和耐磨性試驗，對微束等離子復合材料熔覆層組織與性能進行了全面的分析研究。

1 實驗內容與方法

1.1 實驗材料

將Q235A 普通低碳鋼板加工成100×70×12 的試板，在其表面采用微束等離子熱源，熔覆Ni60AA、Co-WC 復合材料粉末，粒度為70～150 目，熔覆層化學組成如表1 所示。

表1 熔覆層化學組成

1.2 熔覆工藝

采用上海多木機電科技有限公司生產的DML-V02 型微束等離子熔覆強化設備，進行試板表面熔覆。工藝參數：氬氣純度99.99%，送粉量47g/min，等離子體流量0.25L/min，保護氣流量5.5L/min，離子炬到工件表面距離10mm，電流72A，采用手工焊單道熔覆，熔覆層厚度約2mm。

1.3 分析測試方法

將熔覆后的試樣沿垂直熔覆方向進行線切割，表面及橫斷面經打磨、拋光后，加工成金相試樣，用王水對試樣表面進行腐蝕。在光學顯微鏡下，觀察熔覆層截面金相組織；對熔覆層物相進行X 射線衍射分析；用顯微硬度計，對熔覆層及界面附近進行硬度測試。采用“自重式摩擦磨損試驗機”對熔覆層進行干摩擦耐磨試驗。

2 實驗結果與討論

2.1 熔覆層微觀組織

圖1 熔覆層微觀組織

如圖1 所試示，為熔覆層微觀組織圖。圖(a)中，右側是Q235A 鋼板基體，左側為熔覆層，熔覆層與基體之間有過渡區，在過渡區右邊有與基體表面垂直生長的平面結晶帶，與基體金屬為冶金結合。圖(b)為熔覆層中間部位的顯微組織，組織為典型柱狀樹枝晶。圖(c)為熔覆層表面顯微組織，組織為典型等軸樹枝晶，從圖中可以看出，該區域組織致密均勻、形態良好。

上述熔覆層結晶形態主要受控于熔池溫度梯度大小和結晶速度快慢。結晶開始時，由于熔池的結晶速度小，且熔化邊界處溫度梯度大，故而形成平面結晶；后隨著結晶的進行，液態金屬溫度逐漸降低，熔池結晶速度增大，且其周圍又是剛剛凝固的金屬，故而溫度梯度變小，其結晶形態由平面向柱狀晶轉變；最后隨著溫度梯度的持續變小，便形成了等軸樹枝晶。

2.2 復合熔覆層物相結構

圖2 為熔覆層物相結構XRD 圖譜，方形對應3 個主峰，其物相結構為FeCr0.29Ni0.16C0.06 與Ni17W3 疊加而成，圖中的倒三角對應的晶體結構為Fe2B。

硼化物與金屬間化合物相硬度遠高于奧氏體相，在磨損過程中其作用是作為硬質顆粒，起到承受載荷和保護基體的作用。奧氏體相具有較高的韌性、耐沖擊，同時對硼化物與金屬間化合物相有穩定的包裹和支撐作用，從而可發揮硼化物與金屬間化合物優良的耐磨性能。

圖2 熔覆層物相結構XRD 圖譜

2.3 復合熔覆層顯微硬度

復合熔覆層顯微硬度分布規律如圖3 所示，從表面向基體呈現逐漸下降的趨勢。表層下硬度達HV334，顯微組織為等軸樹枝晶，硬度較高；熔覆層中間部位組織為粗大柱狀樹枝晶，硬度降低；在熔覆層與基體的結合區，顯微組織為平面晶，同時受到基體的稀釋作用，碳與金屬原子會發生短程遷移，其硬度將大幅度下降，逐漸接近基體的硬度約HV143。

在復合材料等離子熔覆過程中，由于等離子束能量集中，可幾乎同時使熔覆金屬粉末和基材熔化，基體材料將熔入涂層，稀釋涂層，使涂層硬度顯著降低。有研究表明：熔覆層與界面附近的硬度梯度分布，主要受稀釋率的影響。從熔覆的目的來說，希望熔覆層稀釋率較小，以發揮復合材料冶金層的優異性能，另外，考慮金屬結構實際使用工況苛刻，希望熔覆層金屬與基體材料之間有較高的結合強度，使得熔覆層不易剝落，所以熔覆層金屬與基體材料之間必須是通過冶金結合，即要有一定的稀釋率。因此，在試樣加工過程中，既要保證熔覆層與基體間有一定的稀釋率，又要控制稀釋率不能太高，這樣才能發揮材料復合冶金層的優異性能。

圖3 復合熔覆層顯微硬度分布規律

2.4 干摩擦磨損試驗

干摩擦磨損試驗采用中國計量學院研發的“自重式摩擦磨損試驗機”，磨具為石英砂（粒度80 目），所加載荷12N，干摩擦試驗，試驗時間15min，對比試樣有：Ni60AA熔覆層試板、Q235A 試板，Ni60AA/Co-WC 復合粉末熔覆層試板。試樣數量：每種材料兩件。實驗結果如表2 所示。

表2 干摩擦磨損試驗結果

復合粉末熔覆層與Q235A 的相對磨損率為，復合粉末熔覆層與Ni60AA 的相對磨損率為，由上述數據可見，復合粉末熔覆層干摩擦試驗具有很高的耐磨性。

試驗中，復合粉末熔覆層的磨損結果顯示主要為磨粒磨損，磨損量主要受控于熔覆金屬表面硬度及硼化物和金屬間化合物在材料中的分布規律，硼化物和金屬間化合物含量越高，則耐磨性越好，同時奧氏體相對硼化物與金屬間化合物的包裹與支撐作用也不容忽視。

3 結語

（1）Ni60AA/Co-WC 復合粉末熔覆層與Q235A 碳鋼基體呈冶金結合，結晶形態從基體材料表面的平面晶向外過渡到柱狀晶以及近表層的等軸樹枝晶。

（2）Ni60AA/Co-WC 復合粉末熔覆層物相結構為奧氏體不銹鋼FeCr0.29Ni0.16C0.06 晶粒分布有Fe2B、Ni17W3，增強了復合層的強韌性和耐磨性。

（3）熔覆層金屬的顯微硬度值從表面往基體呈逐漸降低趨勢，近表層的硬度可達HV334。

（4）復合粉末熔覆層耐磨性大幅提高，分別為Ni60AA的19.4 倍，Q235A 的26.4 倍。