鎳基碳化鎢合金粉末組織及性能

方 琳

（東莞理工學(xué)院城市學(xué)院，廣東 東莞 523419）

金屬材料的磨損與腐蝕破壞機械零部件、工程構(gòu)件的兩大主要方式之一，許多行業(yè)零件在腐蝕性環(huán)境下工作，如海洋、化工、石油等。據(jù)統(tǒng)計，由腐蝕造成的經(jīng)濟損失，在石油與天然氣領(lǐng)域每年約100億元，煤炭工業(yè)每年約為55.6億元，而電力系統(tǒng)每年近17億元。這就需要零件具有良好的耐腐蝕性。而鎳基硬合金具有優(yōu)異的耐磨和腐蝕性能，可滿足強磨損、腐蝕工作環(huán)境[1]。鎳基合金可通過堆焊[2]及激光熔覆[3]等方法制備。但激光熔覆制備的鎳基涂層的耐磨性和耐腐蝕性較差，限制了其在惡劣環(huán)境中的廣泛應(yīng)用。為了解決這一問題,通常采用添加合金元素(如鎢、鉻、鉬)、稀土氧化物(如CeO2,Y2O3,La2O3)或二次強化相(如SiC、WC、B4C，TiC)進而提高鎳基涂層的性能[4]。Y.Yan等人的[5]通過復(fù)合40%316L+60%WC粉末，顯著提高合金的硬度，實驗得到的涂層硬度是3Cr13不銹鋼基體硬度的3.1倍。其中WC是常用的耐磨涂層之一，主要用于抵抗嚴重磨損(粘著磨損、磨粒磨損等)，并結(jié)合高溫腐蝕和高溫氧化性能[6，7]。本文研究50%、60%WC鎳基合金在多道激光熔覆下的金屬組織及性能。

1 實驗

試驗基體材料為p20模具鋼，鎳基合金粉末成分見表1，分別配置質(zhì)量配比為鎳+50WC和鎳+60WC的粉末合金。激光熔覆試驗采用武漢銳科品牌的3000W光纖輸出半導(dǎo)體激光器，配置同軸送粉激光熔覆頭,矩形光斑直徑5mm,載氣式送粉1.5克/秒,用氮氣保護，熔覆參數(shù)，激光功率2100W，激光掃描速度7mm/s，激光光斑5mm,多道搭接，搭接率為50%。配置金相試樣，樣品用HCl和HNO31：3的比例體積配置腐蝕液。采用ZEISS Sigma 500型掃描電子顯微鏡(SEM)及牛津X-Max20能譜儀(EDS)對涂成顯微組織和物相進行分析。顯微硬度測量在Nano Indenter G200型納米壓痕儀計上進行，所加平均載荷為120mN，載荷持續(xù)時間為15 s。

表1 鎳基合金粉末成分

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 著色實驗及熔覆表面形貌分析

激光熔覆制備的鎳基+50%WC涂層著色實驗分別見圖1所示。50%WC復(fù)合涂層在激光熔覆具有良好的平整表面，基體與材料結(jié)合好，熔覆層表面無明顯大裂紋。60%WC復(fù)合涂層在激光熔覆具有良好的平整表面，基體與材料結(jié)合好，表面發(fā)現(xiàn)熔覆層表面有一條明顯大裂紋。裂紋原因分析，隨著熔覆的深入，涂層表面逐漸變粗。這可能是連續(xù)的光束掃描會使整個材料溫度升高，熱的積聚造成的。涂層材料是熔化狀態(tài)的，到一定的溫度，導(dǎo)致涂層表面波動和粗糙，甚至裂紋。

圖1 兩種鎳基合金激光熔覆著色實驗

2.2 能譜分析

兩種鎳基復(fù)合材料微觀組織面掃描能譜圖見圖2和圖3。從圖中可以看出熔覆層與熱基體與涂層有明顯的接合面接合面平整，結(jié)合效果好。鎳基+60%WC熔覆層組織比50%的WC的含量更多，分布均勻。從圖2中可以合金涂層組織成分。兩種比例的鎳基合金主要元質(zhì)量成分對比見表2。NI+50%WC中 的Ni占73.89%，W占16.06%，C占3.67，這3主要元素占質(zhì)量分數(shù)和為93.62%；Ni+60%WC中的Ni占46.73%，W占39.83%，C占8.51%，這3主要元素占質(zhì)量分數(shù)和為95.07%。從數(shù)據(jù)分析中，可以看到Ni+60%WC比Ni+50%WC多了23.77%。

圖2 熔覆涂層組織的EDS分析結(jié)果

圖3 鎳基+60%WC能譜分析

表2 兩種鎳基WC合同熔覆層各微區(qū)主要成分（質(zhì)量百分數(shù)%）對比

2.3 納米壓痕實驗及分析

微觀結(jié)構(gòu)中取若干個塊狀小塊，選取組織顆粒，由涂層表面到基體均勻取多個點，進行納米壓痕實驗測試，計算多個點的壓入深度的、彈性模型、硬度平均值。

每個點測試了1015個數(shù)據(jù)，Ni+50%WC和Ni+60%WC分別見圖4及圖5，從圖，可以看到從基體到涂層表面橫截面的彈性模量和硬度逐步增加。50%和60%WC+Ni合金及材料在最大載荷壓力下的位移偏移量分別為1241.2nm，980.2nm；最大硬度值分別為20.1GPA，35.9GPA；彈性模量值為369.16GPA，580.3GPA。兩種材料在最大的載荷下位移偏移量相差858.9nm，最大硬度偏差量為15.8GPA，彈性模量偏差211.1GPA。從數(shù)據(jù)分析，可以看到Ni+60%WC比Ni+50%WC具有更好的硬度，從而驗證了耐磨性也比較好。

圖4 兩種鎳基WC合金熔覆層彈性模量實驗

圖5 鎳基+50%WC熔覆層納米壓痕實驗

3 總結(jié)

配置50%、60%的Wc的鎳基合金，通過激光熔覆的方式提高模具剛的性能，在能譜分析實驗中，看到各元素均勻分布，隨著Wc的含量的增加，涂層表面出現(xiàn)了微裂紋，納米壓痕實驗發(fā)現(xiàn)從基體、熔覆結(jié)合面、熔覆層到涂層表面硬度逐步增加，涂層組織致密及基體冶金結(jié)合，從實驗中可論證鎳基WC合金可有效的提高基體性能，適用于耐磨的場合。