激光熔覆WC/316L復合涂層結構及磨損性能*

董 會，惠瑞亮，趙鑫哲，袁天磊

（1.西安石油大學 材料科學與工程學院，西安 710065；2.西安市高性能油氣田材料重點實驗室，西安 710065）

0 前 言

隨著石油化工、電力、航空航天等行業的發展，服役環境對結構件的耐磨性能要求越來越高[1-2]。譬如，牙輪鉆頭是石油、礦山鉆探設備的重要構件，井中的溶解鹽、固相顆粒等會促使牙輪鉆頭發生磨損、斷裂，而牙輪鉆頭成本約占鉆孔成本的40%[3]。因此，采用表面技術在構件表面制備高硬耐磨涂層對提升鉆采效率與構件壽命、降低成本具有重要意義[3-5]。

WC增強金屬基復合涂層因高硬度、高耐磨特點，且能與Fe基、Ni基、Co基涂層具有良好的潤濕性，廣泛用作耐磨件涂層[6-7]。WC增強金屬基復合涂層制備方法主要有熱噴涂、激光熔覆等，激光熔覆具有低稀釋率、基體與涂層為冶金結合等優點，在石油化工、電力等行業得到廣泛應用[8]。激光熔覆過程中，W2C、Fe3W3C等次生化合物可作為形核中心，增加形核率，促進二次枝晶形成，提升熔覆層硬度[9-11]。WC 高溫分解成的W、C 與Ni、Cr等元素易形成高硬度新相，發揮彌散強化作用[12]。但WC高溫分解時易形成CO、CO2，在熔覆層中形成氣孔[11]。另外，由于WC與金屬基母相的線膨脹系數存在一定差異，當WC含量增加至一定數量時熔覆層會出現縱向裂紋等缺陷[13]。當WC質量分數為20%時熔覆層未出現裂紋，摩擦性能較好[14]。WC質量分數為20%時熔覆層硬度較低，還有提升空間，但當繼續增加WC含量時，WC顆粒下沉數量增多，硬質顆粒間發生接觸，影響熔覆層結構連續性[15-16]，這不僅會惡化WC顆粒分布均勻性，還會在熔覆層內部造成微裂紋，使得弱結合WC顆粒數量增加，降低熔覆層耐磨性能。

研究表明，增加輔助場，如感應加熱、磁場、機械振動和超聲振動，可以提升WC 顆粒分布均勻性[17-20]。感應加熱雖然可以在一定程度上提高均勻性，但作用力易導致涂層產生裂紋[17]。外加電磁場不僅可以降低WC 分解量還可以提升WC 分布均勻性，但會使熔池溫度升高，形核率下降，導致涂層晶粒粗大，影響涂層力學性能[18]。在機械振動的作用下WC 均勻性提高，涂層氣孔和裂紋等缺陷明顯降低，但機械振動易造成組織成型差，產生松動[19]。采用超聲輔助場，可以使組織結構均勻化，提高WC 均勻性，但超聲熱效應會導致WC分解量增加[20]。

綜上，外場輔助可以在一定程度上改善涂層的性能與WC分布均勻性，但是仍然存在問題尚未解決。研究表明，低熱輸入量可以提升熔池粘度，降低WC 分解[21-22]。粘度的提升導致熔池浮力增加、輔助激光熔覆凝固速度快的特點，可以有效緩解WC下沉問題，降低裂紋、氣孔的產生幾率。

基于此，本研究通過控制熱輸入量制備WC/316L 復合熔覆層，研究低熱輸入量時WC的溶解與分布特征，以及高WC含量對裂紋和氣孔的影響，并探究了熔覆層的硬度與摩擦磨損性能。

1 試驗方法

基材選用Q235鋼，尺寸為150 mm×150 mm×13 mm，熔覆前采用噴砂除銹。熔覆層材料為316L與WC的混合粉末，比例為1∶1。采用機械混合的方式將兩種粉末混合10 min，至二者混合均勻，然后將混合粉末送入送粉器。圖1為316L粉末微觀形貌，316L 為實心粉末，呈現無規則形貌，尺寸為45 ～75 μm。WC 為實心粉末，呈球形，尺寸為50 ～100 μm。

圖1 316L粉末微觀形貌

熔敷前混合粉末在120 ℃烘干1 h以上。激光熔敷參數見表1。熔覆后將熔敷層切割成20 mm ×20 mm 的金相試樣，使用不同型號砂紙（180#、400#、800#、1 000#、1 500#、2 000#）打磨試樣，再采用粒度1.5 μm的金剛石拋光液拋光試樣。采用JSM-6390A型掃描電鏡及能譜分析儀分析熔覆層結構、成分及摩擦磨損表面形貌與成分。采用斷面測試熔覆層硬度，載荷為300 g，加載時間為10 s。以熔覆層表面為初始位置，每隔200 μm測試1個硬度，至基體側3個測試點硬度相同為止。采用銷盤摩擦副測試熔敷層摩擦磨損性能，摩擦副選用GCr15，熔覆層磨損試樣尺寸為Φ4.8 mm ×12.7 mm，加載力為50 N，測試時間為5 min，轉速為100 r/min。

表1 激光熔敷參數

2 結果與分析

2.1 熔覆層組織形貌與成分

圖2為激光熔敷層宏觀形貌，熔敷層表面具有金屬光澤。文獻研究表明，激光熔敷制備WC涂層時，涂層易出現裂紋與氣孔[9,13,23]。基于圖2宏觀形貌可知，本研究熔敷層表面未出現明顯裂紋與氣孔，可初步判斷低熱輸入量可以在一定程度上降低氣孔、裂紋的數量，提升熔覆層致密性。

圖2 激光熔覆層宏觀形貌

圖3 為熔覆層斷面形貌，圖中白色襯度為WC 顆粒，灰色襯度為316L。WC 質量分數為50%時，熔覆層沒有明顯的氣孔和裂紋。與高熱輸入量的WC 出現明顯下沉相比[24]，本研究制備的熔覆層中WC 顆粒沒有發生明顯下沉。圖3 中局部黑色圓形缺陷為金相試樣制備過程中WC 顆粒脫落遺留的坑洞，不是制備過程中的氣孔。本研究熔覆參數決定了熱輸入量較低，部分WC 顆粒與316L之間的結合力較弱。金相制備過程中，弱結合WC 顆粒發生剝落，形成圖3 所示坑洞。弱結合硬質顆粒剝落易造成磨粒磨損，加劇熔覆層與對磨材料磨損。另外，弱結合的WC 顆粒會造成應力集中，可能導致摩擦磨損過程中發生疲勞磨損[25]。因此，低熱輸入量時，未出現微裂紋等問題，但仍然會導致熔覆層出現弱結合缺陷。

圖3 激光熔覆層斷面形貌

激光熔覆過程中，WC 通常會發生分解。在本研究低熱輸入的情況下，WC 顆粒同樣發生了分解，但還有大量WC 硬質顆粒保留在涂層。熔覆層中大顆粒WC 質量分數約為35%。因此，熔覆層制備過程中，約15%的WC發生分解。由于WC和316L顆粒為機械混合，在密度、重力、浮力和拖拽力等因素的影響下，混合粉末送粉不均勻，導致WC 大顆粒在熔覆層的分布不均勻[15-16,26]。但是粘度較高的金屬溶液在一定程度上提升了WC 浮力，有利于緩解下沉問題。因此，本研究熔覆層中的WC 大顆粒沒有發生明顯下沉，沿著涂層厚度方向分布較為均勻，但送粉均勻性導致WC沿平面分布不均勻。

WC 在進入熔池后會與液態Fe、Cr 等發生冶金結合，熔覆層中會有新的產物生成，反應產物會影響熔覆層的組織結構。圖4 為熔覆層形貌及WC 與316L 結合區域界面特征，熔覆層不同位置的能譜分析結果見圖5 和表2。基于圖4、圖5 可知，大部分WC 和316L 形成了冶金結合，熔覆層中除316L 和WC 外，還生成了新相。從表2 與圖5 結果可知，白色襯度2 為原始WC硬質顆粒，灰色襯度1、黑色襯度3 均為WC 分解后與316L 生成的新相。基于化學成分可知，分別為W2C 和Fe3W3C。熔覆過程中，未分解的WC、W2C、Fe3W3C 可作為形核中心，促進二次枝晶形成，提升熔覆層硬度[27]。另外，WC 硬質顆粒會因為和基體膨脹系數、晶粒尺寸、位錯運動以及WC 的分布的情況而產生細晶強化、固溶強化以及彌散強化[6,9,14]。WC 在一定限度時可有效提高復合材料的硬度和耐磨性能，但WC 顆粒會對基體造成割裂效應。另外，如圖3所示，弱結合WC 顆粒脫落會大幅度降低熔覆層耐磨性，導致磨粒磨損。因此，低輸入量可以提升WC 分布均勻性，但是會影響部分WC 顆粒的結合強度。

表2 圖4中標記區域的化學成分

圖4 熔覆層形貌及WC與316L結合區域界面特征

圖5 熔覆層不同位置的能譜分析圖

2.2 熔敷層硬度

熔覆層的斷面顯微硬度分布如圖6 所示。由于激光熱輸入量較低，熔覆層沒有明顯的過渡區，靠近表面區域熔覆層硬度約為580HV0.3，靠近基體的硬度約為640HV0.3。由表層到界面，熔覆層的硬度逐漸升高，這主要是熔覆過程中WC 下沉導致。因此，低熱輸入量時，截面形貌顯示WC 深度方向分布較為均勻，對WC 大顆粒的分布均勻性有較大改良，但仍存在WC 下沉問題。

圖6 熔覆層斷面顯微硬度

2.3 摩擦磨損結果

摩擦磨損結果顯示，復合涂層與GCr15對磨時，摩擦系數為0.49±0.04，熔覆層磨損率約為0.35 mg/（N·min）。由于其熱輸入量仍然偏高，硬質相出現熔化，因此降低熱輸入量是進一步提升熔敷層硬度與耐磨性的可行性途徑。提升掃描速率可以降低熱輸入量，但是該方法會造成熔覆層缺陷密度增加。從熔覆層斷面結構可知，金屬相在900 W的激光功率下完全可以熔化，并形成致密熔覆層，但WC 仍然發生了分解。繼續降低激光功率，可以降低熱輸入量，進一步降低WC 分解量，但是易造成WC 顆粒弱結合問題，需要進一步調節熱輸入量與送粉率之間的關系，提升弱結合WC顆粒結合強度。

圖7 為熔敷層的磨損形貌，從圖7 可見，試樣表面呈現明顯的犁溝形貌，為典型的磨粒磨損形貌[8]。本研究熔覆條件下，由于WC 高含量與激光低熱輸入量，熔覆層存在一定數量的弱結合WC 顆粒。摩擦磨損過程中，WC 顆粒脫落形成熔敷層-硬質顆粒-對磨樣的三體磨損，硬質顆粒對熔敷層形成切削、擠壓作用，發生磨損。有文獻表明，弱結合顆粒可能造成疲勞磨損[25]，但圖中未發現疲勞磨損形貌。本研究條件下制備熔敷層中的WC 顆粒盡管有一定量的弱結合，但是未達到脫落形成微裂紋的程度。因此，熔覆層主要發生磨粒磨損。

3 結 論

（1）低熱輸入量可以提升熔覆層厚度方向WC 顆粒分布的均勻性，但存在WC 顆粒平面分布均勻性與弱結合問題。熔覆過程中，粉末中15%的WC發生分解。

（2）當316L熔覆層WC為50%時，熔覆層硬度高于580 HV0.3，硬度與基體相比提高了2倍。

（3）在本研究摩擦磨損條件下，熔敷層均以磨粒磨損為主，摩擦系數約為0.49，磨損率約為

0.35 mg/（N·min）。

（4）通過降低激光熔敷熱輸入量，可制備WC厚度方向較均勻的復合涂層，提升熔覆層耐磨性，但需要優化WC平面分布均勻性與弱結合問題。