強流脈沖電子束改性石墨／硬質(zhì)合金自潤滑涂層性能

摘 要：【目的】硬質(zhì)合金是一種以微米級難熔金屬化合物（ＷＣ、ＴａＣ、ＴｉＣ、ＮｂＣ）粉末為硬質(zhì)相，以過渡族金屬（Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ）粉末為燒結(jié)黏結(jié)相，經(jīng)高溫燒結(jié)制備而成的合金。硬質(zhì)合金因具有高硬度、高強度、耐磨耐腐蝕性和良好高溫性能，被廣泛應用于刀具材料等工業(yè)領(lǐng)域，被稱為“工業(yè)牙齒”。隨著我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，航空航天、海洋工程、數(shù)控機床、軌道交通、核工程、新能源、先進醫(yī)療裝備、環(huán)保節(jié)能裝備等高端制造產(chǎn)業(yè)對高性能高穩(wěn)定性刀具材料的需求越來越大。采用涂層鍍膜等表面處理方法將固體潤滑劑涂覆在刀具表面，或?qū)⒐腆w潤滑劑作為添加劑加入刀具材料基體，利用固體潤滑劑高溫穩(wěn)定的優(yōu)點，在服役刀具表面形成連續(xù)的固態(tài)潤滑層，有利于刀具性能的進一步提升。【方法】以ＷＣＣｏ硬質(zhì)合金粉末（粒徑１５～４５μｍ）為耐磨組元，以石墨粉末（粒徑８０～２００μｍ）為固體潤滑劑，通過球磨法制備球形復合粉末，采用等離子噴涂工藝將復合粉末沉積為石墨／ＷＣＣｏ涂層，采用強流脈沖電子束（能量密度２７ｋｅＶ、脈沖間隔１５ｓ）進行輻照處理，輻照次數(shù)為１、１０、２０和３０。對處理后涂層的顯微組織和力學性能進行觀察。【結(jié)果】采用強流脈沖電子束處理后，重熔涂層表面致密平整，改性層厚度可達２９４μｍ，表面硬度最高可達８００ＨＶ，平均摩擦系數(shù)最低可降至０１０。顯微結(jié)構(gòu)分析表明，強流脈沖電子束輻照后涂層表面生成納米尺寸的ＷＣ相、Ｃｏ３Ｗ９Ｃ４相和類金剛石結(jié)構(gòu)，使涂層表面顯微硬度大幅提高；電子束使涂層表面大塊石墨溶解后重新析出，生成橢球狀石墨，同時石墨在電子束作用下分離成石墨烯片層，均勻覆蓋在涂層表面，有效降低了涂層表面的摩擦系數(shù)；部分石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸Y(jié)構(gòu)，有效提升了涂層的表面硬度。【結(jié)論】采用熱噴涂沉積和強流脈沖電子束改性的兩步技術(shù)，制備了表面均勻、致密細小的ＷＣＣｏ合金，誘導了球狀石墨、石墨烯和金剛石共同組成復合碳結(jié)構(gòu)，有效提高了涂層的硬度并降低表面的摩擦系數(shù)。所制備的納米復合自潤滑涂層為高端裝備制造刀具行業(yè)提供了一種新材料。

關(guān) 鍵 詞：強流脈沖電子束；石墨／硬質(zhì)合金涂層；石墨烯；金剛石；耐磨性能；顯微組織；相組成；摩擦磨損性能

中圖分類號：ＴＧ１３５ 文獻標志碼：Ａ 文章編號：１０００－１６４６（２０２５）０１－００５３－０８

硬質(zhì)合金是以高硬度金屬碳化物為主要成分，以鈷或鎳等為黏結(jié)劑的粉末冶金制品，其具有較高的硬度、強度和良好的耐磨性與耐腐蝕性，其中ＷＣＣｏ基硬質(zhì)合金涂層被認為是最耐用的表面防護材料之一，被廣泛應用于機械工程等領(lǐng)域［１－５］。在使役環(huán)境下，硬質(zhì)合金材料在滑動摩擦過程中，局部會發(fā)生塑性變形，Ｃｏ相被擠出表面，ＷＣ顆粒失去支撐而脫落，已脫落的磨屑將在材料表面形成磨粒磨損，從而影響合金的性能［６－９］。目前，研究人員主要通過高能束加工處理方式來提高材料的耐磨性能［１０－１３］。ＸＵ等［１４］研究了平均能量密度為３Ｊ／ｃｍ２的強流脈沖電子束（ＨＣＰＥＢ）輻照ＷＣ６Ｃｏ硬質(zhì)合金的表面微觀結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果表明，強流脈沖電子束可以使ＷＣ顆粒發(fā)生重熔，合金表面因此更加平整致密。當輻照處理２０次時，由納米顆粒（粒徑２０～１００ｎｍ）ＷＣ１－ｘ和Ｃｏ３Ｗ９Ｃ４相混合物組成的顯微組織可以使合金表面顯微硬度和耐磨性能顯著提高。

通過添加第二相（如ＣｕＭｏＳ２、Ｃｕ／ＢＮ、石墨等）制備自潤滑涂層可以起到減摩耐磨的效果，談慶瑤等［１５］制備了電火花間隔沉積石墨／硬質(zhì)合金涂層，石墨可以使涂層具有良好的耐磨性能。在對石墨的研究過程中，ＬＵ等［１６］采用脈沖寬度為２μｓ的強流脈沖電子束直接輻照石墨顆粒，厚度約為１０μｍ的石墨顆粒表面層可轉(zhuǎn)化為石墨烯納米片，轉(zhuǎn)化率為９５％。這表明強流脈沖電子束可以促使石墨發(fā)生相轉(zhuǎn)變，生成強度更高的石墨烯。

本文將石墨添加到ＷＣＣｏ硬質(zhì)合金中，制備等離子噴涂石墨／硬質(zhì)合金復合涂層。采用ＨＣＰＥＢ進行輻照表面改性以誘導石墨的相變，通過觀察石墨的形態(tài)與組態(tài)，研究多碳結(jié)構(gòu)對硬質(zhì)合金涂層組織與性能的影響。