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第27卷第4期
硬 質 合 金
2010年8月
Vo1.27 No.4
CEMENTED CARBIDE
Aug.2010
壹材料科學
帶a 恭帶
doi:10.3969 ̄.issn.1003-7292.2010.04.002
1 7—4PH不銹鋼基體激光熔覆制備
球形Wc/Ni基復合涂層
楊膠溪 雷 麗 丁 嘯 王喜兵 郭 江 左鐵鉚l
(北京工業大學激光工程研究院,北京100124)
摘 要 為了制備高性能耐磨帶,提高工件的使用壽命,利用激光寬帶熔覆技術在17-
4PH不銹鋼表面沉積鎳基合金做為過渡層,然后熔覆球形WC/Ni基復合涂層。對激光
熔覆層分別采用掃描電鏡(SEM)、能譜儀(EDS)、X射線衍射(XRD)等檢測分析手段進行
形貌觀察、成分分析、物相表征等,并使用MMG一10型摩擦磨損試驗機進行涂層耐磨性
能測試。研究結果表明,采用激光熔覆技術可制備高質量WC/Ni基復合涂層,碳化鎢質
量分數達到65%,涂層冶金質量、裂紋尺寸、稀釋率等滿足技術要求。復合涂層的耐磨
性為鎳基合金的l5倍,但其平均摩擦系數(0.926)高于鎳基合金(O.762)。
關鍵詞 激光寬帶熔覆;球形碳化鎢;復合涂層;耐磨性能
Fabrication of Spherical WC/Ni-based Composite Coating on 17-4PH Stainless Steel by
Laser Cladding
Yang Jiaoxi Lei li Ding Xiao Wang Xibing Guo Jiang Zuo T&chuan
(Insittute of Laser Engineering,Beijing University fo Technology,Beijing 100124,China)
ABSTRACT In order to fabricate high performance wear flrea and increase the service life of the component,the Ni—
based alloy was deposited by wide—band laser cladding technique on 17-4PH stainless steel as the buffer layer and then
the spherical WC/Ni based composite coating Was deposited.The mo ̄hdogy of hte laser cladding coating was observed by
scanning electronic microscope(SEM),the composiiton was analysed by EDS,the phase transformation was characterized
by XRD and the wes.F resistance was tested by MMG-10 abrasion machine.The results show that high quality WC/Ni
based composite coating comprising 65%of tungsten carbide Can be fabricatde by laser cladding technique.The metlalu ̄
gical quality,crack size and dilution rate of the coating can meet the speciifcation
.
The wear resistance of the composite
coating is about 15 times as much as the Ni—based alloy and its average firction coefficient f0.926)is higher than Ni—
based alloy(0.762).
KEY WORDS wide—band laser cladding;spherical tungsten carbide;composite coating;wear resistance
基金項目:國家科技計劃“973”項目(2006CB605206—3);國家自然科學基金項目(5O971004);北京市科技創新平臺一一短流程激光制造平
臺(1010005366901)
作者簡介:楊膠溪f1971一).男.博士。副研究員,主要從事激光表面改性技術的研究及應用。E-maih yangijiaoxi@bjut.edu
.
cn
?
200? 硬 質 合 金 第27卷
17-4PH為沉淀硬化型不銹鋼,該材料具有良
好加工性、耐蝕性以及高強度等特性,被廣泛應用于
石油、化工、能源、航天等領域【l】。然而,由于常規處
理后17—4PH不銹鋼基體硬度范圍為HRC28~46t2],
在一些要求較高的服役條件下,其表面磨損較為嚴
重,耐磨性達不到使用要求。因此,關于17—4PH不
銹鋼的熱處理強化及表面強化等研究一直在繼續。
激光熔覆技術作為表面技術的一種重要手段。
在特殊涂層材料制備方面具有較高的精確性和靈活
性,得到越來越多的重視和應用【3卅。激光熔覆技術
在制備大面積的碳化鎢復合涂層方面具有一定優
勢,與傳統的粉末冶金【5 等技術相比,該技術不受工
件形狀復雜程度以及尺寸大小的限制,可在工件表
面靈活制備厚度較大(厚度高達3-5 mm)的耐磨、
耐腐蝕、超硬復合涂層,熔覆層與基體材料冶金結合
且對基體的熱處理狀態和性能影響較小,冶金質量
優于噴涂、堆焊等技術同。激光熔覆方式制備碳化鎢
超硬復合涂層是一種重要方法,并具有非常良好的
應用前景,成為適合石油、化工等部件表面強化和修
復的加工方式 。激光熔覆碳化鎢超硬復合涂層與
零件基體的力學性能存在較大差異,在激光制備涂
層時裂紋傾向較高。采用激光熔覆過渡層或梯度材
料的工藝措施可明顯緩解材料內部應力嗍。本文以
耐腐蝕較強的17—4PH不銹鋼為基材,先施加過渡
層,再激光熔覆球形碳化鎢與鎳基合金的復合粉末,
得到高質量涂層,提高其服役性能。
1試驗材料及方法
激光熔覆試驗用基體材料為17-4PH不銹鋼,
管狀樣件尺寸為:外徑120 mm,內孔75 mm,長度
75 mm。過渡層粉末材料為鎳基合金,鎳基合金粉末
的化學成分(文中含量均為質量分數)為:<0.5%C、
8%~l0%Cr、3%~3.5%Si、2%~3%B、<3%Fe、余量Ni,
粉末粒度為一140~+325目。超硬復合涂層粉末材
料為65%的球狀WC與35%Ni基合金混合粉末,
WC粉末粒度為一9O~+300目。
涂層制備設備為Trumpf6000高功率CO 氣體
激光器及五軸聯動機床。激光束經焦距為270 mm
的積分鏡整形,獲得光斑尺寸為8.0 mm ̄2.4 mm的
矩形激光束。熔覆時采用側向同步送粉方式,氬氣
保護,噴嘴送粉口為相應尺寸的矩形。在激光熔覆
樣件上截取金相試樣,用LEO1450掃描電子顯微鏡
(SEM)分析熔覆層的微觀組織,用其附件X射線能
譜儀(EDS)分析涂層表面的化學成分。使用德國布
盧克D8型X射線衍射儀進行物相分析。
使用MMG一10型端面摩擦磨損試驗機對激光
熔覆材料進行耐磨性能評價。圖1為端面摩擦副的
示意圖,工作時環狀上摩擦副與盤狀下摩擦副進行
相對旋轉。本實驗中上摩擦副材質選用退火態的
40Cr鋼,尺寸為:外徑28 mm,內孔22 mm,高度12
mm。下摩擦副為圓盤狀,如圖2所示,材質為
GCrl5,尺寸為:‘p 43 mm ̄4 mm,其上表面加工環形
溝槽,溝槽深度為1 mm,在環狀溝槽內熔覆測試材
料,機械加工后得到平整表面。
2試驗結果與討論
2.1復合涂層的激光熔覆樣品制備
激光熔覆過渡層為鎳基合金,其粉末顆粒形貌
如圖3所示,超硬復合涂層(65%球狀WC與35%Ni
基合金混合粉末)的粉末顆粒形貌如圖4所示。
首先在17—4PH不銹鋼樣件的外表面進行鎳基
合金過渡層的激光熔覆,工藝參數:激光功率4 200
w,圓周方向線速度300 mm/min,送粉量15 g/min,
搭接率40%;然后進行WC/Ni復合涂層的激光熔
覆,工藝參數:激光功率3 600 W,圓周方向線速度
260 ram/rain,送粉量25 g/min,搭接率4O%。最終獲
得的涂層總厚度為3 mm(過渡層1 mm,復合涂層2
mm)。圖5為激光熔覆的樣件及其取樣。由圖5(a)
可以看出激光熔覆層質量較好,表面平整且厚度均
勻,整個涂層出現一定數量的裂紋,裂紋的尺度及分
布符合設計要求。在樣件的橫截面上進行線切割取
樣,如圖5(b)所示,切片厚度12 mm。將切割面進行
打磨,用王水侵蝕,涂層以及熱影響區的宏觀形貌如
1.上摩擦副;2.下摩擦副;3.安裝孔
圖l端面摩擦副示意圖
?
202? 硬 質 合 金 第27卷
圖5(c)所示。涂層中亮帶為過渡層,灰色的最外層
為WC/Ni基合金復合涂層,熱影響區的深度為2.5—
3.0 mm。最后從樣片的中間位置截取12 mmxl2 mmx
復合涂層下部靠近過渡層的區域,可以看出激光熔
覆復合涂層與過渡層以及過渡層與基體之間均實現
了良好的冶金結合。
2.3復合涂層的成分及物相分析
12 mm的金相樣品,經打磨、拋光后用王水腐蝕。
2.2復合涂層的顯微組織
用LEO1450掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析
為考察激光熔覆之后WC/Ni基合金復合涂層
的成分,對圖6(a)方框區域進行面掃描,得到該區
熔覆層的微觀組織。圖6(a)是激光熔覆層的低倍背
散射電子顯微照片,顯示了帶有搭接區及部分過渡
域平均成分,其能譜圖如圖7所示。由能譜分析結果
可知,熔覆復合涂層中的主要元素含量為:63.18%
層的形貌,圖中白色球形顆粒為碳化鎢強化相,灰
W、28.39%Ni、4.22%Cr、1.83%Fe、1.15%B、1.23%Si.
色區域為鎳基合金基體,碳化鎢顆粒在鎳基合金中
其數據與材料設計成分基本吻合。將w元素的含量
整體上分布較均勻并保持較低的稀釋率。圖6(b)是 換算成WC,其質量分數為67.11%,稍高于設計值,
激光熔覆復合涂層的上部區域,可以看出,距離涂 其原因在于WC顆粒在熔覆過程中沉降造成,該測
層表面200 m范圍觀察不到碳化鎢顆粒,這是因
試結果與形貌分析吻合,同時也說明復合涂層與過
為碳化鎢與鎳基金屬密度差異較大,碳化鎢顆粒在 渡層之間的稀釋率也是相當低的。
激光熔池中沉降造成的常見現象。圖6(c)是激光熔
將金相樣品的表面層磨掉0.5 mm,獲得較平整
覆復合涂層的中部區域,可以看出,球形碳化鎢顆
的涂層表面,然后用D8型X射線衍射儀進行激光
粒保持了較好的原有顆粒形貌。圖6(d)是激光熔覆 熔覆層的物相分析,X射線衍射圖譜如圖8所示。由
(a)熔覆層截面彤貌
(b)熔覆層 部區域形貌
( )熔覆 lfI部區域形貌 (d)熔覆層下部 過渡層肜貌
圖6激光熔覆層截面背散射電子顯微鏡形貌
第27卷 楊膠溪,雷麗,丁嘯,王喜兵,郭江,左鐵釧:17--4PH不銹鋼基體激光熔愛制備球形WC/Ni基復合涂層 ?203?
圖7熔覆層的能譜圖
物相分析結果可知,該涂層組織主要是由 —Ni、WC 據如表1所示。由磨損實驗數據可知,WC/Ni基合金
等物相組成,在圖譜中沒有W2C相以及Ni2W4C等 復合涂層的抗磨損性能是Ni基合金的15倍左右。
合金共晶型碳化鎢的出現,說明WC顆粒相的稀釋 試驗機工作時每秒采集一個數據,其摩擦系數變
率極低。 化如圖9所示。Ni基合金與40Cr的摩擦系數在實驗
2.4復合涂層的磨損性能 過程波動較大,可能在實驗中發生摩擦副不同金屬之
采用激光熔覆方式分別制備Ni基合金與WC/ 間的粘著,其平均摩擦系數為0.762;而WC/Ni基合
Ni基合金的盤狀下摩擦副,并加工成標準尺寸。兩 金復合涂層與40Cr進行摩擦時比較平穩,其平均摩
類涂層材料制成的下摩擦副分別與40Cr上摩擦副 擦系數為0.926,但總體上比Ni基合金明顯增大。
進行干摩擦,無潤滑劑。進行磨損實驗時施加載荷 圖10是激光熔覆Ni基合金樣品的磨痕形貌。
為100 N,轉速120 r/min,先預磨5 min然后再測試 由圖1O的二次電子照片可看出,在磨痕區有較深的
摩擦系數,試驗時間為1 h。用萬分之一電子天平稱 “犁溝”,表面有金屬發生粘著而“撕裂”的痕跡,這可
量樣品磨損前后質量,并計算磨損質量損失,實驗數 能是摩擦系數發生波動的原因。圖11是激光熔覆
輟
趙
矮
糍
鼬
j毫
20 25 30 35 4O 45 50 55 60 65 70 75 80 85 gO 95 100 105
20/(。)
磨損時間,s
圖8激光熔覆WC/Ni基合金復合涂層的XRD圖譜
圖9 Ni基合金與WC/Ni復合涂層的摩擦系數
?
204‘ 硬 質 合 金 第27卷
(a)磨痕低倍二次電子像 (b)磨痕較高倍數二次電子像
圖10激光熔覆Ni基合金磨痕SEM形貌
(a)磨痕二次電子像 (b)磨痕背散射電子像
圖11激光熔覆WC/Ni基合金復合涂層磨痕SEM形貌
WC/Ni基合金復合涂層樣品的磨痕形貌,由圖11
(a)的二次電子照片可以看出,磨痕區只是發生了輕
微變化。圖11(b)為(a)中同一區域的背散射電子照
WC/Ni基合金超硬復合涂層,碳化鎢質量分數達到
65%,球形碳化鎢顆粒保持較好,復合涂層與過渡層
之間稀釋率極低。
片,圖中清晰顯示了碳化鎢顆粒在磨痕區的形貌,經
磨損碳化鎢顆粒在金屬表面形成了“凸起”、,該凸起
對熔覆層本身是一種保護,而對摩擦副是一種加工
作用,因此碳化鎢顆粒相的存在使得摩擦系數比單
2)該球形WC/Ni基復合涂層組織主要是由 一
Ni、WC等物相組成,在圖譜中沒有W C相以及
Ni W C等合金共晶型碳化鎢的出現。
3)經與40Cr摩擦副進行磨損實驗表明,激光熔
純鎳基合金有明顯提高。 覆球形WC/Ni基合金超硬復合涂層具有優異的耐
磨性能,其耐磨性為Ni基合金的15倍,但復合涂層
的平均摩擦系數(0.926)高于Ni基合金的平均摩擦
系數(0.762)。另外,復合涂層摩擦系數較穩定,而Ni
基合金摩擦系數波動較大。
3結論
1)采用激光熔覆技術,可以制備高質量球形
第27卷 楊膠溪,雷麗,丁嘯,王喜兵,郭江,左鐵釧:17--4PH不銹鋼基體激光熔覆制備球形WC/Ni基復合涂層 ?205?
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【4J St-Geerges L,Development and characterization fo composite Ni—
熱烈祝賀
《硬質合金》第一屆編輯委員會第二次全體會議成功召開
2010年7月12日,由株洲硬質合金集團有限公司主管主辦,硬質合金國家重點實驗室、中國鎢業協會
硬質合金分會承辦的《硬質合金》科技期刊第一屆編委會第二次會議在廈門召開,近30名來自北京、上海、
深圳、廣州、廈門、安徽合肥、四川自貢、江西南昌、湖南長沙、湖南株洲和我編輯部等全國各地的硬質合金行
業精英、有關領導、教授參加了會議。會議由《硬質合金》副主編、株洲硬質合金集團有限公司科技部部長徐
濤主持。
會議首先由《硬質合金》主編、株洲硬質合金集團有限公司副總經理張忠健作工作報告,報告從堅持正確
的政治導向和辦刊宗旨、堅持質量第一的原則保持本刊的學術性和創新性、充分發揮編委會的指導和監督
作用、堅持科學管理提高本刊的規范化和科學化的水平、本刊工作任務完成情況等五個方面總結了本刊第
一
屆編委會的工作,同時提出了本刊今后工作設想及努力方向。隨后,北京科技大學材料科學與工程學院院
長曲選輝和自貢硬質合金有限責任公司副總經理徐尚志分別作了最新科研成果和產學研方面的主題報告。
接著,參會編委、專家針對本刊工作,踴躍發表意見、提出建議,就本刊的定位、欄目的設置、稿件的來源及質
量保證等問題做了深入探討,獻計獻策。并預祝本刊能夠走得穩、走得長遠,真正成為當今我國硬質合金行
業的一本核心專業期刊,成為中國硬質合金行業高水準科技信息交流平臺。
會議最后,徐濤對本屆編委會、期刊全體成員為本刊的發展所作的貢獻表示感謝,對入選的新編委湖南
工業大學冶金工程學院院長、教授陳藝鋒表示祝賀。同時希望本刊繼續提高期刊的質量和水平;通過編委和
編輯的努力提高本刊的影響。最后,他希望本屆編委發揮更大的作用,也祝愿本刊越辦越好。
(本刊編輯部賀洪撰稿)
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