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Ni–Cr +WC 复合涂层的激光熔覆技术发展和特点
摘要 ：为了提高金属工件在氧化和磨损环境中的寿命，通常在其表面附上特殊涂层。最近二十年，随着激光技术的迅速发展，激光用来生产高质量涂层。含有Ni和WC的金属基陶瓷复合涂层（MMC）通常用于延长恶劣磨损工作条件下工件的寿命。根据美国试验材料学会G-65标准试验方法，通过对激光熔覆技术和普通耐磨堆焊技术做耐磨比较试验，发现经激光熔覆后工件寿命延长六倍。取得如此效果的原因是激光熔覆有低的稀释率和高的凝固速度。结果，对于含有WC颗粒的MMC，激光熔覆后WC有更高的体积分数和更好的微观结构。为了工程上所需要的耐氧化和耐磨性能，开发了Ni–Cr +WC复合涂层。通过在标准钢上熔覆含有不同WC体积分数的Ni、Cr基体复合涂层，探究工艺参数对熔覆质量的影响，观察其微观结构。
关键词：激光熔覆 MMC 耐磨特性 Nd YAG激光器 涂层 WC颗粒
1． 介绍
近二十年，随着激光在工业中的应用，激光熔覆随之发展并取得了广泛地应用，不仅生产出了含有自润滑耐磨损颗粒的复合涂层，而且也出现了耐腐蚀的超合金涂层。WC颗粒的形状对涂层微观结构和耐磨损性能的影响以及激光熔覆涂层在耐磨环境中服役的优势也被研究与讨论。为了增加熔覆工件的寿命，发展了不同成分的多层熔覆层。
耐磨堆焊是指将耐磨的硬质材料附着在质地软的材料表面，是一种有效减少表面磨损、撞击损坏、腐蚀、侵蚀的方法。在很多情况下，注定要承受恶劣表面磨损的工件在服役钱都要进行耐磨堆焊处理。然而在这种表面技术中，工件表面受高温，存在很多不可忽视的缺陷和很高的稀释率。
对于含有WC颗粒的MMC，稀释率对于最终WC的体积分数和熔覆材料的耐磨特性有着直接的影响。激光熔覆稀释率为1~2%，而传统耐磨堆焊稀释率为5~10%。对于所需要的和保持稳定性的组分，激光熔覆有大的选择范围。
在该文档对激光熔覆和耐磨堆焊技术生产的工件的耐磨特性做了比较。分别用上述两种方法生产含有WC颗粒的Ni-Cr基合金并比较而这的耐磨特性。
2． 试验方法
众所周知，WC具有很好的耐磨特性。但是C本身非常硬，不适于承受循环应力。为了增加涂层在重复加载和磨损环境下的寿命，研发了复合涂层。通过将WC颗粒加入到柔软的金属基材中，改善其耐磨特性，增强耐疲劳强度。随着碳化物的增多，熔覆层耐磨性能提高，但也同时降低其的韧性。
将MMC涂层添加到金属工件上的方法主要有三个：热喷涂（粉末火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、音速火焰喷涂技术）、耐磨堆焊和激光熔覆。这里只讨论耐磨堆焊和激光熔覆。激光熔覆时使用同轴送粉喷嘴，4kw的NdYA连续激光机。激光波长为1064μm，使用直径为600μm的光学纤维。
含WC颗粒的Ni基涂层熔覆到低碳钢（AISI 1020，Fe+0.2C%）。熔覆的方形试样尺寸为101.6mm×101.6mm×12.7mm。激光熔覆中所使用的两种粉末成分如表1 所示。先将两种粉末预混合，然后取体积分数为50%来组成耐磨堆焊所需要的组分。耐磨堆焊选用Ni基合金。
表1 激光熔覆的粉末
粉末材料
碳化钨WC
Ni合金（85%Ni+Cr，SI，Fe）
粉末大小（μm）
45-150
63-150
粉末形式
熔合的球状
球状原子雾化气体

在激光熔覆过程中，不同送粉速度和扫描速度条件下都选用最大用粉量，如表2。优化过程工艺参数，以得到最好的结合和最小的稀释率。熔覆在室温下进行，在用砂纸磨好的试样上熔覆。
3． 试样准备
熔覆好的样品用光学显微镜观察并测量硬度。
将试样用粘有晶粒大小为1μm的金刚石抛光。选用Ni合金通用的腐蚀剂（50mlHNO3+50ml乙酸）腐蚀来观察结构。
表2 激光参数
工艺参数
变化范围
激光器类型
NdYAG
激光功率
4kw（最大）
送粉速度（g/min）
40-120
扫描速度（mm/min）
400-800

图1 激光熔覆样品，熔覆层和基材界面（200×）
4． 微观组织观察
含有碳化物颗粒的典型激光熔覆涂层如图1所示。熔覆层具有很好的微观结构。图中，定向的树枝晶垂直向熔覆层的自由面方向生长。凝固起源于熔覆层和基材界面处，并且朝向熔覆层方向（沿着热流的方向）。在WC颗粒周围可以明显观察到熔覆材料的磨损。树枝晶起源于颗粒的径向，在热传递中扮演沉淀（如图2）。

图3 激光熔覆层材料—溶解的球状碳化钨的分布
图3熔覆层中WC颗粒的分布是比较好的，垂直地穿过厚度方向。这些颗粒并没有熔化而是保持球形。在某些条件下，在冷的或硬的基材上熔覆会出现微观裂纹。这些裂纹的产生伴随着明显的声音（应力的突然释放，就像受到撞击的声音）。通过在激光熔覆过程中暂停，来测量声音的长度，一般小于2s，微观裂纹通常产生在凝固过程末期或者冷却过程初期。裂纹主要垂直于基材表面，并且对熔覆层和基材间冶金结合的完整性不产生影响。
在激光熔覆过程中，送粉速度控制着基材和熔覆层间的结合质量。随着送粉速度的增加，飞行粒子吸收的激光功率增加，稀释率降低。稀释率的降低对复合层成分有直接影响，将导致WC组分升高，如图4。事实上，随着稀释率增加，化学复合涂层变成了熔覆材料和基材的混合物了。

Fig. 4. 送粉速度对WC组分的影响. (a)熔覆速度= 600 mm/min, 送粉速度 = 30 g/min, (b) 熔覆速度 = 600 mm/min, 送粉速度 = 60 g/min.
同样地，熔覆速度对于WC组分也有直接影响。随着熔覆速度的增加，传递到基材特定区域的热量减少，可以获得更低的稀释率，WC成分增加。

图5 耐磨堆焊材料—溶解的球状碳化钨的分布

图5是经耐磨堆焊得到的复合层横截面的微观结构。与激光熔覆相比，没有观察到树枝晶。大多数WC颗粒保持原来的球形。微粒的数目是一致的。
5． 耐磨特性和作用
为了比较耐磨堆焊样品和激光熔覆样品的耐磨特性，根据ASTM-65标准，对二者进行了干沙、橡胶轮磨损试验。磨损试验结果以每立方毫米所损失的体积来衡量。从实验结果看，越耐磨的材料有更小的体积损失。
对于磨损试验，需要三种样品：一种是带有耐磨堆焊WC-Ni涂层的标准钢样品（AISI 1020），
第二种是带有激光熔覆WC-Ni涂层的标准钢样品，第三种是参考样品，是D2钢。 对于两种含有涂层的样品，放置的是含有最初称量体积分数为50—50%的WC-Ni合金。
在进行磨损实验之前，每个熔覆层的表面用600粒度的金刚石砂轮机研磨光洁。试样的硬度用洛氏硬度压头测量。对于复合涂层，每个地方的硬度值不同。 为了获得MMC涂层的硬度，测量五组数据取平均值。
耐磨实验在加拿大国家研究委员会工业材料研究所进行。实验数据如表3，由耐磨堆焊产生的WC-Ni复合涂层磨损量的材料是激光熔覆的六倍。激光熔覆WC-Ni涂层表现出较低的硬度，而耐磨特性显著提高。与带熔覆层的样品比较，D2钢表现出较高的硬度和较低的耐磨性能。

表3 磨损试验结果（ASTM G-65）
材料
磨损量
硬度（HRC）
真实值
与标准的偏差
D2（工具钢）
49
60
0.8
Ni-WC（50-50体积%）—耐磨堆焊
36
25
3.1
Ni-WC（50-50体积%）—激光熔覆
6
47.5
5.4

图6 展示了磨损试验后试样表面。在这些试样中，WC颗粒以圆形出现或以球形出现。如图6b和c，激光熔覆可以得到更高的WC体积分数。微观组织和更高WC体积分数的综合作用通过最后两种涂层的总体硬度表示。激光熔覆获得的细晶粒和高的WC体积分数增加了总体的最终硬度（激光熔覆硬度47.5HRC ， 比较硬度25HRC）。
从熔覆磨损表面的图片来看，磨损的机理是是减少附着相。WC颗粒保持完整，没有明显的破碎。
做磨损试验的同时，真实用于阳极糊搅拌机的复合涂层分别用激光熔覆和耐磨堆焊生产。将这些复合涂层黏贴在搅拌机表面以生产阳极糊。阳极糊是碳糊，主要由树脂粘合剂将大于10mm到亚微米的粒子粘合在一起。经过一个月的使用，由电弧耐磨堆焊生产的涂层大量磨损变形。搅拌机定期打开观察磨损状况，过了7-8个月以后，激光熔覆生产的复合涂层产生磨损变形。在这种特殊条件下，激光熔覆的优势显而易见。试验选用ASTM G-65标准，具有可重复性和可信度。

图6. (a–c) 磨损试验后样品的磨损照片—100×.
6 结论
激光熔覆所具有的快速冷却特性和低的稀释率使生产的涂层有很强的耐磨特性。激光熔覆涂层的耐磨特性比耐磨堆焊生产的涂层耐磨特性高6倍。
由耐磨堆焊和激光熔覆生产的MMC涂层耐磨性优于D2工具钢。MMC复合涂层有着更低的硬度，更好的耐磨性。