激光熔覆Ni基WC金属陶瓷涂层组织与高温磨损性能_百度文库讲解

1、激光熔覆Ni基WC金属陶瓷涂层组织与高温磨损性能 汪新衡，匡建新，黄开有，陈丰峰（湖南工学院机械工程系，湖南衡阳 421002摘要：在21-4-N耐热钢表面进行添加 WC颗粒的镍基自熔粉末激光熔覆处理，得 到了 Ni基WC合金涂层。对熔覆层进行了显微组织观察和分析以及不同温度下的 高温干摩擦磨损试验。结果表明， Ni21+20%WC+0.5%CeO2熔覆层组织细小，高 温干摩擦磨损性能最好。关键词：激光熔覆；镍基金属陶瓷涂层；高温干摩擦磨损Microstructure and Abrasive-wear Behavior Under High Temperature of Laser Clad

2、 Ni-based WC Ceramic CoatingWANG Xin-heng ,KUANG Jian-xin , HUANG Kai-you ，CHEN Feng-feng(Dept.of Mecha ni cal Engineenin g,H unan in stitute of Tech no logy. Hen gya ng Hu nan 421002,Chi naAbstract:The laser claddi ng which self-fused Ni-based ceramic powder of WC composite is used on the surface o

3、f 21-4-N heat-resisti ng steel, Ni-based WC coati ng can be formed. Observ ing and analying the microstructure of cross secti on, Check ing the abrsrssive-wear under high temperature of cross section in different temperature. The results showed that the microstructure of Ni21+20%Wc+0.5%CeO2 claddi n

4、g layer is small a nd it prese nts the best abrasive-wear behavior un der high temperature in these inv estigated coat in gs.Keywords:laser claddi ng ; Ni-based Metal-ceramics layers; abrasive-wear un der high temperature激光熔覆技术具有涂层与基体结合牢固、涂层稀释率低、工件变形小等特点。它可 以在普通金属材料上获得高性能的表面合金层，赋予其特异的性能。陶瓷材料具有 高的硬度和

5、优良的耐磨、耐蚀、耐热和抗高温氧化性能，但其脆性较大，难以加 工，故其应用受到很大的限制。而用高能量密度的激光熔覆高硬度、高耐磨性的金 属一陶瓷涂层则为陶瓷材料的应用开辟了一条新的途径 1、2。在激光熔覆表面合 金化研究中，人们对熔覆合金层的单一性能一耐磨、耐蚀等性能进行了大量的研究 工作3、4。但对于激光熔覆合金层的高温性能及其相应的组织结构方面的研究却 少有报道。随着科学技术的发展，在航空航天、工业生产等领域利用的材料越来越 多，其工作条件及服役条件愈加苛刻，很多机械零件如汽车发动机排气门长期在高 温、腐蚀气氛中工作，其密封面常因腐蚀磨损造成密封不良。为了寻求这一问题的 解决，本文研究了激

6、光熔覆镍基金属陶瓷涂层组织及其高温干摩擦磨损性能。1试验材料及方法 针对汽车排气门，选用耐热钢21-4-N为基底材料。熔覆材料选用自熔合金粉末， 化学成分见表1。在自熔合金粉末中添加20%（质量分数，下同的 WC颗粒，另外 再加入0.5%CeO2粉末。预处理为正火。表1基材和熔覆合金的化学成分（质量分数，%Table 1 Composition of based material and claded alloy （wt%材料CBSiMnCrFeNNi21-4-N0.45 7.50v 0.2581020 22余量0.35 0.503.5 4.5Ni600.84.54.016.013.0余量Ni

7、210.65 -0.752.0 3.03.5 4.025 26.5v 5.0余量Ni250.121.53.58.0余量将基底材料加工成内径 50mm,外径70mm,高10mm的圆环，然后喷砂、清 洗，将配好的熔覆合金粉末用适量酒精和有机粘结剂调成糊状并均匀涂敷在基底表 面，涂层厚度为1.01.2mm,真空中烘干、固化，激光熔覆设备选用5KW HJ-4型横流CO2激光器，单道扫描，用氮气保护熔池，光斑直径34mm,激光功率2.02.2kW，扫描速度4.55.0mm/s；高温干摩擦磨损试验在 MG-200型高速高温磨 损试验机上进行。采用环 一环对磨，下环材质为耐热铸铁，上环工作面为不同成分 的激

8、光熔覆层。为避免高温磨损过程中上下试样粘着造成机器卡死现象，试验中采 用到温后先空转1500转左右。再加载对磨5000转左右，由自动记录仪记下摩擦力 矩一时间曲线。具体试验条件如下：试验温度为50C, 250C, 450C, 650E ；载荷砝码30kg;转速1500r/min ;空转1min ;加载时间33.5min,试样失重 w（g=w0（始重，mg-w（磨损后重，mg。2试验结果及分析2. 1激光熔覆层显微组织观察图1为几种不同成分的激光熔覆层在光学显微镜下的组织形貌。从图中可以看出， 尽管熔覆成分不同，但熔覆层结构大致相似，均分为3个区域。由表及里依次为熔化区、结合区和热影响区。基体热

9、影响区主要由相变板条马氏体组成。紧靠基体， 厚度大约只有几个微米的是结合区，呈平面晶状态，冷却时以柱状晶形式有热影响 区外延生长，晶间为细小的共晶组织，平面晶的存在表明了熔覆层与基体之间形成 了良好的冶金结合5。其中，基体区与热影响区的界线不清晰，说明在整个激光熔覆处理过程中自涂层以下受热影响较大且均匀，这对涂层材料性能的均匀化有 利。当CeO2添加到熔覆层中后，陶瓷相碳化钨颗粒的数量和形状都要发生变化， CeO2的加入促使熔覆层中碳化钨颗粒的数量减少，棱角钝化，形状趋于光滑。另 外，又能谱分析可推测出，不含 CeO2的激光熔覆金属陶瓷复合层中的针状组织与 添加CeO2的激光熔覆金属陶瓷复合层

10、中的针状组织，是两种不同的金属间化合物 。从组织形貌比较来看，Ni25+2O%WC+O.5%CeO2熔覆层组织较粗大，枝晶明显； Ni21+2O%WC+O.5%CeO2熔覆层组织细小，枝晶不明显；而Ni6O+2O%WC+O.5%CeO2 熔覆层介于二者之间。这是由于 Ni25合金含碳量很低且不含铬，因而在凝固过程中 形成的高熔点第二相质点少，作为非自发形核的核心就少，阻止晶粒长大作用就 弱，所以形成了较粗大、明显的枝晶组织；而Ni60合金熔点较低，相应的凝固时间较长，同时含铬量 也比Ni21少，它在凝固过程中形成的高熔点化合物数量相对也少，因此形成的枝 晶要比Ni21+2O%WC+O.5%Ce

11、O2熔覆层稍微粗大些7(a) (b (c图1几种成分熔覆层的组织形貌x 3OO (aNi21+2O%WC+O.5%CeO2 (bNi25+2O%WC+O.5%CeO 2 (cNi6O+2O%WC+O.5%CeO2Fig.1 Microstructures of clad layer with various compositions 3OOx2. 2高温干摩擦磨损性能图2为不同成分熔覆层在相同试验条件下的高温干摩擦磨损性能对比直方图。由图可看出，Ni21+2O%WC+O.5%CeO2熔覆层的磨损量最小，耐磨性最好，而Ni60+20%WC+0.5%Ce02熔覆层耐磨性最差。这和熔覆层硬度高低、组

12、织致密均 匀程度、熔点高低有着密切的关系。加入适量的CeO2，能加速碳化钨颗粒的溶解和使碳化钨颗粒的形状变化，成为较 光滑的表面形状，使局部应力得以缓解。另外，CeO2的加入，促使涂层高温氧化后获得更为平整、致密的氧化层，它们在陶瓷相上的附着存在大大增强了氧化层的 稳定性。这些，都会减少激光熔覆层在氧化和摩擦过程中的脱落。12Clec图2 利破论懈歎尼础湖站册it对比F 2- lill - nf llii* liih 1UFh*ifn i-tHrbwl lii* 斟! | h h 血i iKkri*! T 1. 5 m iM * l）LIM -0,f Cfi 工U （ + I r J. IVi

13、2l O4 M21 ft i 5r i2l 电官（；* krNi60+20%WC+0.5%Ce02熔覆层熔点较低，在高温磨损情况下，易出现较严重的 粘着磨损甚至热磨损现象，导致耐磨性较差。Ni25+20%WC+0.5%CeO2熔覆层由于含碳量低，其硬度比Ni60+20%WC+0.5%Ce02熔覆层的低，但基体塑韧性相对 较好，所以在摩擦磨损过程中易发生塑性变形，增大摩擦副的接触面积，使接触应 力有所降低8，加之Ni25合金熔点较高，产生粘着磨损倾向相对较小，因而磨损 量小些。Ni21+20%WC+0.5%CeO2熔覆层组织致密细小，析出相硬质点较多，硬 度高且随温度升高下降平缓，所以高温耐磨性

14、最好。2. 3摩擦磨损形貌和磨损机理分析图3是Ni21+20%WC+0.5%CeO2熔覆层经不同温度摩擦磨损后的表面形貌。从图 中可看出：Ni21+20%WC+0.5%CeO2熔覆层在低温（50C时细磨痕比较清晰，只有 少量的熔化粘着物（图3a；当温度逐渐升高时，磨痕变得越来越模糊不清，熔化粘 着物越来越多（图3b;且出现隆起棱边被压平的犁沟（图3c；到650E高温时，由于 粘着物的增多和犁沟棱边的反复形成又被压平，磨面比较平坦，只有细微的刮擦痕 迹（图3d。出现这些现象的原因在于激光熔覆层的磨损机理随温度改变而发生了变 化：低温时以磨粒磨损为主，随着温度升高逐渐转向以粘着磨损和氧化磨损为主

15、9、10。(a) (b (c (d图3 Ni21+20%WC+0.5%CeO2熔覆层不同温度下摩擦磨损形貌X 500 (a 50C (b 250 C (c 450C (d 650 CFig. 3 Wear pattern of Ni21+20%WC+0.5%CeO2 clad layer under various temperature X5003结论(1几种不同成分的激光熔覆金属陶瓷涂涂层在光学显微镜下的组织形貌相似，Ni21+20%WC+0.5%CeO2熔覆层组织更为细小。(2高温干摩擦试验表明，不同成分激光熔覆金属陶瓷涂层的高温耐磨性能以Ni21+20%WC+0.5%CeO2 为最好。

16、(3对激光熔覆金属陶瓷涂层的磨损机理初步判定低温时以磨粒磨损为主，温度升 高逐渐转向以粘着磨损和氧化磨损为主。参考文献：1 Jasim K M. Rawli ng R D. West D R. Pulsed Laser Seali ng of Plasma-sprayed Layers of 8wt percent Y ttri-a Stabilized zirconia J. J Mater Sci. 1992,27:3903-3607.2 张光钧，李军，李文戈.激光表面改性的发展趋势J.金属热处理，2006,36(11:1-73 刘秀波，王华明.TiAl合金激光熔覆复合材料涂层耐磨性研究J.材料热处理学报,2006,27(1:87-92.4 .赵高敏，王昆林，李传刚.稀土对Fe基合金激光熔覆层抗磨性能的影响J摩擦学学报2004,24(4:318-341. 张大伟，张新平.激光熔覆Ni-Cr3C2涂层的微观组织及磨损性能J.农业机械学报,2005,36(6:110-113 赵涛,蔡昇，王顺兴等.CeO2对镍基金属陶瓷复合层组织和耐腐蚀性能的影响J.金属热处理,2001,(2:1-3.7 李春华，徐恺悌，王顺兴