半导体激光熔覆Ni/WC_p耐磨复合涂层的研究

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镍基高温合金因良好的耐蚀性、与WC颗粒润湿性好、适中的价格和高温自润滑作用,而广泛地应用于军事、航空、化工、石油等领域。然而,挑选高硬度Ni基合金作为Ni/WCp复合涂层的粘结相时,熔覆层的韧性较差,碳化钨颗粒同粘结相之间热物理性质差异很大,容易在熔覆过程中产生裂纹等缺陷,而低硬度的Ni基合金作为复合涂层的粘结相时,激光工艺性较好,然而在服役过程中较低硬度的粘结相容易被选择性磨损,降低了对WC颗粒的把持能力,导致耐磨性能下降。本文采用较高硬度的Ni基合金粉末440作为复合涂层的粘结相,用配置好的Ni/WCp复合粉末在304不锈钢上进行单道熔覆,优化工艺参数后进行多道熔覆层的制备,所制备的多道熔覆层成形性好、无裂纹与气孔、与基材界面结合良好且具有较好的耐磨性能,并从熔覆层的硬度与耐磨性能角度,与较低硬度的镍基合金425/WCp复合涂层进行了比较。结果表明,激光功率越高,熔覆层的外观成型越好,但气孔与裂纹等缺陷也越多。同时WC颗粒的添加量越高,440/WCp复合涂层的裂纹和气孔敏感性就越高。而每种WCp含量的Ni/WCp熔覆层都有一个烧损临界功率,当激光功率大于临界功率时,WC颗粒烧损严重,气孔与裂纹增多,而处于临界功率时,熔覆层的成型性最好。WCp含量越高,临界功率越低,因此Ni-0%WCp和Ni-10%WCp选用激光功率2.8kW,3.0kW,Ni-30%WCp选用激光功率2.0kW,2.2kW,Ni-50%WCp选用激光功率1.8kW,2.0kW,制备而成的多道熔覆层表面光滑,成型性好,熔覆层与基材界面结合良好,气孔裂纹等缺陷较少。当激光功率较低时(1800w),WC颗粒主要发生溶解扩散性烧损,熔覆层中碳化物多以块状的方式析出。随着激光功率的升高(2400w),WCp容易发生碎化-溶解扩散性烧损,此时复合涂层中的碳化物呈现为析出的针棒状碳化物与碎裂而出的富W块状碳化物。激光功率越高,WCp边缘的合金化层也越厚。Ni/WCp熔覆层中主要含有γ-Ni,WC,W2C,Fe3C,M7C3等物相。440合金涂层的硬度高达46HRC,WCp的添加量与激光功率对440/WCp复合涂层的硬度都有着重要的影响。WC含量越高,粘结相与熔覆层表面的硬度越高;激光功率提升后,每一WC含量的复合涂层硬度均呈现出先提高后降低的规律。粘结相为440合金的Ni/WCp激光熔覆层在室温与高温下均表现出了良好的耐磨性能。440合金的室温与600℃高温下的4h磨损失重量分别为86.6mg与226.5mg。440-50%WC熔覆层的室温与600℃高温下的4h磨损失重量分别为0.6mg与20.8mg。相较于低硬度镍基合金425的Ni/WCp磨损失重量大幅度减少,440/WCp磨粒磨损的程度降低,WC颗粒剥落现象更少,耐磨性能提高。
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