激光定向沉积Ni基合金与WC混合粉末的组织

材料表面堆焊一层材料，从而使廉价材料表层形成与基体材料成分、组织和性能完全不同的表面熔敷层。由于基体与熔覆材料在高能密度激光束的作用下形成了冶金结合，因而比其他方法（例如热喷涂，电沉积等）的结合强度高。这种特殊的涂层可以使材料表面具有好的耐磨、耐腐蚀、润滑及抗氧化能力，也可以形成一些功能涂层，同时也保持了廉价基材的良好强韧性。因此近年来，激光熔覆技术在制造领域得到了迅速的发展[1-5]。

Ni基合金粉末由于具有良好的润湿性、耐蚀性、高温自润滑作用及合理的价格，所以在激光熔覆材料中研究的最多、应用的最广。另外，由于WC颗粒具有高熔点（3058ºC）、高硬度（2500-3000HV）及良好的稳定性，而且与其他金属陶瓷颗粒（如碳化钛等）相比易于获得，因此WC作为硬质相颗粒一直受到人们的重视，得到了广泛的应用。45#钢由于具有强度高、韧性和塑性好以及价格低等优点，在许多工业领域应用广泛，但随着工业生产的快速发展，对各种生产设备主要零件的表面性能要求日益增高 [6-9]。为了提高矿山机械零部件的耐磨性能及使用性能，利用CO2激光熔覆系统将Ni基合金与WC硬质相颗粒的混合粉末熔覆到45#钢上，并对熔覆层的显微组织和维氏硬度等进行了研究。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

基体材料选用调质态45#钢，规格为210×65×20mm。熔覆材料为Ni基合金粉末（0.03%C、21.5%Cr、0.4%Si、1.4%Fe、9%Mo、3.8%Nb、余量Ni）和WC 粉末，Ni基合金粉末的粒度为53～150μm;WC颗粒的粒度为45～150μm。混合粉末中WC粉末的百分含量（质量）为50%。

1.2 实验设备及方法

激光熔覆系统由6kW-CO2激光器、数控加工机床、激光器冷水机、负压式气载送粉器、激光熔覆头及侧向送粉喷嘴等组成。激光熔覆的最佳工艺参数为激光输出功率3.0kW、扫描速度500mm/min、送粉量24g/min、光斑直径4mm、搭接量40%、保护气体（Ar）12L/min、送粉气体（Ar）7L/min。利用上述最佳工艺参数获得的熔覆层厚度约为1mm。

1.3 试样的制备及检测

熔覆后用线切割沿垂直于激光扫描的方向切成15×10×20mm的金相试件，研磨和抛光后，用王水（HCl：HNO3 = 3：1）进行腐蚀，然后用酒精冲洗干净，并用风筒吹干。用金相显微镜对熔覆层的金相组织进行观测，用S-3400N型电子扫描显微镜观察熔覆层的微观组织，并利用EDS能谱仪分析熔覆层的成分。用HVS-50型维氏硬度计分析熔覆层横断面的硬度分布。用X射线衍射仪分析熔覆层的相组成。

2 实验结果与讨论

2.1 熔覆层的相组成分析

图1是激光熔覆层的XRD分析结果。由图可见，熔覆层除γ-Ni外，还含有WC、W2C、（Cr，Fe）7C3 、Mo2C、Nb2C等多种碳化物硬质相。在高能密度激光束情况下，WC部分原位自生，生成W2C，同时析出C元素[10]。析出的C元素会与Cr、Fe、Mo、Nb等元素生成多种碳化物硬质相，这些硬质相对熔覆层硬度的提高和耐磨性能的改善起到了重要作用。

2.2 熔覆层的显微组织

激光熔覆所获得的熔覆层内WC分布如图2所示。由图可知，WC颗粒较均匀地分布于熔覆层中、没有沉底的现象，如图2（a），且保持着原始的形状，与基体之间结合牢固，如图2（b）。上述现象是由于激光熔覆过程具有快速加热及快速冷却的特点，使WC颗粒来不及下沉和大量分解，所以获得了比较理想的Ni基合金与WC混合粉末的熔覆层。熔覆前，WC颗粒尺寸为45～150μm;熔覆后对WC颗粒的尺寸进行了测量，其尺寸范围为46.9～146μm。由上述对比可知，WC颗粒在熔覆前后基本上保持了原始尺寸的大小，说明WC颗粒在激光熔覆过程中，基本上没有发生分解。

熔合线附近熔覆层显微组织如图3所示。由图可知，熔合线处为冶金结合，且接合良好。由熔合线开始的熔覆层依次可以观察到初晶相以平面晶生长、柱状晶生长和树枝状晶生长[2]。这是由于在冷却过程中，从熔合线到熔覆层的表面，温度梯度逐漸减小，而凝固速度逐渐增加的缘故。可推断，熔合线附近的初晶相是由富Ni（Fe）的奥氏体γ-Ni组成，而共晶组织是由γ-Ni与复杂碳化物组成。

熔覆层中上部的显微组织如图4所示。Ni基合金基体中有珊瑚状[11]、等轴晶状、柱状及交互结晶状等多种形态的初晶相析出。由分析结果可知，除了珊瑚状初晶相外，剩下的初晶相成分基本相同，并

且都是富W相，所以可以推断为碳化钨（WC和W2C）相，上述珊瑚状初晶相也可以称其为共晶组织，该共晶组织应由碳化钨和残余γ-Ni组成，所以导致了其碳化钨含量低于其他的初晶碳化钨相。另外，在凝固过程中，未分解的WC颗粒为碳化钨的异质形核提供了生长基底，从而形成了交互结晶状的碳化钨，如图4（b）所示。

由上述分析，熔覆层的中上部显微组织可定性为过共晶组织，初晶相由碳化钨组成，共晶组织由碳化钨、残余奥氏体γ-Ni及复杂碳化物组成。这些初晶相的多样性主要是因为冷却速度快，加上WC颗粒密度较高，导致液态金属的对流或扩散过程进行的不充分，从而使区域与区域之间存在较大的成分差异，再加上熔覆层内各部分之间的温度梯度和凝固速率不同，最终造成这种具有区域分布的多形态的初晶相。

虽然碳化钨的熔点较高，但是通过上述的分析可知，碳化钨颗粒边缘的W和C与Ni基合金之间产生了原子间扩散，也就是说Ni基合金基体的W和C含量高于原始合金粉末的含量，从而使得Ni基合金基体中析出了多形态的碳化钨初晶相。

3结论

1.通过X射线衍射分析，熔覆层的主要相为γ-Ni、WC、W2C、Mo2C、（Cr，Fe）7C3、Nb2C，除γ-Ni外，其他均为硬质碳化物相。

2.合理的工艺参数使WC颗粒分布均匀，与基体结合牢固，并保持原始的形状;对熔覆前与熔覆后的WC颗粒进行了尺寸比较，发现在熔覆过程中，WC颗粒基本没有发生分解。另外，熔覆层与基体之间形成了冶金结合。

3.熔合线附近的熔覆层由亚共晶组织（初晶的富Ni奥氏体γ-Ni与共晶组织）与未分解的WC颗粒构成;熔覆层中上部由过共晶组织（初晶的碳化钨与共晶组织）与未分解的WC颗粒构成，初晶碳化钨的形态有珊瑚状、等轴晶状、柱状及交互结晶状等。

参考文献：

[1] 付宇明，高中堂，郑丽娟.镍基碳化钨合金粉末激光熔覆工艺的研究[J].材料热处理技术，2011，40（14）：102-105.

[2] FU Yuming， GAO Zhongtang， ZHENG Lijuan. Research on Technological Parameters of Laser Cladding Ni-based Alloy with WC[J]. Material & Heat Treatment， 2011，40（14）：102-105.

[3] 刘兴光，王勇，韩彬.激光熔覆Ni包WC复合涂层的组织、耐磨和耐蚀性分析及应用[J].电镀与涂饰，2011，30（50）：72-75.

[4] LIU Xing-guang， WANG Yong， HAN Bin. Analysis of the microstructure，wear and corrosion resistance of laser-clad Ni-coated WC composite coating and its application[J].Electronplating&Finishing，2011，30（50）：72-75.

[5] 张维平， 刘文艳.激光熔敷陶瓷涂层综述[J].表面技术， 2001， 30（4）：30-38.

[6] ZHANG Wei-ping， LIU Wen-yan. Progress of Laser Cladding about Ceramic Coating[J]. SURFACE TECHNOLOGY， 2001， 30（4）：30-38.

[7] 徐国建，殷德洋，杭争翔 等.激光堆焊Co基合金与VC混合粉末组织和性能[J].沈阳工业大学学报，2012，34（1）：26-30.

[8] XU Guo-jian，YIN De-yang，HANG Zheng-xiang，ZHANGWei. Microstructure and property of laser overlaid layer of mixedCo-based alloy and VC powder[J].Journal of Shenyang University of Technology， 2012，34（1）：26-30.

[9] Zhang Y， Tu Y， Xi M， et al. Characterization on laserclad nickel based alloy coating on pure copper [J].Surface and Coatings Technology， 2008， 202 （24）：5924-5928.

[10] 董世运，马运哲，徐滨士等.激光熔覆材料研究现状[J]. 材料导报， 2006，20（6）：5-9.

[11] DONG Shi-yun， MA Yun-zhe， XU Bin-shi， etc.Current Status of Material for Laser Cladding[J]. Materials Review， 2006，20（6）：5-9.

[12] 赵敏海，刘爱国，郭面焕.WC颗粒增强耐磨材料的研究现状[J].焊接，2006（11）：26-29.

[13]ZHAO Min-hai， LIU Ai-guo，GUO Mian-huan.Research on WC Reinforced Metal Matrix Composite[J].Welding， 2006（11）：26-29.

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