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实验的基体材料用Q235碳素工具钢,尺寸为90 mm×50 mm×3 mm(长×宽×高)。选择WC粉末(纯度为99.8%)与Ni60(平均粒径为30 μm~150 μm)的混合粉末为熔覆材料,设置WC的质量分数分别为0.0、0.2、0.4、0.6、0.8。Q235碳素工具钢、Ni60粉末质量成分如表 1、表 2所示。图 1为Ni60和WC粉末的微观形貌图。
表 1 Q235碳素钢化学成分(质量分数)
Table 1. Chemical composition of Q235 carbon steel (mass fraction)
type C Si Mn P S Fe Q235 0.15 0.15 0.25 0.12 0.11 balance 表 2 Ni60粉末化学成分(质量分数)
Table 2. Chemical composition of Ni60 powder (mass fraction)
type C Cr B Si Fe Ni Ni60 0.006~0.01 0.14~0.17 0.025~0.045 0.03~0.045 ≤0.15 balance -
实验设备选用XL-F2000W光纤激光熔覆系统进行激光熔覆实验,其激光功率阈值为0 W~2000 W。送粉方式采用预涂法,实验前,将WC粉末和Ni60粉末按照表 3的成分配比进行混合。用粒度为800目的和1200目的砂纸按照顺序对基材料进行抛光,以此除去基材的表面氧化膜,再用无水乙醇将其冲洗后干燥备用。WC与Ni60的混合粉末以1 mm左右的厚度均匀铺在基体表面。通过先前的预试验发现,工艺参数为激光功率1600 W、扫描速率10 mm/s、离焦量+5 mm时产生的熔覆效果较好,因此利用该工艺参数来开展单道单层激光熔覆实验。激光熔覆加工示意图如图 2所示。熔覆试样会经过线切割、镶嵌、研磨、抛光和腐蚀(腐蚀液为质量分数0.05的硝酸酒精)等工序进行处理,再利用XJL-302/302BD型号的光学金相显微镜对涂层横截面形貌进行观察;利用JSM6460扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)对涂层微观组织进行观察;利用MHVD-1000AT显微硬度机来测定涂层显微硬度。
表 3 WC和Ni60成分配比(质量分数)
Table 3. WC and Ni60 component ratio (mass fraction)
type S1 S2 S3 S4 S5 WC 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Ni60 1 0.8 0.6 0.4 0.2 -
涂层宏观形貌如图 3所示。自上而下依次加入WC质量分数为0.0、0.2、0.4、0.6、0.8的单道熔覆涂层,对应试样S1~S5。可以看出,涂层表面熔覆效果良好,均表面光滑,无气孔和明显裂纹,成形性良好。说明WC和Ni60的混合粉末使用是能够满足涂层表面熔覆效果良好的基本需求。
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由图 4所呈现的熔覆层横截面的形貌可看出,试样S1~S5的涂层与基体之间有了一道明亮的熔合线形成,这种现象可证明基体和熔覆粉末二者之间形成了良好的冶金结合。所有试样涂层都呈现半椭圆状,无明显裂纹,添加有WC的4个试样(S2~S5)中均出现不同程度的颗粒,对比发现, S3(WC质量分数为0.4)形貌较好。
图 4中出现的颗粒状为熔覆过程中未熔融的WC颗粒及其衍生相,发现WC的密度为15.63 g/cm3, 是Ni60(7.53 g/cm3)的2倍左右,受重力和涂层冲刷作用,WC颗粒下沉速度较快,所以多出现在熔池的中下部[12]。图 4中WC颗粒边缘形状不同,表明WC的加入对涂层也会产生影响[19]。
观察图 4中的S2~S5试样,发现涂层的孔洞数量逐步增多, 即随着WC粉末质量分数的增多,涂层出现孔洞, 其原因有:(1)粉末材料的物理性能存在差异,WC颗粒的热膨胀、热收缩系数与Ni60不同[19],加之激光熔覆的快速升温和凝固的特性,导致了涂层中存在孔洞;(2)未受包裹的WC粒子,在熔覆过程中部分WC在熔池中会发生如下脱碳反应[20]:
$2 \mathrm{WC}=\mathrm{W}_2 \mathrm{C}+\mathrm{C}$
(1) $\mathrm{W}_2 \mathrm{C}=2 \mathrm{~W}+\mathrm{C}$
(2) WC在脱碳过程中产生的C原子会与O原子结合,化学反应生成一氧化碳和二氧化碳气体。在激光熔覆技术熔池有极快冷却速度的特征下,生成的气体一部分因不能及时逸散而滞留于涂层内部,然后就形成了气孔。
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可将图 4的熔覆层横截面形貌分为三部分:熔覆区(cladding zone,CZ),结合区(bond zone,BZ),热影响区(heat affected zone,HAZ)。用A1表示熔覆区面积,A2表示结合区面积,D表示涂层稀释率。使用图像处理软件Image J对A1、A2进行测量,并按照下式进行稀释率的计算[21]:
$D=\frac{A_2}{A_1+A_2} \times 100 \%$
(3) 由(3)式计算得出的稀释率如表 4所示。涂层稀释率随着WC质量分数的增加整体呈先增加后减小的趋势。试样S1~S5的稀释率依次为21.14%、13.16%、25.88%、12.22%、11.32%, 其主要影响因素是熔覆区面积A1和结合区面积A2。熔覆区面积A1随着WC质量分数的添加先增加后减小再增加,在WC质量分数为0.4时出现了突然下降。结合图 4分析可以给出解释:S3~S5试样涂层内部开始出现气孔和未熔WC颗粒,并且气孔面积逐渐增加,这将导致熔覆区面积A1增加。结合区面积A2先增加后减小,这是由于随着WC质量分数的增加时,同熔覆区面积A1内,激光熔覆涂层所需要的能量增加,传递到结合区面积A2能量减小,但也受气孔和未熔WC颗粒影响,从而导致稀释率数值出现波动。而且太低或太高的稀释率都会对涂层硬度造成一定的影响。
表 4 稀释率计算结果
Table 4. Calculation results of dilution rate
case mass fraction of WC A1/mm2 A2/mm2 (A1+A2)/mm2 D/% S1 0.0 0.25 0.07 0.32 21.14 S2 0.2 0.29 0.04 0.33 13.16 S3 0.4 0.20 0.07 0.27 25.88 S4 0.6 0.34 0.05 0.39 12.22 S5 0.8 0.36 0.05 0.41 11.32 -
通过凝固理论可知,激光熔覆凝固组织的形貌是由结晶参数G/R(G是温度梯度、R是凝固速率)决定的[22-23]。图 5~图 9是关于试样S1~S5熔覆涂层横截面上不同部位的显微组织特征。从图 5b、图 7b、图 8b、图 9b皆可看出,涂层底部与基体的HAZ形成了明亮的融合线, 在基材表面延伸生长了一层薄薄的平面晶[24]。这是因为Q235的热传导性能好,在结合界面形成大的正温度梯度和大过冷度,结晶参数G/R最大。从图 7c看出,在靠近涂层底部的结合界面,主要为致密、粗壮的树枝晶组织。温度梯度控制下枝晶的生长方向与热流方向正好相反,理论上结合界面处与热流方向是相互垂直的,所以树枝晶沿与结合界面垂直的方向在涂层中间或者上部继续生长[25]。从图 8c看出,由于熔池中部的散热性下降,且温度梯度较小,所以涂层中部主要是纤细的树枝晶[26]。
对比来看:如图 5c、图 6c所示,S1、S2的微观组织中晶粒较细小、枝晶生长不规律、组织不致密; 如图 7c、图 8c所示,S3与S4的微观组织中枝晶尺寸均匀、有方向性地向上生长,组织细密; 如图 8b、图 9b所示,S4、S5由于WC质量分数的增加,WC的边缘和周边区域产生了条状/块状/层状的二次碳化物,这些二次碳化物属于脆性相,容易造成局部应力集中和裂纹,导致涂层质量较差[19]。这也与前面分析出现聚集颗粒和大孔洞的原因一致,即以未熔融的WC颗粒为新的形核中心,还有WC溶解而形成的二次析出相。尤其是在S5(WC质量分数0.8)中,WC颗粒未受Ni包裹的数量增多,使得枝晶间扩散分布颗粒状中间相的数量也增多,异形核率提高,同时产生的大气孔也会抑制了枝晶的生长,最终导致组织不致密。
因此,得出在WC质量分数为0.4~0.6的条件下,既可确保微观组织密实、枝晶大小均一、生长规律一致,也能有效地规避颗粒、气孔等因素对熔覆涂层质量的影响。
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在载荷1.96 N、保荷时间10 s,测量间距0.2 mm的情况下,每个试样沿最大熔深方向从涂层的顶部一直测试到基体,测试10个点,每个点横向位置左右取两个点,取3点平均值。从图 10可知,随着WC质量分数的增加,S1~S5试样涂层的硬度依次提高,其中硬度值, S5>S3>S4>S2>S1。说明WC质量分数的增加利于提高涂层硬度。S2~S5试样涂层相比基体材料的平均显微硬度193 HV0.2均提高4倍以上。
虽然S5的硬度与其它样品有明显的提升,但此硬度的提升并非由Ni60+WC复合陶瓷涂层带来的,而更多的是在较大比例WC粉末的作用下,使涂层内部、涂层表面含有较多未熔融WC颗粒而使涂层硬度增加[27]。从图 10中可以看出,当WC质量分数达到0.8时,未熔融的WC颗粒及其衍生相从底部逐步扩散到涂层顶部,其中WC分解会生成W和C元素(从(1)式和(2)式可得出),这两种元素固溶于基体中起到强化效果,但在冷却降温期间,这两种元素又会与合金元素(Ni、Cr等)生成新相重新析出并扩散分布在基体中,起到一定程度的析出、弥散强化效果[28]。WC质量分数为0.8时,加之WC自身熔点太高,此质量分数下与Ni60融合性较差,不被包裹的WC粒子多,在熔覆过程中容易出现氧化、脱碳和烧损的现象,所以涂层才会存在较明显的大气孔。一般认为,WC的氧化、脱碳和烧损对复合涂层的性能是不利的[19]。WC对复合涂层的性能影响是以上多种机制综合作用的结果,
因此,认为当WC质量分数为0.4~0.6的情况下,既能保障两种材料的融合性,又能提升涂层整体的硬度。
WC质量分数对激光熔覆Ni基涂层组织和性能的影响
Effect of WC mass fraction on microstructure and properties of laser cladding Ni-based coatings
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摘要: 为了研究WC质量分数对Ni60粉末激光熔覆涂层性能的影响,采用激光熔覆技术在Q235碳素工具钢上制备了WC+Ni60的复合涂层,并进行了理论分析和实验验证,取得了熔覆层几何形貌、稀释率、显微组织及硬度方面的数据。结果表明, 添加WC后, 涂层外观成形良好,在涂层硬度上有明显的提升效果;稀释率随着WC质量分数的增加整体呈现先升高后降低的趋势;当WC质量分数为0.4时为合适的粉末配比,不但能保证微观组织致密、枝晶尺寸均匀,也可避免颗粒和气孔对涂层质量造成的影响,并保证了2种熔覆材料融合性和涂层整体硬度。此研究结果对激光熔覆添加WC的Ni基复合涂层制备有一定指导作用。Abstract: In order to investigate the effect of WC mass fraction on the properties of Ni60 powder laser cladding coating, the WC and Ni60 composite coating was prepared on Q235 carbon tool steel by laser cladding technology, and the theoretical analysis and experimental verification were carried out. The date of geometrical morphology, dilution rate, microstructure and hardness of cladding layer were obtained. The results show that, after adding WC, the coating has good appearance and the hardness of coating can be improved obviously. The dilution rate increased firstly and then decreased with the increase of WC mass fraction. When the WC mass fraction is 0.4, the appropriate powder ratio can not only ensure the dense microstructure and uniform dendrite size, but also avoid the influence of particles and pores on the coating quality, and ensure the fusion of two coating materials and the overall hardness of the coating. The results of this study have a certain guiding role for the preparation of Ni-based composite with WC added by laser melting coating.
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Key words:
- laser technique /
- laser cladding /
- WC mass fraction /
- microstructure /
- hardness
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表 1 Q235碳素钢化学成分(质量分数)
Table 1. Chemical composition of Q235 carbon steel (mass fraction)
type C Si Mn P S Fe Q235 0.15 0.15 0.25 0.12 0.11 balance 表 2 Ni60粉末化学成分(质量分数)
Table 2. Chemical composition of Ni60 powder (mass fraction)
type C Cr B Si Fe Ni Ni60 0.006~0.01 0.14~0.17 0.025~0.045 0.03~0.045 ≤0.15 balance 表 3 WC和Ni60成分配比(质量分数)
Table 3. WC and Ni60 component ratio (mass fraction)
type S1 S2 S3 S4 S5 WC 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Ni60 1 0.8 0.6 0.4 0.2 表 4 稀释率计算结果
Table 4. Calculation results of dilution rate
case mass fraction of WC A1/mm2 A2/mm2 (A1+A2)/mm2 D/% S1 0.0 0.25 0.07 0.32 21.14 S2 0.2 0.29 0.04 0.33 13.16 S3 0.4 0.20 0.07 0.27 25.88 S4 0.6 0.34 0.05 0.39 12.22 S5 0.8 0.36 0.05 0.41 11.32 -
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