激光熔覆WC/Ni基复合涂层高温滑动干摩擦磨损性能

杨胶溪，张健全，常万庆，王艳芳，陈　虹，王喜兵

(北京工业大学 激光工程研究院，北京 100124)



激光熔覆WC/Ni基复合涂层高温滑动干摩擦磨损性能

杨胶溪，张健全，常万庆，王艳芳，陈虹，王喜兵

(北京工业大学 激光工程研究院，北京 100124)

利用激光熔覆技术制备微米团聚和块状两种不同类型WC/Ni基复合涂层。在MMG-10型摩擦磨损试验机上对涂层进行高温滑动干摩擦磨损实验，并用SEM和EDS对涂层进行磨损形貌观察和成分分析。结果表明，激光熔覆WC/Ni基复合涂层高温磨损性能随着WC含量增加而提高，WC形态为微米团聚质量分数为60%的复合涂层具有优良的高温耐磨性能。高温下60%WC/Ni基复合涂层主要磨损机制由低温下的磨料磨损转变为氧化磨损和磨料磨损复合作用。

激光熔覆；复合涂层；碳化钨；高温滑动干摩擦；磨损性能

随着现代工业的快速发展，设备或零部件的工作条件及服役条件越来越苛刻。很多机械零件如汽车发动机活塞环等需要长期在高温、磨损环境中工作，从而对其高温耐磨性的要求也越来越高。若仅通过选用高性能的整体材料来满足设备或零部件表面高温耐磨性要求，往往是不经济的[1-4]。运用合理有效的表面改性技术，能在显著提高设备或零部件表面高温耐磨性的同时，使其心部仍保持足够的韧性，可有效节约能源和材料。传统电镀Cr排放的Cr6+对水污染非常严重，给环境保护造成很大的困难[5,6]。因此，需要开发出一种新的表面改性方法来改善设备或零部件的高温耐磨性。WC陶瓷颗粒硬度高、熔点高且具有优良的热稳定性及化学稳定性，但由于WC颗粒脆性较大，作为涂层可采用塑性较好的金属(钴或镍)作为黏结相与WC硬质相复合使用[7-11]。激光熔覆作为一种重要的表面改性技术，开发适合于激光熔覆的合金粉末，可获得无气孔、裂纹等缺陷且高温耐磨性良好的WC/Ni基复合涂层[12-15]。

本文作者曾考察了激光熔覆WC/Ni基复合涂层常温滑动干摩擦磨损特性[16]。由于该涂层还应用于对一些在高温条件下服役的关键部件的强化，因此有必要研究该复合涂层的高温摩擦磨损性能。本研究在考察温度对该复合涂层摩擦磨损性能影响的基础上，着重考察其在400℃下的摩擦磨损特性，探讨WC含量和形态变化对该复合涂层高温摩擦磨损性能的影响，并在对磨痕显微观察和成分分析的基础上初步考察其磨损机理。

1　实验材料与方法

激光熔覆涂层材料为WC/Ni基合金复合粉末，其中镍基合金成分为(质量分数/%)：C 0.6，Cr 7.52，Si 3.62，B 2.20，Fe 3.50，余量Ni，粒度为45～100μm，WC颗粒形态为微米团聚和块状两种形态，WC微米团聚状颗粒度为(40～60μm)，WC块状颗粒度为(90～130μm)。

激光熔覆实验采用Trumpf 6000W高功率快速轴流CO2激光器，熔覆时采用同步送粉方式，送粉器为Sulzer Metco Twin10C。基材选用GCr15圆盘，该试样尺寸规格为φ43mm×4mm，圆盘表面加工一环形凹槽,凹槽外径、内径、深度分别为28，22mm和1mm，如图1所示。本实验中试样编号及激光熔覆工艺参数如表1所示。

图1　GCr15圆盘式样　(a)熔覆前；(b)熔覆后；(c)加工后Fig.1　The GCr15 disc samples　(a)before laser cladding;(b)after laser cladding;(c)after machining

SampleLaserpower/WScanningspeed/(mm·min-1)Powderflowrate/(g·min-1)MassfractionofWC/%WC0#20002001501#200020015202#200020015403#200020015604#200020015205#200020015406#20002001560-AgglomerateAngular

激光熔覆后将试样进行磨床加工，将加工后的圆盘状摩擦副在MMG-10型高温、高速摩擦磨损试验机上以端面滑动的配副方式进行高温干摩擦磨损实验，端面摩擦副示意图如图2所示，对磨环选用退火态40Cr。磨损实验参数：(1)温度400℃，载荷80N，转速100r/min，观察WC形态和含量对涂层磨损性能的影响，实验时间均为1.5h；(2)选取6#样品(60%微米团聚WC)，载荷80N,转速100r/min，分别选取不同温度100，200，300，400℃和500℃，观察涂层磨损量及摩擦系数随温度的变化，实验时间均为1.5h。磨损实验前后,摩擦副用精度为万分之一的FA1104分析天平测量磨损失重, 取3次称重数值的平均值。

图2　端面摩擦副示意图Fig.2　Schematic diagram of the friction pairs

2　结果与分析

2.1激光熔覆WC/Ni基复合涂层的典型形貌

激光熔覆WC/Ni基复合涂层的典型形貌如图3所示。其中，图3(a)，(b)与图3(c)，(d)分别为微米团聚和块状WC/Ni基复合涂层的SEM形貌，图中明亮的白色斑点为WC颗粒，并且WC颗粒弥散分布于合金涂层中。图3(a)，(b)中WC颗粒呈近似圆形的团聚分布， 其半径尺寸范围为10～113μm。由于WC颗粒与镍基合金密度差别较大，在图3(c)中的合金涂层底部区域出现了明显的块状WC颗粒聚集现象。图3(d)为高倍放大下块状WC颗粒的典型形貌，可以看出即使高熔点的WC颗粒也出现了部分溶解现象，WC颗粒与镍基合金有互熔和扩散，颗粒边缘出现细小的树枝晶。从图3(a)，(c)中可看出这些金属基复合涂层与GCr15基体表现出良好的冶金结合，熔合线处无明显孔洞、裂纹等缺陷。在最佳工艺参数下，两种类型的WC颗粒较均匀地分布在复合涂层中并在很大程度上保留了原始形态，仅有较低程度的分解。

2.2WC/Ni基复合涂层的高温磨损性能

2.2.1WC含量和形态对涂层高温磨损性能的影响

图4所示为典型涂层摩擦因数曲线。如图上、中、下3条曲线分别代表6#，3#，0#涂层摩擦因数曲线，随着时间的不同三者的摩擦因数分别在0.6，0.5，0.4上下波动。添加60%WC的合金涂层的摩擦因数均高于未添加WC的镍基涂层，并且添加块状WC的涂层的摩擦因数高于添加微米团聚状WC的涂层。可见，WC硬质相在保护镍基合金不受磨损的同时提高了涂层的摩擦因数，且当WC为块状形态时此作用更加明显。

图3　激光熔覆WC/Ni基复合涂层的典型形貌　(a)，(b)微米团聚WC颗粒； (c)，(d)块状WC颗粒Fig.3　The typical morphology of laser clad WC/Ni composite coatings　(a),(b)agglomeration WC particle;(c),(d) blocky WC particle

图4　典型涂层摩擦因数曲线Fig.4　The typical friction coefficient curves of coating

图5所示为400℃条件下WC含量和形态对熔覆层磨损性能的影响规律。由图5可见400℃条件下，镍基合金涂层1.5h磨损失重为52mg，平均摩擦因数为0.405，随着WC含量的增加，涂层的磨损量减小，平均摩擦因数升高，且不同形态WC复合涂层的磨损量也有明显差异。图5(a)中，与镍基合金磨损量相比，微米团聚WC复合涂层1#(20%WC)，2#(40%WC)和3#(60%WC)的磨损量分别降至34.6%，15.4%和7.7%；块状WC复合涂层4#(20%WC)，5#(40%WC)和6#(60%WC)的磨损量分别降至37.5%，17.3%和9.6%。图5(b)中， 与镍基合金平均摩擦因数相比，两种形态WC复合涂层的平均摩擦因数均有很大提高，且微米团聚WC复合涂层平均摩擦因数最大达到0.512；块状WC复合涂层平均摩擦因数最大达到0.595。综合可见，两种形态WC复合涂层在400℃条件下摩擦磨损性能：较镍基合金相比均有很大提高，两者之间亦表现出较大差异。

究其原因：400℃时，从磨屑宏观形态及其完全不导电两方面分析，可判断摩擦过程中即使摩擦环境中氧压较低，摩擦双方表面仍然有明显的氧化迹象。在高温和接触应力的双重作用下， 镍基合金涂层与对磨环实际接触面积增大，黏着磨损增加。硬质相WC颗粒使涂层产生弥散强化而使强度和硬度增加，同时WC颗粒本身的硬度很高，使涂层的黏着抗力增大，从而涂层磨损量减小，平均摩擦因数增大。同样WC颗粒在涂层中的致密度也影响涂层的磨损性能，致密度越高对镍基合金的保护作用越强，进而涂层的黏着抗力越大。涂层中WC质量分数相同时，微米团聚WC在涂层中的致密度相对要好，所以WC质量分数为20%，40%和60%时，微米团聚WC复合涂层的磨损量均低于相同质量分数块状WC复合涂层的磨损量。

2.2.2温度对涂层磨损性能的影响

图6　温度对熔覆层平均摩擦因数和磨损量的影响Fig.6　Influence of temperature on friction coefficient and mass loss of cladding coatings

图6所示为温度变化对6#(60%微米团聚WC)复合涂层平均摩擦因数和磨损量的影响规律，从图6可看出，随温度的升高平均摩擦因数呈降低趋势，磨损量呈升高趋势。分析其原因：在温度较低时，摩擦表面氧化较小，此时摩擦因数主要取决于摩擦副本身。复合涂层中致密度较好的硬质相WC颗粒对镍基合金的“阴影保护效应”较大，减少了摩擦副双方的黏着抗力，且硬质相WC的抗变形能力强，对摩擦运动阻力大，导致平均摩擦因数高，磨损量小。在温度范围100～500℃内，随着温度的升高，复合涂层与对磨环摩擦表面之间氧化速率增大且氧化物磨屑生成量增加，氧化物磨屑对复合涂层的磨料磨损作用加大，导致涂层磨损量增大，且复合涂层主要磨损机制由低温下的磨料磨损转变为氧化磨损和磨料磨损复合作用。当温度升高至500℃时，摩擦表面氧化速率剧烈增大且对磨双方塑性变形增加至切削作用，因此摩擦表面氧化膜磨屑生成量急剧上升，涂层磨料磨损加剧，磨损量大幅度增加。由于在高温(100～500℃)下氧化膜磨屑生成量增多，磨损表面氧化膜磨屑层覆盖面积增大，所以平均摩擦因数随着温度的升高呈降低趋势。

2.2.3涂层的磨痕形貌与成分能谱分析

为进一步了解涂层的磨损性能，采用扫描电子显微镜对涂层进行磨痕形貌分析。图7为两种形态WC硬质相颗粒磨损后的背散射电子SEM照片，从图7可以看出，微米团聚状与块状WC颗粒在磨损后基本都保持了外形的完整性。因硬质相颗粒与镍基合金基体冶金结合良好，故在发生磨损时硬质相颗粒不易脱落且摩擦表面磨损较均匀。经磨损碳化钨颗粒在金属表面形成了“凸起”，对复合涂层较软的镍基基体起到了很好的保护作用，因此，硬质相碳化钨颗粒的存在使得复合涂层的摩擦因数比单纯镍基合金的明显提高。图8所示为400℃下60%微米团聚状WC复合涂层的磨痕SEM形貌：从图8(a)中可以看出，3#涂层磨损面上有很少的细划痕，表明该涂层具有良好的耐磨性；从图8(b)可以看到灰色氧化膜磨屑致密的填充在白色硬质相WC颗粒周围，对镍基合金起到很好的保护作用，在一定程度上减轻了涂层的磨损、提高了涂层的耐磨性。图9所示为400℃下60%块状WC复合涂层的磨痕SEM形貌：与微米团聚WC复合涂层相比，块状WC复合涂层磨屑呈片层状且磨痕分布不均匀、较深且更宽，从而表现出更差的整体耐磨性。究其原因：正是由于块状WC复合涂层中硬质相分布不均匀，某些大面积的镍基区域不能被WC颗粒保护，进而导致对磨环对其切削作用加大；此外，硬质相WC颗粒附近黏着的片层状氧化膜磨屑与颗粒状磨屑相比，与基体的结合力较弱且容易在磨损过程中发生脱落，无法对基体起到很好的保护作用。因此，微米团聚WC复合涂层的高温耐磨性优于块状WC复合涂层。

图7　硬质相WC颗粒磨损后背散射电子形貌　(a)微米团聚WC颗粒；(b)块状WC颗粒Fig.7　Back-scattered images of WC hard phase after abrasion　(a)agglomeration WC particle;(b)blocky WC particle

图8　400℃下3#涂层磨痕SEM形貌　(a)低倍背散射电子形貌；(b)较高倍背散射电子形貌Fig.8　SEM images of laser cladding sample 3# abrasion trace at 400℃(a)back-scattered image at low magnification;(b)back-scattered image at higher magnification

图9　400℃下6#涂层磨痕SEM形貌　(a)低倍二次电子形貌；(b)较高倍二次电子形貌Fig.9　SEM images of laser cladding sample 6# abrasion trace at 400℃(a)secondary electron image at low magnification;(b)secondary electron image at higher magnification

图10　3#60%微米团聚WC复合涂层磨痕能谱　(a)A区域；(b)B区域Fig.10　EDS diagram of sample 3# with micro-agglomeration WC 60% abrasion trace　(a)area A;(b)area B

图11　6#60%块状WC复合涂层磨痕能谱　(a)A区域；(b)B区域Fig.11　EDS diagram of sample 6# with blocky WC 60% abrasion trace　(a)area A;(b)area B

对两种形态WC复合涂层进行磨痕能谱分析，结果如图10与图11所示。图10为60%微米团聚WC复合涂层磨痕能谱(即图8(a)中A，B区域)，从图中可知：A区域主要含Fe，O元素，表明A区域表面形成了一定厚度的氧化膜，可对涂层起较好保护作用；而B区域中主要含W元素，表明硬质相WC颗粒在涂层中的致密度较高，从而使Ni基区域得到很好保护。图11为60%块状WC复合涂层磨痕能谱(即图9(a)中A，B区域)，从图中可知：A，B区域中Fe，O元素含量都较少，表明整个磨损面上形成的氧化膜很薄，磨损过程中容易发生氧化膜的剥落，很难对涂层起到很好的保护作用；B区域中Ni元素平均含量很高，说明涂层中WC颗粒致密度较低，使得Ni基区域受到的保护作用也较小，导致镍基合金与对磨环金属发生黏着磨损。因此，涂层磨痕能谱结果表明：当WC质量分数为60%时，微米团聚WC复合涂层比块状WC复合涂层表现出更好的耐磨性。

3　结论

(1)高温滑动干摩擦磨损实验表明，硬质相WC颗粒的加入可显著提高激光熔覆WC/Ni基复合涂层的高温耐磨性，且随着WC含量的增加，熔覆层的高温耐磨性也随之提高。当WC含量达到60%时，微米团聚和块状WC/Ni基熔覆层与Ni基合金熔覆层相比，磨损量分别降至7.7%和9.6%，耐磨性分别提高了13倍和10.4倍。

(2)含量相同，形态不同的WC颗粒对熔覆层的高温耐磨性也有很大影响。当WC质量分数为20%，40%，60%时，微米团聚WC熔覆层耐磨性比块状WC熔覆层分别提高了8.3%，12.5%，25%。硬质相WC颗粒分布越均匀，复合涂层的高温耐磨性越好。

(3)随着温度升高，涂层表面氧化速率加快，同时氧化膜磨屑生成量增多，对涂层的磨料磨损加大。高温下60%WC/Ni基复合涂层主要磨损机制由低温下的磨料磨损转变为氧化磨损和磨料磨损复合作用。

[1]张永振. 材料的干摩擦学[M]. 北京: 科学出版社, 2007.

[2]刘正林. 摩擦学原理[M]. 北京: 高等教育出版社, 2009.

[3]夏宝林, 李学富. 介绍一种表面处理技术——热喷涂[J]. 石油钻采机械, 1979, (3):97-101.

XIA B L, LI X F. Introduce a surface treatment technology—thermal spraying[J]. Oil Drilling and Recovery Machines, 1979, (3):97-101.

[4]匡建新, 汪新衡, 唐明华, 等. 添加CeO2激光熔覆Ni基WC金属陶瓷涂层的高温干摩擦磨损性能[J]. 热加工工艺, 2011, 40(4):106-109.

KUANG J X, WANG X H, TANG M H, et al. High-temperature dry friction and wear properties of Ni-based WC ceramic coating by laser cladding added CeO2[J]. Hot Working Technology, 2011, 40(4):106-109.

[5]PICAS J A, FORN A, MATTHAUS G. HVOF coatings as an alternative to hard chrome for pistons and valves[J]. Wear, 2006, 261:477-484.

[6]QIAN M, LIM L C, CHEN Z D. Laser cladding of nickel-based hardfacing alloys[J]. Surface and Coatings Technology, 1998, 106:174-182.

[7]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.

ZHAO M H, LIU A G, GUO M H. Research on WC reinforced metal matrix composite[J]. Welding, 2006, (11):26-29.

[8]张宇, 钟敏霖, 刘文今. 送粉激光熔覆合成制备WC/Ni硬质合金涂层及其耐磨性[J]. 金属热处理, 2006, 30(11): 1-5.

ZHANG Y, ZHONG M L, LIU W J. WC/Ni cemented carbide coating and its wear resistance synthesized by laser powder feeding cladding[J]. Heat Treatment of Metals, 2006, 30(11): 1-5.

[9]王慧萍，张光钧，戴建强, 等. 激光熔覆纳米WC/Ni复合涂层的相组织[J]. 应用激光, 2005, 25(6):369-370.

WANG H P, ZHANG G J, DAI J Q, et al. The Structure of WC/Ni composite coating by laser cladding[J]. Applied Laser, 2005, 25(6):369-370.

[10]杨胶溪, 左铁钏, 王喜兵, 等. 激光熔覆WC/Ni 基硬质合金组织结构及耐磨性能研究[J]. 应用激光, 2009, 28(6): 450-454.

YANG J X, ZUO T C, WANG X B, et al. The microstructure and wear-resistant properties of WC/Ni based cemented carbide fabricated by laser cladding[J]. Applied Laser, 2009, 28(6): 450-454.

[11]WANG H, XIA W M, JIN Y S. A study on abrasive resistance of Ni-based coatings with a WC hard phase[J]. Wear, 1996, 195(1): 47-52.

[12]HUANG S W, SAMANDI M, BRANDT M. Abrasive wear performance and microstructure of laser clad WC/Ni layers[J]. Wear, 2004, 256(11): 1095-1105.

[13]ST-GEORGES L. Development and characterization of composite Ni-Cr+WC laser cladding[J]. Wear, 2007, 263(1): 562-566.

[14]HUANG S W, NOLAN D, BRANDT M. Pre-placed WC/Ni clad layers produced with a pulsed Nd: YAG laserviaoptical fibres[J]. Surface and Coatings Technology, 2003, 165(1): 26-34.

[15]陈爱智, 张永振, 陈跃, 等. 镍基WC陶瓷涂层的干滑的干滑动摩擦磨损性能[J]. 兵器材料科学与工程, 2002, 25(5): 52-54.

CHEN A Z, ZHANG Y Z, CHEN Y, et al. Dry sliding friction and wear performance of WC/Ni based ceramic coating[J]. Ordnance Material Science and Engineering, 2002, 25(5): 52-54.

[16]YANG J X, MIAO X H. Dry sliding wear behavior of laser clad WC/NiCrBSi metal matrix composite coatings[J]. Advanced Materials Research, 2013, 690-693:3327-3333.

High Temperature Dry Sliding Friction and Wear Performance of Laser Cladding WC/Ni Composite Coating

YANG Jiao-xi，ZHANG Jian-quan，CHANG Wan-qing，WANG Yan-fang，CHEN Hong，WANG Xi-bing

(Institute of Laser Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Two different types of agglomerate and angular WC/Ni matrix composite coatings were deposited by laser cladding. The high temperature wear resistance of these composite coatings was tested with a ring-on-disc MMG-10 apparatus. The morphologies of the worn surfaces were observed using a scanning electron microscopy (SEM) equipped with an energy dispersive spectroscopy (EDS) for elemental composition. The results show that the high temperature wear resistance of the laser clad WC/Ni-based composite coatings is improved significantly with WC mass fraction increasing. The 60% agglomerate WC/Ni composite coating has optimal high temperature wear resistance. High temperature wear mechanism of 60% WC/Ni composite coating is from abrasive wear of low temperature into composite function of the oxidation wear and abrasive wear.

laser cladding；composite coating；tungsten carbide；high temperature sliding dry friction；wear resistance

杨胶溪(1971-)，男，副研究员，博士，主要从事激光熔覆成形及表面改性技术的研究及应用，联系地址：北京市朝阳区平乐园100号北京工业大学激光工程研究院(100124)，E-mail: yangjiaoxi@bjut.edu.cn

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.017

TG146.2+3

A

1001-4381(2016)06-0110-07

国家973计划(2011CB606365-3)；国家自然科学基金(50971004)；研究生创新平台建设(101000543214524)

2015-03-15;

2016-03-25