60 %wt WC镍基涂层组织及耐磨性研究

崔 静,李洪威,杨广峰

(1.中国民航大学航空工程学院,天津 300300;2.中国民航大学交通科学与工程学院,天津 300300)

1 引 言

AF1410是一种损伤容限超高强度马氏体钢,是飞机起落架的重要钢材之一,也适用于飞机上的承力梁、连接件和平尾大轴等结构[1-2],其使用过程中承受严重的摩擦磨损,因此有必要探索改进涂层技术以提升该种钢材对应关键零件表面的耐磨性能。

激光熔覆技术生产的涂层具有稀释率低、热影响区窄、晶粒细小等优点[4]。镍基碳化钨涂层由于引入高硬度的陶瓷相WC兼具优良的耐磨性和耐蚀性,Ma Qunshuang等人[5]采用宽带激光熔覆技术制备WC颗粒增强的Ni60复合涂层,发现一种由内陶瓷颗粒和细小层状共晶组成的有芯共晶结构。内部陶瓷为W2B5硼化物,层状共晶为(Cr,W)23C6和γ-(Ni,Fe)的混合物。对于涂层的力学性能,由于WC颗粒的高硬度和二次碳化物的生成,复合涂层的硬度一般高于基材,在摩擦磨损实验中表现出更低的摩擦系数和磨损率从而增强涂层的耐磨性。Xingchen Yan等人[6]在PH 13-8 Mo 钢表面制备了20 %WC含量的NiCrBSi涂层,测得其最低平均磨损系数为0.28,最低磨损率为3.92±0.72×10-6mm3/(N·m),然而采用激光熔覆在AF1410钢表面制备镍基增强涂层的防护应用却相对较少。

本实验选取WC含量为60 %的NiCrBSi粉末,采用激光熔覆技术在AF1410钢表面变扫描速度制备镍基WC涂层,主要讨论了该含量WC下涂层内显微组织,硬度及耐磨性,希望对激光熔覆技术在AF1410钢表面强化领域的应用提供进一步理论支撑。

2 材料及实验设计

2.1 实验材料

采用半圆形直径55 mm,厚9 mm的AF1410钢基材和商用牌号为52052的NiCrBSi-WC粉末(ASTM B214),粉末的化学成分见表1。

表1 粉末化学成分(wt. %)

2.2 实验设计

AF1410基体用砂纸打磨,酒精清洗后预热至150 ℃开始熔覆;激光制造过程使用连续模式光纤激光器、六轴工业机器人和同轴送粉移动式激光熔覆系统(MobilMRO-2)进行,加工工艺参数设定为:保护气体(氮气)流量7/15 L/min,光斑直径3.5 mm,搭接率40 %。加工完毕后放入保温箱缓慢冷却。涂层加工参数包括激光功率和扫描速度如表2所示。激光熔覆工艺示意图[4]如图1(a),所选粉末如图1(b)所示。

表2 激光加工参数

2.3 性能测试及组织观察

试样横截面抛光后利用金相刻蚀剂(HNO3∶HCl∶HF=1∶1∶1)蚀刻,使用超声波清洗机(CS-602)清洗样本以避免污染。利用扫描电子显微镜(SEM Hitachi S-3400N)及配套能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)观察微观结构并检测元素种类及含量。使用显微硬度仪(HVS-1000)沿涂层横截面从顶部向下至基体间隔150 μm打点测量显微硬度,载荷0.1 gf,重复测量三次取平均值。对摩擦学测试所用试件打磨至抛光,以Si3N4(1400HV)作为对磨球,在用酒精清洗冷风吹干后使用MPX-3G销盘摩擦磨损试验机分别依次测试AF1410钢基材、经激光加工涂层试件的摩擦系数曲线。测试参数:载荷50 N,摩擦半径1.5 mm,转速600 r/min,测试时间60 min,环境温度8～16 ℃。测试完毕后采用配套探针式磨痕测量仪测量对应磨损体积。

3 分析与讨论

3.1 XRD物相分析

图2为熔覆层组织的X射线衍射图,可知熔覆层主要的物相为WC、W2C(亚稳态相)等碳化物及γ-(Ni,Fe)固溶体,此外还有少量M23C6和M3C7碳化物。普通激光熔覆的熔池中的典型温度约为1800～2300 ℃,熔池内硬质相的溶解与析出反应式如(1)～(6)。热力学条件下的吉布斯自由能判据表明[7],WC的标准吉布斯自由能变化在2000 K时约为-33 kJ/mol,原位生成W2C的倾向大于生成WC。吉布斯自由能变化为负,表明反应是自发的,理论上可能出现WC与W2C共存的状态,这与检测结果相符。各参数下衍射峰形态高度相似,可见扫描速度不影响生成物相。由W-C二元相图可知,W和C在Ni溶液中溶解度有限[8],当温度从2300 ℃开始下降,一定含量的W和C首先会从Ni溶液中析出,从而原位生成亚稳态βW2C/αWC。

图2 涂层XRD衍射图谱

2WC→W2C+C

(1)

W2C→2W+C

(2)

W+C→WC

(3)

2W+C→W2C

(4)

23M+6C→M23C6(M=Fe,Ni)

(5)

7M+3C→M7C3(M=Fe,Cr)

(6)

3.2 显微组织

各试件显微组织形态相似,以2#涂层为例,图3给出了该涂层典型显微组织照片,涂层底部主要为鱼骨状共晶组织和内部含暗黑色颗粒的蜂窝状组织。向上观察如图3(c),涂层的基本微观组织以树枝晶与暗黑色颗粒为主,枝晶区占据整个涂层的大部分,主要组成为密集的胞状或等轴树枝晶。在涂层的表面枝晶形态变为条状矩形(图3(c)并在WC颗粒周围沿边缘呈放射状外延生长。

图3 2#试件涂层横截面各个部位显微组织

3.3 EDS元素检测

涂层中部等轴/胞状枝晶区某位置局部点扫元素检测结果如图4。可知点1几乎全部由C元素组成,点3和点4含量最多的元素均为W,C,虽然在电子显微镜下呈现出两种不同的物相(块状和枝晶状),但它们的各元素组成和占比十分相似。点2和点5分别对应类似暗黑色颗粒状和蜂窝壁状的两种物相,它们所含的主要元素均为Ni,Fe,C,点2暗黑色颗粒状物相比点5Ni元素更多而C元素更少。Cr元素主要存在于块状碳化物,枝晶和蜂窝壁状物相中(点3,点4,点5),其中Cr元素在块状碳化物中的含量最高,已经接近合金的名义成分。

结合XRD分析结果可知,涂层主要的物相为二次生成的W2C枝晶、WC矩形条状枝晶,γ-(Ni,Fe)固溶体颗粒及各种具有不规则形态的M23C6、M7C3型碳化物。WC的在高温下产生热损伤,其边界遭到侵蚀,靠外的部分溶解为游离的W和C原子,然后随浓度梯度不同析出碳化物枝晶。Ni,Fe的原子半径接近有较好的冶金相容性,在凝固的过程中优先形成以Ni元素为主体的γ-(Ni,Fe)奥氏体并不断从熔融状态的熔池中吸收Ni原子长大,并呈暗黑色颗粒状形态。剩余的Ni,Fe,Cr和部分C原子则沿形成的γ-(Ni,Fe)晶粒边析出M23C6、M7C3。

根据经典的快速凝固理论[9],涂层的微观特征主要由温度梯度与凝固速率的比值G/R决定。涂层-基底交界处G/R较大,形成平面晶冶金结合带,向上温度梯度逐渐减少,凝固速率逐渐加快,G/R值减小,涂层内组织呈树枝晶生长。考虑到空气的导热系数低于金属基底,在涂层顶部略靠下的位置生成的含W碳化物颗粒尖端有足够时间形核长大成具有大宽高比的矩形条状枝晶。沿涂层顶部向下,熔池中随温度梯度逐渐减小,由于更快的冷却速度导致的成分过冷,更多形成了尺寸较小的树枝晶/胞状树枝晶。

由于残余WC颗粒的热传导能力远高于NiCrBSi,残余WC颗粒为非均匀异质形核提供了形核点,W原子和C原子依附WC颗粒周围更容易形核从而沿半径方向向外辐射状析出,使得WC颗粒呈锯齿状或花瓣状。WC属于不等轴晶系,在液相凝固过程中WC的通过溶解-析出机理长大时具有方向性,因此凝固后WC颗粒尺寸较大且呈现矩形状的棱角[10]。

3.4 硬 度

沿涂层深度方向平均硬度分布情况如图5所示(避开WC颗粒),可知显然涂层硬度高于基体,与基体相比,涂层的硬度平均提高了约46 %,其硬度强化机制主要包括首先析出的含W碳化物如WC/W2C/WC0.85等诱导的晶粒细化,以及溶解的W、Cr等大原子固溶在γ-(Ni,Fe)引起晶格畸变产生的固溶强化;晶界析出的M23C6、M7C3等硬质相碳化物也对硬度的提升做出了贡献[11]。涂层表面硬度较高,过度区靠近基底处硬度开始快速下降,这很可能与AF1410钢中的Fe元素混入从而降低了含W碳化物的比例有关,在低扫描速度的情况下(1#和2#),硬度下降区间较窄,而3#和4#件硬度在距离基底250μm左右就开始下降,这意味着高扫描速度Fe稀释的程度较大,不利于涂层整体硬度的提升。

图5 横截面硬度分布

3.5 摩擦学性能

图6(a)给出了摩擦磨损实验的宏观示意图,图6(c)为测试的摩擦系数结果。摩擦系数是表征材料耐磨性能的关键特征之一,主要和材料表面粗糙度有关[12]。纵观摩擦系数曲线,基体在1500转以后进入稳定磨损阶段,而涂层的摩擦系数曲线的“振幅”远大于基体,并且总体上来看仍然不断的起伏,这是涂层表面残余WC颗粒的分布不均导致的。对磨球旋转一周,凸出的WC颗粒与对磨球激烈的碰撞导致接触面的摩擦系数较大,离开WC颗粒后摩擦系数瞬间减小。如图6(b)当破碎的WC颗粒和硬质相磨屑粘连到磨痕上发生加工硬化后,摩擦系数波动减小,直至硬质层和WC颗粒脆化脱落,新的WC颗粒暴漏出来,进入下一个循环周期。尽管每一个阶段持续时间不同,NiCrBSi-WC涂层的摩擦系数曲线整体均呈波动较大—较平稳—波动较大的阶段周期循环(图6(c))。

图6 摩擦学实验结果

磨损率的计算公式如式(7)[13],图6(d)给出了基体和各涂层平均摩擦系数和磨损率。可知,在当前激光器参数下,涂层的平均摩擦系数处于在0.45～0.5之间且小于基体,高于Xingchen Yan等人制备20 %WC含量NiCrBSi涂层的最低平均摩擦系数。随扫描速度改变平均摩擦系数略微增加,磨损率先增大后减小。NiCrBSi-WC涂层的耐磨性相对于AF410钢基体得到了极大增强,每个涂层的磨损率平均较基体减少30倍,达到2.02×10-7mm3/(N·m),功率2800 W,10 mm/s参数下涂层的平均磨损率较基体减少近60倍达到8.78×10-8的量级,约为20 %WC含量NiCrBSi涂层最低磨损率的44倍。

(7)

式中,V为平均磨损体积(mm3);N为施加载荷(N);L为磨痕长度。

4 结 论

本文在AF1410钢表面激光熔覆WC含量60 %NiCrBSi涂层,分析其显微组织,硬度和耐磨性。得到以下结论:

(1)镍基涂层物相主要以呈现为树枝晶形态的WC、W2C、WC0.85等含钨碳化物以及在树枝晶间隙呈现为暗黑色颗粒的γ-(Ni,Fe)为主,夹杂有少量M23C6、M7C3。

(2)涂层的硬度和耐磨性得到了极大增强,摩擦系数有所降低,最优平均磨损率相对基体减少了近60倍达到8.78×10-8mm3/(N·m)。