摘 要：采用预置涂层法，在基材 45 钢表面预置金属 Ni60+WC 粉末，通过试验采用不同的激光工艺参数获得不同的熔覆层，并进行参数优化。 借助光学显微镜、扫描电镜、摩擦磨损试验机等对激光熔覆层的合金元素分布、组织结构、磨损特性等进行了系统的研究。 结果表明，选用体积分数为 50vol%、粒度为 1 μm 的 WC 复合涂层，采用优化的工艺参数所得到的熔覆层，其耐磨性能是淬火 45 钢的 7 倍，是 Ni60 涂层的 5倍。
关键词：激光熔覆; WC 颗粒; Ni 基合金;工艺参数; 耐磨性能
激光熔覆是一种新型的表面强化方法， 它利用高功率、高能量密度的激光束，将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化， 光束移开后快速冷却，形成稀释率极低、与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等。 Ni 基合金熔覆层以其较高硬度、 高温耐磨性和高温耐腐蚀性， 被广泛应用于电力、冶金、石化、机械等领域。 WC 陶瓷具有较高的硬度和化学稳定性， 与镍等金属形成金属陶瓷复合材料(硬质合金)，常用于切削工具、耐磨零部件等。 然而，WC 硬而脆，且在受热时易分解、溶解及氧化，使得熔覆层中 WC 体积分数受限制，甚至导致涂层存在裂纹等缺陷，因而大大限制了激光熔覆 WC-Ni 基合金涂层的应用[1]。
激光功率主要决定线能量的大小， 从而影响熔覆层的状态， 离焦量会影响线能量的大小及表面平整度，道间间距主要决定表面平整度，扫描速度影响线能量。本文通过优化以上工艺参数，获得了表面平整均匀的熔覆层;WC 的粒度和体积分数决定了熔覆层的硬度及耐磨损性能，通过优化 Ni60(NiCrBSi) + WC 配比，获得了界面结合良好、成分均匀和耐磨损性能优异的熔覆层。
1 试验材料、设备及分析方法
1.1 试验材料
WC 颗粒原始粉末的粒度为 1、5、20μm。 45 钢基体的尺寸为 45mm×25mm×3mm。 先利用丙酮清洗基体，再采用 100 目的棕刚玉进行喷砂处理，喷砂角度为 90°(垂直喷砂)， 喷砂完毕后， 再用丙酮清洗，目的是增强复合涂层与基体的润湿性。粘结剂为 5%聚乙烯醇水溶液， 将絮状聚乙烯醇放入水中，水浴加热到 90℃，保温 2～3 h，让其充分溶解，最后出现清晰的透明状液体。 将基体预热到 400℃左右为宜，这样基体表面形貌好，又不会导致基体晶粒明显长大。 采用氮气进行气体保护，这样熔池中氧含量大大减小，WC 分解的 C 就不会和 O 结合， 避免了气孔的形成，耐磨性能提高。 Ni60 包裹 WC 颗粒，熔覆层中 WC 颗粒保留原来的形貌，Ni60 溶解充分， 与基体混合达到冶金结合。 Ni60 包裹 WC，增强熔覆层耐磨性能[1]。
1.2 试验设备
激光熔覆设备见图 1， 包括 CO2 激光器和自制夹具。 磨损试验机原理图见图 2，磨损参数见图中标注。
1.3 激光熔覆工艺参数试验
首先进行基体处理。 将线切割加工好的试样进行喷砂处理，然后再用丙酮进行擦拭。目的是让液态的熔覆层和基体能够进行很好的润湿， 进而达到较好的冶金结合。
配置 5%聚乙烯醇水溶液粘结剂。 将絮状聚乙烯醇放入水中，加热到 90℃，保温 2～3 h 即可。 本次试验采用预置涂层法。 将 5%聚乙烯醇水溶液与复合粉末充分搅拌均匀， 然后采用软毛刷将其刷到准备的好的基体上，每次都用吹风机吹干后再刷，大约经过 30 次左右才能达到 600～800μm 的厚度。 通过反复涂刷发现，刚开始时，复合粉末和聚乙烯醇水溶液体积比为 1∶1，最后为 1∶2，中间连续变化，来回刷，这样刷出来的表面平整、成分均匀、效果较好。
上述步骤完成后将试样在 100℃下烘干 4 h，让水分蒸发。
对于一定 WC 粒度和体积分数的涂层，磨损量随激光功率的变化如表 1 所示。当激光功率低时，Fe 元素不熔于合金熔覆层，稀释率低，WC 体积分数保留下来较多，故磨损量小。虽然低功率的摩擦磨损特性好，但是由于激光功率低，不能得到良好的熔覆层表面。由于熔覆层吸收的热量低，熔覆层与基体不能形成良好的结合面。 激光功率过高时，Fe 元素容易上浮，稀释率大大增加。 另外，WC 受热分解，产生气孔，导致熔覆层成分不均匀，WC 体积含量低，故熔覆层耐磨性能差。 因此，应选择适当激光功率，一般来说，激光功率应在 1.8～2.0 kW 为宜。
磨损量随扫描速率的变化如表 2 所示。 扫描速度低时，熔覆层接受的热输入多，基体元素进入熔覆层，导致稀释率增加，进而降低耐磨性能。另外，过低的扫描速度甚至会因为过大的热输 入造成 WC 分解，最终也是降低稀释率，从而耐磨性能降低。 扫描速度过高时会导致熔覆层成分不均匀， 甚至出现宏观上的不连续。 因此， 一般选择扫描速度为 200～ 300mm/min 为宜， 这时既能保证合适的热输入，又能保证熔覆层良好的质量。经过对比试验发现，对于中等偏粗的粉末， 较为合理的参数为： 激光功率为 1.8 kW、离焦量为+16.5 mm、道间间距为 1.8 mm、扫描速度为 200mm/min。 对于细粉，较合适的组参数为：激光功率为 2.0 kW、离焦量为+22.5 mm、道间间距为 2.2mm、扫描速度为 300mm/min。
对于不同 WC 粒度 (1、5 和 20μm)， 随着 WC 体积分数的增加，磨损量近似呈线性减小，即耐磨损性能增加。 因此，要在一定程度上提高 WC 的体积分数，从而提高其耐磨损性能。 但是，随着 WC 体积分数的不断提高，该曲线会有最小值。 当 WC 体积分数过高时，耐磨性能反而降低，原因是涂层脆性增强， 且 Ni60 含量降低也会导致涂层粘结性不好，在磨损试验时 WC 成片脱落。 即随着 WC 体积分数的增加， 耐磨损性能先增强 后减弱， 当体 积分数为50vol%时出现极大值，这时耐磨损性能最优。
1.4 熔覆层性能表征
基于上述的最佳激光熔覆工艺参数和最佳 WC 体积分数，对不同粒度的 WC+Ni60 涂层进行试验，使用扫描电镜 SEM 和耐磨损试验失重对熔覆层微观形貌和耐磨性能进行表征。
2 试验结果及分析
2.1 结合面 SEM 形貌观察及分析
基体与 Ni60 合金粉末熔覆层形貌见图 3。 由图可见基体与 Ni60 粉末经过激光熔覆后的结合界面形貌，界面已达到冶金结合。
2.2 基体表面激光熔覆 Ni60+WC 复合涂层分析
镍基合金中 加入了极具 抗磨能力的 WC 颗粒后，一方面，WC 颗粒的溶解有利于涂层的固溶强化以及重新凝固过程中共晶碳化物的第二相强化。 另一方面， 未熔的 WC颗粒本身以及共晶碳化物等对涂 层 组 织 的 枝 晶 及 共 晶 组 织 的 细 晶 强 化 ， 都 使 Ni60+WC 涂层的耐磨性明显高于 Ni60 涂层。 当加入较多的 WC(体积分数 50vol%) 时，这些效果越明显。 另外，镍与钴基合金间具有良好的相容性，镍包 WC 与镍基合金之间存在溶解与扩散也使得 WC 与基体熔为一体， 增强了 WC 与基体合金的结合，使 WC 颗粒在磨损过程中不易脱落，且 Ni60 粉末的包覆作用也使 WC的残留量明显增多[2]。
图 4 为不同 WC 粒度的熔覆层表面形貌。 经过元素分析确认， 白色颗粒状为未熔化的 WC 颗粒，包裹在 WC 颗粒周围的黑色部分为熔化的 Ni60 合金粉末，灰色部分为碳钢基体。 Ni60+WC 激光熔覆试验时，Ni60 合金粉末完全熔化， 而 WC 不完全熔化， 只是少量较细的粉末发生熔化。 熔覆层中仍有部分 WC 颗粒未熔化，保留着原始颗粒状。 相比于中等偏粗 WC 颗粒熔覆层，细粉 WC 熔覆层中 WC 颗粒分布更加均匀，镍基合金粉末包裹 WC 更加密实，熔覆层强韧性也更佳。
2.3 不同粒度 WC+Ni60 合金涂层耐磨损性能表征
表 3 为体积分数为 50vol%时不同 WC 粒度磨损量。 由表中数据可知， 不同的 WC 粒度和相 同(50%) 体积分数中， 当粒度为 1μm、 体积含量为 50vol%的复合涂层，其耐磨性最好。 一方面，较细颗粒的 WC 被 Ni60 粉末包裹的较密实， 在磨损试验时，不太容易造成整个颗粒的脱落，磨损时受到的剪切力相对于小颗粒的 WC 来说较小。 相反，大颗粒的 WC 受力较大，加之 Ni60 包裹不密实，粒度较大的 WC 在磨损时由于以磨粒磨损的机制剥落，所以耐磨损性能不好。 因此，较大颗粒的 WC 耐磨损性能相对较差。 另一方面，由较小颗粒的 WC 构成的复合涂层相对于大颗粒的 WC 涂层， 其韧性较好，激光熔覆时由于快热快冷，热应力较大，较小颗粒的 WC 由于韧性好， 有助于内应力释放而不容易产生裂纹，整个熔覆层组织完整致密，耐磨损性能较好[3]。 粒度为 1μm 体积含量为 50vol%/WC+Ni60 激光熔覆复合涂层耐磨性能大约是淬火 45 钢的 7 倍，是激光熔覆 Ni60 涂层耐磨性能的 5 倍。
3 结论与展望
(1) WC 体积分数为 50%时， 熔覆层磨损量随着 WC 粒度的增加而增加。 原因是当 WC 粒度增加时，熔覆层的硬脆性倾向增大，磨损时以磨粒磨损为主，WC 颗粒成块脱落。
(2) 从表面形貌来看，对于中等偏粗的粉末，较为合理的参数为： 激光功率为 1.8 kW、 离焦量为+ 16.5 mm、 道 间 间 距 为 1.8 mm、 扫 描 速 度 为 200 mm/min。 对于细粉，较合适的参数为：激光功率为 2.0 kW、离焦量为+22.5 mm、道间间距为 2.2 mm、扫描速度为 300mm/min。
(3) 比较了同一体积分数 50vol%、不同 WC 粒度的复合粉末，经过激光熔覆耐磨涂层，当 WC 粒度为 1μm 时，熔覆层的耐磨性能最好，其耐磨性能是淬火 45 钢的 7 倍，是 NiCrBSi 的 5 倍。
(4) 今后可以对微米 WC+纳米 WC 的多粒度复合粉末进行研究。 因为加入微米 WC 激光可保证熔覆层的硬度和耐磨损性能，纳米 WC 的加入增强了熔覆层的韧性，抗裂性能大大增强，所以，复合粉末的耐磨性能会有较大的提高[4-5]。——论文作者：陈永刚
参考文献:
[1] 陈书法，何祥明，杨茂盛，等.激 光 熔 覆 制 备 NiCr/Cr3C2-WS2- CaF2 复合材料涂层[J].材料热处理学报，2012，33(10)：21-25.
[2] 匡建新，汪新衡，黄开有.激光熔覆 Ni 基微-纳米 WC 金属陶瓷涂层组织及干滑动磨损性能[J].热加工工艺，2010，39(2)： 47-49.
[3] 徐采云，陈华辉，谌俊，等.激光熔覆微-纳米 WC 复合涂层的干摩擦磨损性能[J].金属热处理，2006，31(z1)：146-148.
[4] 李震.激光熔覆镍基碳化钨涂层组织与性能研究[D].天津: 天津工业大学，2015.
[5] 马向东，刘东方，黄亮亮.烧结碳化钨增强激光熔敷涂层耐磨性研究[J].润滑与密封，2016，41(6)：1-3
