李凌宇，石巖，李鎮(zhèn)

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

二十世紀(jì)以來(lái)，高精密機(jī)械設(shè)備迅猛發(fā)展，這也使精密裝備趨向大功率小體積復(fù)雜精密化方向發(fā)展[1]。其中用來(lái)制造關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零部件的中碳鋼（如42CrMo鋼）使用性能和可靠性備受關(guān)注[2]，這類(lèi)鋼材主要是用來(lái)制造傳動(dòng)齒輪、傳動(dòng)軸和葉片等核心零件的[3]，在惡劣的工作環(huán)境下長(zhǎng)期服役容易導(dǎo)致零件的表面發(fā)生磨損、腐蝕、壓潰等失效，造成機(jī)械設(shè)備的損壞故障，甚至導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患[3]。因此，對(duì)于提高42CrMo合金鋼表面性能，延長(zhǎng)關(guān)鍵部件使用壽命的技術(shù)發(fā)展受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)今，主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的傳統(tǒng)表面強(qiáng)化工藝主要是表面形變強(qiáng)化（按壓、內(nèi)擠壓、噴丸等）、表面熱處理和表面化學(xué)熱處理（滲碳、滲氮等）等幾種。傳統(tǒng)工藝的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)為強(qiáng)化層與基體結(jié)合強(qiáng)度弱、組織結(jié)構(gòu)疏松、表面變性層厚度低等[4]。二十世紀(jì)后期，激光沉積技術(shù)開(kāi)始迅速發(fā)展，這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)涂層與基體之間的冶金結(jié)合，在材料表面產(chǎn)生致密且性能優(yōu)異的涂層組織，涂層厚度可以精確控制在十幾微米到幾毫米之間，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化大規(guī)模生產(chǎn)，是一種有效提高零件性能的精密制造技術(shù)。利用這項(xiàng)技術(shù)在關(guān)鍵部件表面上沉積混有增強(qiáng)粉末的合金涂層，既能節(jié)約貴重金屬，又能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，獲得表面形狀復(fù)雜的部件，具有巨大的發(fā)展?jié)摿4]。昝少平[1]等研究了鎳鐵鋁混合粉末的激光熔覆，得到了組織性能良好得冶金涂層；房永祥等[2]通過(guò)預(yù)熱在純銅表面使用脈沖激光熔覆Ni60涂層，得到了性能優(yōu)秀的涂層；鄭必舉等[3]對(duì)NiCoFeCrTi高熵合金涂層激光熔覆工藝進(jìn)行了研究，目前已經(jīng)得到顯微硬度940HV遠(yuǎn)大于基材的高耐磨性涂層；童照彭等[5]對(duì)制備激光自潤(rùn)滑涂層進(jìn)行了研究，在38CrMoAl鋼表面制備高耐磨性NiCrMoS2M涂層，并得出強(qiáng)化層主要由FeNi、Ni3Fe和Cr-Ni-Fe-C固溶體逐層等結(jié)論；郭亞雄等[5]研究了激光熔覆AlCrFeMoNbxTiW性能；田興強(qiáng)等[6]在904不銹鋼上成功制備了Y2O3-Al2O3-904L復(fù)合涂層。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)激光沉積制備鐵基耐磨涂層的研究主要集中在激光功率、掃描速度和高熵物質(zhì)對(duì)激光涂層的影響。對(duì)添加硬質(zhì)顆粒對(duì)激光沉積涂層微觀組織對(duì)涂層耐磨性能影響規(guī)律研究相對(duì)較少。因此，對(duì)比研究添加鎳包碳化鎢對(duì)激光沉積鐵基涂層微觀組織和耐磨性之間的關(guān)系具有一定理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用熱軋42CrMo鋼作為基材，材料的化學(xué)成分及物理性能如表1和表2所示，經(jīng)過(guò)鍛造處理后切成尺寸為70mm×40mm×15mm的試樣。試樣表面用金相砂紙打磨并用丙酮清洗。

表1 42CrMo合金鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 42CrMo合金鋼的物理性能

綜合合金粉系與基體材料的相容性、磨損類(lèi)型等因素，選用鐵基Fe106粉末為沉積層材料及沉積層基體材料，粉末粒度為-100～+270目，F(xiàn)e106化學(xué)成分如表3所示、形貌如圖1所示。增強(qiáng)顆粒選取燒結(jié)的鎳包碳化鎢，粉末粒度為-140～+325目，混合質(zhì)量比為5%，化學(xué)成分及性質(zhì)見(jiàn)表4和表5所示。

圖1 Fe106顆粒掃描電鏡形貌

表3 Fe106合金粉末化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表4 鎳包碳化鎢粉末化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表5 鎳包碳化鎢粉末的物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

利用德國(guó)Rofin-Sinar DC050型CO2激光器，如圖2所示，波長(zhǎng)為10.6μm，光束模式為T(mén)EM00，光束質(zhì)量因數(shù)≥0.9，激光束經(jīng)反射聚焦后離焦照射在加工表面，保護(hù)氣體選用純度為99.99%的氬氣，保護(hù)氣體流量為20～25L/min；將42CrMo基體預(yù)熱至200℃，將不同成分的鐵基合金粉末分別烘干，依次倒入RC-PGF-D-2同步送粉器，以1.0r/min送粉速度同軸送粉，激光沉積功率P=2.5kW，掃描速度v=0.3m/min，光斑直徑Φd=3mm，掃描長(zhǎng)度為50mm，并完成搭接使涂層涂滿整個(gè)基材得到樣品如圖3所示。實(shí)際單位時(shí)間內(nèi)送出的粉末質(zhì)量如表6所示。

圖2 激光器與加工機(jī)床

圖3 激光沉積樣品

表6 不同成分鐵基粉末真實(shí)送粉速度

2 激光沉積層微觀組織研究

2.1 Fe106、Fe106+5%Ni/WC激光沉積層微觀分析

用線切割對(duì)試驗(yàn)所得Fe106、Fe106+5%Ni/WC激光沉積涂層進(jìn)行取樣，制成金相樣品利用SEM對(duì)其進(jìn)行分析，取像區(qū)域劃分如圖4所示，a區(qū)為沉積層上部，b區(qū)為沉積層中部，c區(qū)為結(jié)合區(qū)，d區(qū)域?yàn)闊嵊绊憛^(qū)。

圖4 沉積層橫截面不同區(qū)域劃分

得到Fe106涂層SEM形貌圖如圖5所示，圖5（c）中結(jié)合區(qū)上部組織由于溫度梯度較大，生成了沿與熱流相反方向擇優(yōu)生長(zhǎng)的樹(shù)枝晶和與之垂直生長(zhǎng)的柱狀晶。熔合線附近的溫度梯度較大使該區(qū)域凝固得快，從而形成垂直結(jié)合面生長(zhǎng)的樹(shù)枝晶。樹(shù)枝晶生長(zhǎng)到一定程度相鄰樹(shù)枝晶會(huì)相互阻礙，狹小空間內(nèi)形成柱狀晶。

圖5 Fe106沉積層不同位置形貌

圖5（a）和（b）中沉積層中部及上部出現(xiàn)樹(shù)枝晶和等軸晶。這種現(xiàn)象是因?yàn)槌练e層中部固液界面前沿溫度梯度比結(jié)合區(qū)減小，結(jié)晶相對(duì)較慢，引導(dǎo)樹(shù)枝晶生長(zhǎng)并生成粗大的樹(shù)枝晶組織。而沉積層上部熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)和對(duì)流方式向基體及周?chē)h(huán)境散失，使成分過(guò)冷增大，形核率增大，形成等軸晶。

圖5（d）為熱影響區(qū)，該區(qū)域?yàn)轳R氏體組織，形成原因是由于熔池在快速冷卻凝固過(guò)程中，熔池向基體傳遞熱量，使熱影響區(qū)溫度超過(guò)42CrMo鋼相變溫度，從而發(fā)生相變硬化形成馬氏體。

圖6為Fe106+5%Ni/WC沉積層的SEM形貌圖，通過(guò)和Fe106涂層進(jìn)行對(duì)比，熱影響區(qū)和結(jié)合區(qū)上部組織無(wú)明顯改變，但沉積層中部和上部晶粒尺寸有明顯的減小。

圖6 Fe106+Ni/WC沉積層不同位置形貌

通過(guò)對(duì)涂層中上部枝晶和晶間進(jìn)行EDS點(diǎn)掃描分析可得，結(jié)果如表7所示，添加Ni/WC后枝晶間組織元素Fe、Cr的含量明顯升高，Cr元素在枝晶間富集，而W、C元素與Cr的混合焓較小，易于熔入富鉻枝晶間固溶體，部分碳化鎢顆粒會(huì)熔于枝晶間固溶體，產(chǎn)生晶格畸變、體積增大，阻礙了樹(shù)枝晶生長(zhǎng)，使晶粒細(xì)化[8]。

表7 枝晶和枝晶間組織成分的變化

2.2 Fe106、Fe106+5%Ni/WC激光沉積層X(jué)RD物相分析

利用Empyream型X射線衍射儀分別對(duì)Fe106、Fe106+5%Ni/WC涂層物相進(jìn)行檢測(cè)，獲得如圖7所示譜圖，圖7（a）中Fe106沉積層的主要物相組成為α-Fe、B2Fe及M23C6碳化物等，其中α-Fe為韌性相，M23C6為硬質(zhì)相。圖7（b）中Fe106+5%Ni/WC沉積層物相主要包括α-Fe、B2Fe、Cr-Ni-Fe-C固溶體及M23C6、WC硬質(zhì)相組成。通過(guò)物相可以看出添加Ni/WC可以使涂層中硬質(zhì)增強(qiáng)相增多，為性能的提高提供有力依據(jù)。

圖7 Fe106、Fe106+5%Ni/WC涂層X(jué)RD

2.3 Fe106、Fe106+5%Ni/WC激光沉積層顯微硬度分析

圖8（a）為Fe106沉積層橫截面顯微硬度分布曲線，沉積層平均顯微硬度最高為832.7HV，熱影響區(qū)平均顯微硬度其次為439.4HV，基體平均顯微硬度最低為249.4HV。圖8（b）為Fe106+Ni/WC沉積層橫截面顯微硬度分布曲線，沉積層平均顯微硬度最高為870.2HV，約為基體硬度的3.5倍左右，且比Fe106沉積層顯微硬度高。

綜上，Ni/WC顆粒被送入熔池中，受熔池流動(dòng)和自身重力影響不斷下沉，但由于激光沉積快熱快冷的加工特點(diǎn)，是大部分WC未到達(dá)熔池底部，而使WC硬質(zhì)相彌散在涂層中，未添加WC的Fe106涂層顯微硬度相比，F(xiàn)e106+Ni/WC沉積層平均硬度明顯升高，部分高分熔化的Ni/WC顆粒與其他元素反應(yīng)生成彌散分布的M23C6等硬質(zhì)相，由于這些硬質(zhì)相的強(qiáng)化作用，使沉積層硬度較基體顯著提高。

圖8 Fe106、Fe106+5%Ni/WC涂層顯微硬度

3 激光沉積鐵基涂層耐磨性研究

利用MM200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行室溫干滑動(dòng)摩擦測(cè)試滑動(dòng)摩擦磨損測(cè)試示意圖如圖9所示，在載荷為P=10kg，磨損時(shí)間t=40min情況下，測(cè)得不同試樣摩擦系數(shù)和磨損量，進(jìn)行對(duì)比分析。

圖9 摩擦磨損示意圖

3.1 激光熔沉積層摩擦系數(shù)分析

不同成分激光沉積鐵基涂層、高頻淬火表面及母材在室溫下測(cè)得的干摩擦系數(shù)如圖10所示。各試件表面平行和垂直掃描方向的摩擦系數(shù)變化較小，磨擦方向?qū)δp性能的影響很小。試件表面摩擦系數(shù)大小順序分別為Fe106+5%Ni/WC＞高頻淬火＞基材＞Fe106。添加WC顆粒干摩擦系數(shù)變小的原因是碳化鎢原子鍵類(lèi)型與對(duì)磨件明顯不同，兩者在摩擦過(guò)程中難以出現(xiàn)界面原子擴(kuò)散導(dǎo)致的黏著現(xiàn)象，不需要克服黏著接點(diǎn)所需要的力，從而降低摩擦力黏著分量，另外，WC顆粒在涂層中起承載作用，削弱了對(duì)磨件表面微凸體對(duì)沉積層表面的磨削作用，進(jìn)而減小摩擦力中的微凸變形分量，因此添加碳化鎢涂層的干摩擦系數(shù)較小[9]。

圖10 鐵基沉積層、高頻淬火及基體摩擦系數(shù)

3.2 激光沉積層磨損量分析

測(cè)得不同試樣磨損失重，結(jié)果如圖11所示。由圖可知激光沉積方向?qū)δ湍バ阅軣o(wú)明顯影響。各試件磨損失重均小于42CrMo基體，試件失重大小順序分別為Fe106+5%Ni/WC＜高頻淬火＜Fe106＜基材。經(jīng)過(guò)計(jì)算，F(xiàn)e106+5%Ni/WC沉積層耐磨性明顯提高，分別為高頻淬火耐磨性的1.5倍、Fe106原始沉積層耐磨性的1.7倍及基體耐磨性的2.86倍。

圖11 鐵基沉積層、高頻淬火及基體磨損量

3.3 磨痕形貌和磨損機(jī)制分析

圖12為各試件磨損后SEM形貌。其中圖FP1中顯示激光沉積Fe106涂層磨損形式為磨粒磨損和黏著磨損，磨損表面產(chǎn)生較多細(xì)小的“犁溝”，且“犁溝”兩側(cè)因塑性變形出現(xiàn)較高隆起，并且黏著部分對(duì)磨件表面剝落的材料。Fe106涂層耐磨性比基體略高是由于粉系中Cr、Mn、C等元素，在沉積過(guò)程中形成M23C6等硬質(zhì)相彌散分布于沉積層中，當(dāng)沉積層內(nèi)部受外力作用產(chǎn)生塑性變形時(shí)，M23C6等碳化物會(huì)對(duì)位錯(cuò)滑移起到阻礙作用進(jìn)而起到減摩作用。但由于Fe106涂層的顯微組織較粗大，造成耐磨性能低于高頻淬火表面[10]。圖FP2顯示Fe106+Ni/WC涂層形貌中磨痕較寬，磨損表面出現(xiàn)明顯的“犁溝”和少量即將脫落的磨屑，磨損形式以磨粒磨損為主，并伴隨輕微黏著磨損。Fe106+Ni/WC涂層耐磨性能最好主要是因?yàn)镹i/WC增強(qiáng)顆粒彌散分布于基體中，能夠阻礙磨屑對(duì)涂層表面進(jìn)一步的破壞。并且部分Ni/WC溶解到基體中，起到固溶強(qiáng)化作用，進(jìn)一步提升涂層的耐磨性。圖GP中高頻淬火試樣和圖M中基體表面磨損后SEM形貌，可以發(fā)現(xiàn)高頻淬火表面存在細(xì)小的劃痕，未出現(xiàn)黏著現(xiàn)象，說(shuō)明高頻淬火表面為磨粒磨損。而由基體表面形貌可以看出基體表面存在較多剝落坑，而未出現(xiàn)黏著現(xiàn)象，因此基體表面為剝落磨損。[11]

圖12 鐵基沉積層、高頻淬火及基體磨損形貌

4 結(jié)論

結(jié)合Fe106、Fe106+Ni/WC激光沉積微觀組織分析，并完成以上兩種涂層、激光高頻淬火組織和基材的耐磨性能的對(duì)比，分析摩擦機(jī)理，結(jié)果表明：

（1）Fe106沉積層主要物相組成為α-Fe、B2Fe及M23C6碳化物。沉積層顯微組織由粗大樹(shù)枝晶、柱狀晶及等軸晶組成，平均顯微硬度為832.7HV。

（2）Fe106+Ni/WC沉積層物相主要包括α-Fe、B2Fe、M23C6及WC硬質(zhì)相組成。涂層組織由樹(shù)枝晶和柱狀晶組成。與Fe106原始沉積層相比，沉積層因外加WC硬質(zhì)顆粒相使沉積層顯微硬度明顯增加。Fe106+Ni/WC沉積層耐磨性由于沉積層存在彌散分布的M23C6和外加WC硬質(zhì)相的共同作用使沉積層耐磨性明顯提高，分別為高頻淬火、Fe106原始沉積層及基體耐磨性的1.5倍、1.7倍、2.86倍。

（3）Fe106和Fe106+Ni/WC沉積層磨損機(jī)制為磨粒磨損和黏著磨損，高頻淬火表面為磨粒磨損和基體表面呈剝落磨損。