logo

不同碳化钨含量对激光熔覆镍基碳化钨涂层性能的影响

众所周知,碳化钨具有高耐腐蚀性、高硬度、高熔点、可焊性好、一定的塑性变形、与镍基合金之间的润湿性较好等性能。在镍基自熔性粉末中添加碳化钨颗粒制成的涂层具有较高的硬度、较好的耐磨性和耐腐蚀性能,是制备石油、化工、工程机械等领域的零部件涂层的最佳选择材料。 本文采用粉末等离子弧熔覆技术在Q345钢表面制备镍基碳化钨涂层,研究不同碳化钨含量在等离子弧作用下对镍基碳化钨涂层微观组织及性能的影响。

实验准备

基材:Q345钢

熔覆材料:Ni60镍基自熔性合金粉末,48-116μm

添加材料及添加量:

WC(15wt%,35wt%,50wt%),

100-147μm

熔覆前准备:200℃干燥2h

不同组别镍基碳化钨成分(wt%)

熔覆涂层金相图如下:

述(最多18字

等离子弧熔覆镍基碳化钨涂层微观组织形貌: (a,d)Ni60WC15; (b,e)Ni60WC35; (c,f)Ni60WC50

镍基碳化钨粉末中碳化钨含量为15%~50%时,等离子弧熔覆所制备的涂层与Q345钢基体界面结合良好,无冶金缺陷,涂层表面无气孔缺陷;当碳化钨含量为50%时,涂层表面有微量细小裂纹。

当粉末中碳化钨含量为15%时,熔覆涂层中碳化钨颗粒主要沉积在涂层底部,碳化钨颗粒含量占整个组织的76% (见图a)。 随着粉末中碳化钨含量增 加至35% ,熔覆涂层中碳化钨颗粒数量迅速增多,逐渐由涂层底部向涂层表面分布(见图b)。 当粉末中碳化钨含量为50% 时,熔覆涂层中碳化钨颗粒数量最多,占整个组织的21.9% ,碳化钨颗粒几乎布满整个熔覆涂层(见图c)。

熔覆涂层的XRD结果: (a)Ni60WC15; (b)Ni60WC35; (c)Ni60WC50

由此可知,等离子弧熔覆镍基碳化钨涂层主要由碳化钨颗粒、枝状晶和枝状晶间的固溶体构成,碳化钨颗粒主要是WC,边缘有少量的W2C。 枝状晶主要含Cr23C6 、SiC、Ni3Si,还 可能含Cr、Si、Fe、W的硼化物,枝状晶间的固溶体是γNi。随着粉末中碳化钨含量的增加,熔覆涂层组织中碳化钨颗粒所占比例增加,并从涂层底部逐渐弥散分布于整个涂层。

涂层硬度分析

不同碳化钨含量下熔覆涂层硬度分布

从涂层与基体的界面到涂层表面,不同含量碳化钨含量所得的等离子弧熔覆涂层的硬度值均逐渐增大后略有减小,且熔覆涂层的最大硬度值处于不同位置。

当粉末中 碳化钨含量为15% 时,由于碳化钨密度(W2C为 17.2g/cm3, WC为15.7g/cm3)大于镍基合金密度(约为8.4g/cm3), 熔覆涂层中碳化钨颗粒主要沉积在底部,在距离界面约0.5mm处熔覆涂层硬度达到最大值,为859HV10。 当粉末中 碳化钨含量增加至35% 时,熔覆涂层中碳化钨颗粒数量显著增加且主要分布于距离熔合线1.0-3.5mm 处,此时熔覆涂 层硬度达到最大值,为927 HV10。 当粉末中碳化钨含量为 50%时,熔覆涂层中碳化钨颗粒数量多且弥散分布于整个涂层, 涂层表面硬度达到最大值,为1024HV10

在等离子弧作用下,一方面,粉末中未溶解的碳化钨作为硬质相在熔覆涂层中弥散分布,对镍基合金起到弥散强化 作用;另一方面,镍基合金中Cr、Si、Fe、W等元素固溶于Ni中,形成γNi固溶体,对熔覆涂层起到固溶强化的作用。同时,粉末中Ni、Cr、Si、Fe、W和B、C元素在等离子弧作用下形 成碳化物和硼化物硬质相,对熔覆涂层起到析出强化作用。这些共同作用使镍基碳化钨熔覆涂层具有较高的硬度。随着粉末中碳化钨含量从15% 增加至50%,熔覆涂层的平均硬度值也相应增加。这主要是因为随着粉末中碳化钨添加量的增加,涂层中碳化钨颗粒数量、碳化物和硼化物数量也增加。

涂层耐磨性分析

不同碳化钨含量下熔覆涂层摩擦系数随时间的变化曲线

不同碳化钨含量下熔覆涂层的磨损率

 

 

随着粉末中碳化钨含量的增加,熔覆涂层中碳化钨颗粒数量增多且逐渐弥散分布,熔覆涂层中其他碳化物、硼化物等硬质相的数量也相应增加,且熔覆涂 层的耐磨性能增强。当粉末中碳化钨含量为50% 时,熔覆涂层的耐磨性最好。一般认为材料的硬度与其耐磨性有一定的线性关系,即材料的硬度越高,其磨损率越小。

结论

(1)在所选工艺参数条件下,等离子弧熔覆镍基碳化钨涂层均无气孔,当碳化钨含量为50%时,熔覆涂层中有微量细小裂纹存在。

(2)等离子弧熔覆镍基碳化钨涂层主要由碳化钨、枝状晶和枝状晶间的固溶体构成。碳化钨颗粒主要由WC和边缘处少量W2C组成,枝状晶主要含有 Cr23C6 、SiC、Ni3Si,可能 含有Cr、Si、Fe、W的硼化物,枝状晶间的固溶体是γNi。

(3)随着粉末中碳化钨含量的增加,熔覆涂层中碳化钨颗粒所占比例增加。当粉末中碳化钨含量为50% 时,熔覆涂层中碳化钨颗粒数量最多且弥散分布于整个涂层,此时熔覆涂层的硬度达到最大值,为1024HV10 ,熔覆涂层的耐磨性也达到最佳。

参考文献:

《不同碳化钨含量对等离子弧熔覆镍基碳化钨涂层组织及性能的影响》,吴磊,浦娟,江苏科技大学材料科学与工程学院,郑州机械研究所新型钎焊材料与技术国家重点实验室

版权声明:
《工业激光应用》网站的一切内容及解释权皆归《工业激光应用》杂志社版权所有,未经书面同意不得转载,违者必究!
《工业激光应用》杂志社。
调查问卷期刊订阅