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310S不锈钢管激光熔覆硬质合金复合涂层及其磨损性能研究

来源:至德钢业 日期:2020-11-18 00:14:20 人气:598

浙江至德钢业有限公司以镍粉和WC粉为原料,采用激光熔覆法在310S不锈钢管表面制备了镍基-WC复合涂层,研究了激光熔覆层的显微形貌、物相组成和耐磨性能,并分析了复合涂层的作用机理。结果表明,激光熔覆层致密,无气孔或者其它显微缺陷,熔覆层与基材冶金结合良好;Ni基-20%WC激光熔覆层的物相为:Ni3Cr2、Ni17W3、Cr4Ni15W、Fe6W6C、Mo6Ni6C、W3C和WC;不同添加量的激光熔覆层的磨损失重均小于不锈钢基材,随着WC含量的增加,熔覆层的磨损失重量呈现逐渐降低趋势。

 

 随着激光加工技术的快速发展,结合激光束与金属材料的相互作用机理,将激光热加工应用于材料表面改性以实现综合性能的提高已成为金属材料表面改性的重要方法。采用与基材材料物理和化学性质完全不同的材料为原料,在激光熔覆作用下形成了与基体有一定结合力的表面涂层,从而达到改善表面耐磨、耐腐蚀等特性的目的。目前,激光熔覆材料大多为自熔性合金粉末,如镍基、钴基和铁基粉末等,主要应用在局部耐磨或者具有抗热疲劳的构件。然而,随着310S不锈钢管材料服役要求的提高,单纯的镍基或者钴基等涂层的使用性能已无法满足耐磨性或热震损伤等的要求。因此,浙江至德钢业有限公司结合硬质合金涂层的特性,尝试采用镍基粉末和硬质合金粉末相结合的方法,采用激光熔覆在310S不锈钢管表面制备了复合涂层,并研究了熔覆层的显微形貌、物相组成和耐磨性能,以期为高性能的激光熔覆层的开发与应用提供参考。


一、试验材料与方法


 激光熔覆基体材料为310S不锈钢管,规格为180mm×8mm,主要元素化学成分为:镍:19.5%,铬:25.4%,锰:1.2%,硅:0.47%,磷:0.010%,硫:0.003%,余量为铁。


 熔覆层为镍基粉末和不同含量的WC粉末复合而成,镍基粉末的化学成分(%)为:铬:21.2%、铁:1.9%、钼8.9%、铌:3.4%、硼:4.5%、硅0.1%,余量为镍;WC粉末的质量分数在5~50%之间,采用机械混合的方法搅拌均匀,然后烘干备用。激光熔覆前对不锈钢板进行表面打磨和喷砂,然后进行超声波清洗和干燥。采用DL-TM-CX15000型高功率CO2激光器和激光数控加工机进行熔覆试验,激光输出功率为3~7kW,光斑直径为8mm,扫描速度为1000mm/min,激光熔覆过程中采用氩气进行保护,然后空冷至室温。


 熔覆层显微组织观察采用IT300扫描电子显微镜,并用附带能谱仪对微区成分进行测量;物相分析采用X’PERTPOWDERX射线衍射仪;采用NDI-IS05轮式磨粒磨损试验机进行摩擦磨损试验,正压力为30N,对磨材料为160目粒径的碳化硅砂纸,转速为166mm/转,摩擦行程为145m;通过失重法评定激光熔覆层的耐磨性能。


二、试验结果与讨论


 图为激光熔覆涂层原料镍基粉末和WC粉末的SEM形貌。镍基粉末颗粒圆整度较高,粒径主要分布在60~160μm,无形状不规则颗粒;WC粉末颗粒的圆整度相对较差,粒度与镍基粉末相当,个别稍大的颗粒尺寸可达200μm,颗粒之间并没有发生粘结。


 图为20%WC粉末含量的激光熔覆层横截面显微形貌。激光熔覆层横截面整体形貌可见,熔覆层致密性较高,没有发现气孔或者其它显微缺陷的存在;从激光熔覆层上部的显微形貌可见,由于表层散热较快以及较大的冷却速度,上部区域主要为细小的树枝晶;从激光熔覆层的中部显微形貌可见,中部区域形成了较大的枝晶,且枝晶生长具有一定的方向性,这主要是由于这部分区域的冷却速度较慢,枝晶发生了粗化和长大;激光熔覆层下部分区域,由于与基体材料相接近,在基材的激冷作用下,界面处的熔覆层形成了垂直于基材界面生长的特征。整体而言,激光熔覆层与基材形成了良好的冶金结合。


 图为20%WC的激光熔覆层XRD分析结果,在激光熔覆的作用下,熔覆层相组成为:Ni3Cr2、Ni17W3、Cr4Ni15W、Fe6W6C、Mo6Ni6C、W3C和WC,除此之外,无Ni相,且WC峰的强度也较弱。表面熔覆层中W3C的形成主要是由于W和C之间形成了金属间化合物,而Ni17W3、Cr4Ni15W、Fe6W6C等相形成主要与激光熔覆过程中WC颗粒的溶解有关。


 图为20%WC的激光熔覆层SEM显微形貌分析结果。截面形貌除了树枝晶外,还可见灰白色的WC颗粒存在。对图中的不同区域进行能谱分析,结果如表。可见,枝晶中的白色区域主要含有镍、铬、铁、钼等元素,而钨和碳的含量较少;B4区域中含有镍、铬、铁、钼等元素,但是W和C的含量相对较多;而C4、D4和E4区域也都主要含有镍、铬、铁、钼等元素,而钨和碳的含量与A4区域相当。由此可见,在越靠近WC颗粒的区域内,镍含量和铬含量会相对较低,而钨和碳含量会相对较高。除了局部区域存在未溶解的WC颗粒外,熔覆层中大部分区域的枝晶中形成了含钨的金属间化合物,如Ni17W3、Cr4Ni15W、Fe6W6C等。


 对WC粉末含量分别为0、5%、10%、15%、20%和50%的激光熔覆层进行磨损失重测试,结果如图,其中WC含量为0代表不锈钢基材。由此可见,不同添加量的激光熔覆层的磨损失重都要小于不锈钢基材,且随着激光熔覆层中WC含量的增加,熔覆层的磨损失重量呈现逐渐降低的趋势。


 图为添加20%WC的激光熔覆层和310S不锈钢管基材的磨损SEM形貌。对于Ni基-20%WC激光熔覆层而言,磨损表面可见较浅的犁沟,而灰白色的WC颗粒表面无明显磨削痕迹;在相同的磨损条件下,对于不锈钢基材而言,基材表面可见较深的磨削犁沟存在。从磨损形貌中对比分析可见,Ni基-20%WC激光熔覆层的耐磨性能优于不锈钢基材,这与磨损失重的测试结果一致。这是由于熔覆层中WC颗粒的加入会对熔覆层起到强化作用。此外,激光熔覆过程中溶解在熔覆层中的W和C会与其它元素形成新的金属间化合物强化相,在这两方面的综合作用下,激光熔覆层的耐磨性能得到明显提高。


三、结论


 1. Ni基-20%WC激光熔覆层致密均匀,无气孔或者其它缺陷,熔覆层与310S不锈钢管基体冶金结合良好。


 2. Ni基-20%WC激光熔覆层物相为:Ni3Cr2、Ni17W3、Cr4Ni15W、Fe6W6C、Mo6Ni6C、W3C和WC,而Ni17W3、Cr4Ni15W和Fe6W6C相的形成与激光熔覆过程中WC颗粒的溶解有关。


 3. 不同添加量的激光熔覆层的磨损失重均小于310S不锈钢管基材,随着WC含量的增加,熔覆层的磨损失重量呈现逐渐降低趋势。


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