【激光表面改性技术】温州大学冯爱新教授团队：激光熔覆Ni/WC梯度复合涂层的组织与性能研究
科技
科学
2024-09-26 10:48
重庆
![]()
![]()
随着汽车材料向轻量化与高强化发展，对用于制造汽车零部件的模具性能提出更高的要求。Cr12MoV钢作为一种常用的冷作模具钢，由于其经过热处理后具有良好的淬透性和抗拉强度等特点，常被用来制造汽车座椅骨架总成等各种冲压模具及其工作零件。然而在实际生产过程中，模具钢在受到高强度冲击力、高摩擦力的情况下，会逐渐出现磨损等失效，影响其使用寿命。因此，采用可靠性高、性能稳定的表面工程技术对模具的失效部位进行修复是比较有效的方案。目前传统的模具表面工程技术有TD处理、电刷镀技术、堆焊技术、热喷涂技术及气相沉积技术等。以上表面处理方法各具优势。
温州大学冯爱新教授团队基于上述研究分析，在熔覆粉末中加入陶瓷颗粒可改善材料的表面性能，同时也验证了梯度复合结构制备涂层的可行性，梯度复合结构的设计具有良好的冶金结合，并可减少缺陷发生。目前对激光熔覆制备涂层的研究集中在单层熔覆涂层上，而对梯度复合涂层组织性能的影响规律的研究还不够全面。因此，本文通过在Cr12MoV钢上制备Ni/WC梯度复合涂层，分析涂层的成分及组织结构，研究梯度复合结构对性能的影响规律，为Ni/WC梯度复合涂层增强Cr12MoV钢的力学性能提供一定参考。Ni/WC梯度复合涂层的截面金相组织如图1所示，图1a为梯度复合涂层的宏观金相拼接截面图。其中，Ni60层与Ni60/25%WC层的厚度在1 mm左右，两者结合良好，无明显边界线，在Ni60与基体结合处存在明显的裂纹缺陷。图1b为基体与Ni60层结合区域，界面处可见冶金结合带，由于激光熔覆快速熔化和快速凝固的特性，结合凝固理论可知，涂层的组织形态主要由G/R（G为温度梯度，R为凝固速率）决定，在结合界面处具有极高的温度梯度和极小的凝固速率，导致晶粒在结合处具有明显的外延生长特征。在图1b~e中可以看到，涂层中Ni60层与基体结合面处具有明显的界面，并出现了较为明显的裂纹，裂纹源自Ni60底部向顶部扩展。这主要是由于第1层Ni60与基体成分及物理性能的差异较大，在熔覆时极冷极热的过程中，产生了热应力和微观组织应力，导致裂纹的萌生扩展。由图1b~e可知，Ni60层底部区域的主要微观组织特征为胞状晶和垂直界面生长的粗大柱状晶，Ni60中部和顶部区域主要为细小的柱状晶和等轴枝晶。由图1e~h可知，Ni60层和Ni60/25%WC层之间没有明显的熔合线，无缺陷产生，说明2种涂层之间的冶金结合理想。图1e所示的Ni60/25%WC层主要是无序生长的细小等轴枝晶，其中存在大块的不规则颗粒，与周围组织熔合的程度较好，溶解边缘无明显缺陷，与Ni60合金结合良好，可能是未完全熔化的WC颗粒，需进一步通过元素分析判断其成分。
![]()
不同试样表面的摩擦因数分布如图2a所示。可以看出，各试样在磨损前期的磨合磨损阶段，磨损速率较快，摩擦因数呈现显著上升的趋势，150 s后进入稳定磨损阶段，磨损较为平缓，摩擦因数的波动较小。经计算得到基体、Ni/WC梯度复合涂层和平均摩擦因数分别为0.738、0.436。其中，Ni/WC梯度复合涂层的平均摩擦因数明显小于基体，较基体下降了40.92%。从图2b可以看出，基体试样的磨损率最高，达到了4.86×10–6 mm3/(N·m)，而Ni/WC梯度复合涂层为3.47×10–6 mm3/(N·m)，较基体降低了28.60%。可以看出，Ni/WC梯度复合涂层可以有效提升基体的耐磨性，这与Ni/WC梯度复合涂层显微硬度的提升有直接关系。硬度更高的涂层可以有效地承受涂层和磨料颗粒之间相互作用的力，降低摩擦因数和磨损率。其次，硬度梯度分布进一步增强了其耐磨损性，因为涂层的不同区域有不同的硬度水平，有助于其整体磨损性能。![]()
为了进一步揭示材料韧性变化的原因，采用SEM对基体和复合涂层区域的冲击断口进行显微观察，基体的断口形貌如图3a所示。可以发现，其断口整体较为平整，无明显的塑性变形，从局部放大图可见明显的微孔、撕裂棱和韧窝的存在，基体的断口总体表现为准解理断裂。对于Ni/WC梯度复合涂层，从图3b中可以发现，不管是在涂层底部的Ni60区域，还是顶部的Ni60/25%WC区域，宏观上都没有明显的塑性变形且无韧窝，但从局部放大图中可以发现解理台阶、河流状花样和碳化物骨架的存在。另外通过图3b中断口宏观图、Ni60层断口局部放大图与Ni/25%WC层的断口局部放大形貌对比可以发现，顶部Ni/25%WC层区域具有更多的解理面和解理台阶，以及存在大量河流状样花，这种花样是由于晶体结构的定向性和断裂路径的偏好性所引起的。当断裂发生时，沿着晶界或晶体方向的易裂路径会导致断口表面形成河流状花样，从Ni/25%WC层的断口局部放大形貌也观察到了WC颗粒的痕迹，这可能与WC的存在有相当的关联性。WC存在于涂层内部时，有较大的应力产生，这会导致裂纹的快速萌生扩展，最终影响断裂机制。总而言之，Ni/WC梯度复合涂层区域的断口形貌表现为解理断裂，具有脆性断裂特征，影响到了材料的整体韧性，因此其冲击韧性值低于基体，耐冲击性能较基体更差。![]()
1）Ni/WC梯度复合涂层的表面物相主要为γ-(Fe,Ni)、FeNi3、CrB、Cr7C3、Cr23C6和WC等，Ni60层与Ni60/25%WC层之间无明显界限，从Ni60层底部到Ni60/25%WC层组织依次为胞状晶、柱状晶、无明显生长方向的细小等轴晶以及一些弥散分布的WC颗粒。
2）Ni/WC梯度复合涂层硬度趋势呈梯度分布，硬度随深度增加而减小。这主要是由于涂层强化相的梯度分布，WC颗粒弥散强化和固溶强化的作用使Ni/WC梯度复合涂层的平均硬度达到698.5HV，较基体提升了55.2%。3）Ni/WC梯度复合涂层的平均摩擦因数和磨损率分别为0.436和3.47×10－6 mm3/(N·m)，较基体分别下降了40.92%和28.60%。复合涂层整体表现为磨粒磨损，耐磨性能明显提升，这主要归因于WC颗粒的存在。4）基体的冲击韧性值为2.74 J/cm2，Ni/WC梯度复合涂层的冲击韧性值较基体下降了32.48%。其中基体总体表现为准解理断裂，Ni/WC梯度复合涂层区域表现为解理断裂，梯度复合涂层区域是影响整体冲击韧性下降的原因。该文章发表在《表面技术》第53卷第15期。
引文格式：盛永琦, 危亚城, 尚大智, 等. 激光熔覆 Ni/WC 梯度复合涂层的组织与性能研究[J]. 表面技术, 2024, 53(15): 152-162.
SHENG
Yongqi, WEI Yacheng, SHANG Dazhi, et al. Microstructure and Properties of Laser Cladded Ni/WC
Gradient Composite Coatings[J]. Surface Technology, 2024, 53(15): 152-162.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.014
