1、第49 卷第4期2023年8 月文章编号：1 6 7 3-51 9 6（2 0 2 3)0 4-0 0 1 7-0 7兰州理工大学学报Journal of Lanzhou University of TechnologyVol.49No.4Aug.2023WC含量对定向结构Ni60涂层微观组织及其摩擦性能的影响殷翔*1，马成燕，周（1.甘肃建投兰州新区建设管理有限公司，甘肃兰州7 30 0 8 7；2.兰州理工大学材料科学与工程学院，甘肃兰州7 30 0 50）摘要：采用火焰喷涂和感应重熔十强制冷却复合技术在45钢基体上制备了Ni60/WC定向结构涂层，研究了不同WC质量分数（5%、2 0%、
2、35%、50%)对定向结构涂层微观组织、硬度和摩擦磨损性能的影响.结果表明：随着WC质量分数的增加，定向结构涂层中靠近界面处的枝晶表现为合并择优生长的趋势；定向结构涂层内的各类硬质相填充于晶界，起到了强化晶界的作用.涂层的硬度随着WC质量分数增加呈现正相关上升趋势，涂层的摩擦系数与磨损率随着涂层中WC质量分数的增加先减小后增大.关键词：Ni60合金；WC颗粒；微观结构演变；显微硬度；摩擦磨损性能中图分类号：TG149Effect of WC content on microstructure and fribologicalproperties of directional Ni60 coat
3、ingYIN Xiang,MA Cheng-yan,ZHOU Kai,WANG Xin-min,WANG Yi,WEI Heng-li?(1.Gansu Construction Investment Lanzhou New Area Construction Management Co,Ltd.,Lanzhou 730o87,China;2.College of Materi-als Science and Engineering,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou 730050,China)Abstract:Ni60/WC directional coatings
4、were prepared on 45 steel substrate by flame spraying and induc-tion remelting+forced cooling.The effects of WC mass-fraction(5%,20%,35%,50%)were investiga-ted on microstructure,hardness and tribological properties of directional coatings.The results showed thatthe dendrites near the interface of th
5、e directional coating show a trend of combined preferential growthwith the increase of WC mass-fraction.All kinds of hard phases in the directional coating are evenly dis-tributed in the grain boundaries,which plays a role in strengthening the grain boundaries.The hardness ofcoating showed a positiv
6、e correlation with the WC mass-fraction,and friction coefficient and wear rate ofdirectional structure coating first decrease and then increase with the increase of WC mass-fraction.Key words:Ni60 alloy;WC particles;microstructure evolution;microhardness;friction and wear prop-erty镍基合金因其优异的耐磨耐蚀性能已广泛
7、用于机械加工、航空航天、石油化工等领域，然而，单一的镍基合金难以满足工件在重载、高温等恶劣环境中的使用要求.通过添加硬质陶瓷等增强材料，如WC、SiN4和SiC等，可以提高Ni基合金涂层的耐磨性1-2 ,其中WC因具有硬度高、热膨胀系数小以及与Ni基合金良好的润湿性等特点，被广泛用作Ni基合金的增强材料.Li等3 采用超音速火焰喷涂收稿日期：2 0 2 3-0 5-1 6基金项目：甘肃省自然科学基金（2 0 JR5RA471）通讯作者：殷翔（1 97 4-），男，江苏镇江人，高级工程师.Email:凯，王新民1，王毅，魏亨利2文献标志码：A技术(HVOF)在H13钢表面制备了WC/Ni梯度涂层
8、,结果表明涂层与基体的结合方式以机械结合为主，涂层表面的平均显微硬度随着硬质相含量的增加而升高，单道涂层热冲击1 0 次后可观察到点状剥落，1 5次后出现裂纹，WC/Ni梯度涂层虽在1 5次后也发现了裂纹，但55次后仍未脱落，总体上WC/Ni梯度涂层的耐磨性优于单层涂层.从涂层制备技术层面看，虽然热喷涂技术被广泛用于制备Ni基涂层，但该技术不可避免地引起大空隙率和结合强度低等问题4-5.马群双等6 采用宽带激光熔覆技术在Q550钢基板上制备了WC颗粒增强的镍基复合涂层,结果显示加入的WC粒子部分溶解并与熔化的.18Ni60合金反应.可见，对喷涂涂层进行重熔处理可有效提高涂层的质量.依据感应加热
9、原理和定向凝固理论设计感应重熔十强制冷却装置，可以对喷涂涂层进行重熔和强制冷却处理，不仅可以消除预制涂层中的缺陷，还可制备出具有优良耐磨性能的定向结构涂层7。研究表明8 1，在Ni60/WC喷涂涂层的感应重熔十强制冷却处理过程中，仅当感应重熔温度为1200时，涂层中W元素扩散充分，所制备的定向结构涂层质量较高，且该重熔温度下，基体中的铁元素向涂层中扩散较少，避免了对涂层的稀释.本文采用火焰喷涂技术和感应重熔十强制冷却的方法制备不同WC质量分数（5%、2 0%、35%、50%）的Ni60/WC定向结构涂层，旨在研究WC含量对Ni60/WC定向结构涂层组织结构、硬度和摩擦性能的影响。1实验材料及方
10、法1.1实验材料实验所用粉末为Ni60自熔性合金粉末（1 50 300目)和WC(14032 5目)的混合粉末，其中WC粉末的添加比例分别为5%、2 0%、35%、50%，采用机械混合的方法将2 种粉末共混4h，使其充分混合均匀；基体材料选用45号钢，尺寸为1 0 0 mm100mmX13mm.其中Ni60合金粉末和45钢的具体成分见表1、2.表1 Ni60自熔性合金粉末化学成分Tab.1 Chemical composition of Ni60 self-fused alloy powder合金元素质量分数/%合金元素质量分数/%Tab.2 Chemical composition of s
11、teel 45#合金元素质量分数/%0.420.50.50.8（0.170.3700.035合金元素P质量分数/%00.0351.2涂层制备采用QHT-7/hA型火焰喷涂设备在40 号钢基体表面预制厚度约为0.7 mm的WC强化镍基合金复合涂层，其中WC添加质量分数分别为5%、20%、35%、50%.喷涂前对基体表面进行喷砂粗化.喷涂工艺参数：喷枪距离基体表面约30 0 mm，乙炔兰州理工大学学报压力0.1 5MPa,氧气压力1 MPa,喷枪与样品表面呈90 喷涂完成后待试样冷却至室温，将样品通过线切割机切割成g30mm13mm的试样进行后续实验.采用型号为SPG-30B的高频感应加热设备和自
12、行设计的定向冷却装置对不同含量WC添加的预制涂层进行感应重熔以及定向强制冷却处理，制备出定向结构涂层.感应重熔采用平面加热，加热前将平面薄饼线圈与样品之间的间隙控制在34mm,加热功率为2.5kW,频率为1 7 0 1 8 0 kHz.对试样表面进行实时测温，当温度上升到1 2 0 0 时，停止加热，并立即对试样进行强制冷却处理.冷却方式为从试样底部通冷却水，冷却水流量为1.8 8 6mL/（mi n mm）7，制备不同WC含量添加的定向结构涂层，研究WC含量对定向结构涂层组织演变及其性能的影响.1.3分析及测试方法将不同WC含量的预制涂层和定向结构涂层试样分别通过线切割机切割成1 0 mmX
13、10mmX13mm的块状样品，然后经过粗磨、精磨、金相抛光后，用丙酮、酒精超声清洗且用鼓风机干燥处理，最后使用现配的王水腐蚀液进行金相腐蚀.选用QuantaFEG450型场发射扫描电子显微镜（SEM)同时结合能谱仪(EDS)对涂层试样的显微组织形貌、涂层截面元素分布进行分析；采用D/MAX2500PC型X射线衍射仪对涂层物相进行定性分析，扫描速度为1 0（）/min，在1 0 1 0 0 扫描，加速电压为40kV,管电流为1 0 0 mA；采用显微硬度计（型号为：HV-1000)对涂层截面的显微硬度进行测试，设置加CrSi15203.55.5FeC050.51.1表2 45钢化学成分CMnCr
14、00.25第49卷B载载荷为1.9 6 N，加载时间为1 5s；采用美国2.53.5BRUKER公司生产的UMT-Tribolab型多功能摩Ni其余SiSNiFe00.25其余擦机在室温条件下进行涂层摩擦磨损测试，实验选用GCr15不锈钢球（g6mm）为对磨件，实验载荷为50N,滑动时间为2 0 min，频率为3Hz,磨痕长度为3mm.测试前，将待测样品用丙酮及酒精清洗处理；测试完成后，利用Origin、Ja d e 等相关软件对实验过程中收集的数据进行分析处理。2结果与分析2.1涂层微观组织图1 为不同WC含量Ni60/WC预制复合涂层的截面SEM形貌.从图中可以看出，涂层中存在孔洞和氧化物
15、缺陷，同时存在着未熔化的WC颗粒，涂层截面表现出火焰喷涂涂层典型的堆叠状层流结构9.通过对比4种不同WC添加比例的涂层截面第4期(a)w(WC)=5%(c)w(WC)=35%图1 不同WC含量的预制涂层截面SEM形貌Fig.1 SEM morphology of section of prefabricated coat-ings with different WC mass-fractions形貌，发现随着WC含量增加，涂层大片状层状特征逐渐向小片状特征转变.这与高熔点的WC阻止基质材料流动延展有关，图2 ad 为经过感应重熔和强制冷却形成的不同WC含量下涂层的组织结构，由图可见，所有涂层均
16、形成了沿界面向表面定向生长的结构组织，涂层致密.这是由于涂层在重熔和后续单向冷却过程中，涂层晶粒发生二次熔化，在从基体方向定向冷却作用下，界面首先形核并形成沿热流方向的择优生长，从而形成外延生长特征的定向结构组织，在其生200m200 m(a)w(WC)=5%(b)w(WC)=20%200 um(c)w(WC)=35%图2 不同WC含量的定向结构涂层截面SEM形貌Fig.2SSEM morphology of section of directional structurecoatings with different WC mass-fractions殷翔等：WC含量对定向结构Ni60涂层微观组织及其摩擦磨损性能的影响100m(b)w(WC)=20%100m(d)w(WC)=50%(d)w(WC)=50%19长过程中，由于溶质元素析出和在生长前沿富集，晶粒沿热流方向生长受到抑制，导致组织呈现发散生长、汇聚合并、枝晶熔断等特征1 0 ，在此过程中，由于感应重熔的高温，导致WC发生溶解行为1 1，从而使WC形态向椭圆形、圆形转变，增加了异质形核的概率,导致组织结构随着WC含量增加而呈现1
