1、2023 年 2 月第 48 卷 第 2 期润滑与密封LUBICATION ENGINEEINGFeb.2023Vol.48 No.2DOI:10.3969/j.issn.02540150.2023.02.014文献引用:张新宇，赵运才，孟成，等高温环境下超声深滚静压力对金属陶瓷涂层微观组织结构的影响 J 润滑与密封，2023，48(2):95102Cite as:ZHANG Xinyu，ZHAO Yuncai，MENG Cheng，et alEffect of ultrasonic deep rolling static pressure on microstructure of cerme
2、t coat-ing at hightemperature environment J Lubrication Engineering，2023，48(2):95102*基金项目:国家自然科学基金项目(51965023)收稿日期:20211114;修回日期:20220121作者简介:张新宇(1995)，男，硕士研究生，研究方向为表面工程。Email:3286247658 。通信作者:赵运才(1964)，男，博士，教授，主要研究方向为表面工程、再制造工程、摩擦磨损与抗磨技术。E mail:zhaoyuncai 。高温环境下超声深滚静压力对金属陶瓷涂层微观组织结构的影响*张新宇赵运才孟成张峻何扬(
3、江西理工大学机电工程学院江西赣州 341000)摘要:为提高金属陶瓷涂层与基体的结合性能，通过对 NiWC 金属陶瓷涂层实施电阻加热和超声深滚耦合处理，探究高温环境下不同超声深滚静压力对 NiWC 金属陶瓷涂层微观组织结构的影响。通过扫描电镜、X 射线衍射仪和JADE 软件对改性金属陶瓷涂层进行测试，通过分析改性金属陶瓷涂层的表面微观形貌、晶粒尺寸和表面残余应力，探讨改性金属陶瓷涂层结合强度，用 ImageJ 软件评价改性金属陶瓷涂层孔隙率。结果表明:高温下超声深滚提高了涂层表面光洁度，细化了晶粒，引入了残余压应力，提高了涂层综合性能;随静压力的增大，改性金属陶瓷涂层的表面微观形貌得到明显改善
4、，表面残余压应力逐渐增大，涂层与基体之间形成了部分冶金结合，结合强度大大提高;静压力较大时出现了物相的转变，且随静压力的增大，其孔隙率也逐渐减小。关键词:超声深滚;复合工艺;微观组织;金属陶瓷涂层;热喷涂中图分类号:TH117.1Effect of Ultrasonic Deep olling Static Pressure on Microstructure ofCermet Coating at HighTemperature EnvironmentZHANG XinyuZHAO YuncaiMENG ChengZHANG JunHE Yang(School of Mechanical a
5、nd Electrical Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou Jiangxi 341000，China)Abstract:In order to improve the bonding performance between the cermet coating and the substrate，the NiWC cer-met coating was subjected to the coupling treatment of resistance heating and ultrasonic
6、deep rolling to explore the effect ofdifferent ultrasonic deep rolling static pressures on the microstructure of the NiWC cermet coating at high temperature en-vironmentThe modified cermet coating was tested by scanning electron microscope，Xray diffractometer and JADE soft-ware，and the bonding stren
7、gth of cermet coatings was investigated by analyzing the surface micromorphology，grain size andsurface residual stress of the modified cermet coatingThe porosity of modified cermet coatings was evaluated by ImageJsoftwareesults show that ultrasonic deep rolling at high temperature improves the surfa
8、ce finish of the coating，refines thegrains，introduces residual compressive stress，and improves the comprehensive performance of the coatingWith the in-crease of static pressure，the surface micromorphology of the modified cermet coating is significantly improved，the surfaceresidual compressive stress
9、 gradually increasesA partial metallurgical bond is formed between the coating and the sub-strate，so the bonding strength is greatly improvedThe phase transition occurs when the static pressure is high，and the po-rosity gradually decreases with the increase of static pressureKeywords:ultrasonic deep
10、 rolling;composite process;microstructure;cermet coating;the thermal spraying金属陶瓷涂层作为一种复合涂层，因其结合了陶瓷的耐磨损性能和金属优异的力学性能，近些年来被广泛使用。其中以 WC、Cr3C2和 TiB2等作为陶瓷颗粒，Ni、Co 和 Fe 作为黏结剂的金属陶瓷涂层，引起了广泛的关注和研究13。而以 Ni 为金属相、WC 为陶瓷相的金属陶瓷涂层，因其具有较高的耐磨性而被广泛应用4。但是，金属陶瓷涂层在经过热喷涂处理后，由于硬质相陶瓷颗粒无法熔融，导致热喷涂金属陶瓷涂层组织表现为较大的片层状。这种片层状结构孔隙率
11、较高、裂纹较多，且两者之间的结合方式为简单的机械结合，其磨损特征表现为脆性断裂，因而无法在恶劣的工况下正常工作。目前解决这些问题主要采用的是激光重熔、热处理等方法，但激光重熔工艺和热处理过程会引入高能量的热，由此产生的热应力容易导致涂层产生裂纹和剥落。另外，由于陶瓷材料与金属材料的热膨胀系数和弹性模量相差极大，经过高温处理后容易产生残余内应力，导致涂层产生界面裂纹和剥落。如 WANG 等5 采用等离子喷涂和激光重熔复合工艺制备了 Al2O313%TiO2涂层，发现由于所喷涂陶瓷材料导热系数低其无法重熔整个陶瓷层。林晓燕等6 通过对 Ni 包 WC 金属陶瓷涂层进行激光重熔，观察到激光重熔后涂层
12、表面存在裂纹，分析认为这主要与激光束的不均匀加热、熔化层的不均匀冷却和复合涂层内部成分性能相差极大有关。LI 等7 通过对 Al2O3TiO2涂层进行激光重熔，发现相结构的变化导致了热传导率的下降，因而引起固化收缩和残余应力造成涂层碎裂和脱层等缺陷。PICAS 等8 在9001 000 下对 Cr3C2CoNiCrAlY 金属陶瓷涂层进行热处理，发现更高温度的热处理会导致碳化物颗粒的生长，颗粒的聚集会形成大量的碳化物结构，导致涂层内部的硬度降低。为提高金属陶瓷涂层与基体的结合性能，本文作者采用电阻加热和超声深滚耦合对 NiWC 金属陶瓷涂层进行处理，揭示耦合处理工艺对金属陶瓷涂层微观组织结构的
13、影响，探讨金属陶瓷涂层微观组织结构的演变规律，为金属陶瓷涂层结构和性能的优化设计提供参考。1试验部分1.1试验材料与设备试验采用的基体材料为 45 钢，其化学成分如表1 所示;热喷涂粉末为镍基碳化钨喷焊粉(Ni60+WC15)，规格为150+320 目，硬度为 5862HC，其化学成分如表 2 所示，形貌如图 1 所示。喷涂方式采用的是等离子喷涂，喷涂设备是美国 TAFA 公司生产的 JP8000 自动喷涂系统。加热方式采用电阻加热，采用山东聚亿能智能科技有限公司的势必锐金属表面晶体重塑设备和 C6161 普通卧式车床对 NiWC金属陶瓷涂层进行超声深滚。表 145 钢化学成分Table 1C
14、hemical composition of 45 steel元素CSiMnCrNiCu质量分数 w/%042050017037050080025030025表 2镍基碳化钨喷焊粉(Ni60+WC15)化学成分Table 2Chemical composition of nickelbased tungsten carbide spray powder(Ni60+WC15)元素NiCrBSiCFeWC质量分数 w/%余量15203045335505111015图 1喷涂粉体形貌Fig.1Morphology of spray powder1.2试验设计首先取出准备好的 45 钢试样，用车床进行
15、车削加工制备试样，将 45 钢夹在普通车床上，以低于0.5 mm/r 进行车削加工，在棒材上切削出圆环试样，其外径 54 mm，内径 38 mm，高 10 mm，如图 2(a)所示。其中内径为了能有较好的配合，设定了一定的公差大小。圆环上一面采用等离子喷涂加工了一层厚度为 0.5 mm 的 NiWC 金属陶瓷涂层，其宏观形貌如图 2(b)所示。从图 3 所示的表面微观形貌可以观察到，未熔融的陶瓷颗粒表面较为粗糙，这是一种典型的等离子喷涂涂层的表面形貌。文中重点旨在探讨不同超声深滚静压力对改性69润滑与密封第 48 卷金属陶瓷涂层表面性能的影响，所以在其他参数一定的情况下，通过电阻将金属陶瓷涂层
16、加热至 800，然后放在车床上进行了简单的车削以降低粗糙度，最后分别以 0.2、0.3、0.4、0.5 MPa 的静压力进行超声深滚。其中下压量为 0.2 mm，车床转速为 248 r/min，进给速度为 0.15 r/min，频率为 22Hz，每种试样加工一次。图 4 所示为高温超声深滚试验装置。图 2试验试样Fig.2Test sample:(a)machining size;(b)sprayed ring图 3NiWC 金属陶瓷涂层的原始表面微观形貌Fig.3Original surface micromorphology of NiWC cermet coating图 4高温超声深滚试验Fig.4High temperature ultrasonic deep rolling test:(a)test device;(b)resistance heating1.3测量与观察用线切割机将圆环试样切割成 10 mm9 mm6mm 方块状，然后分别用 500、1 000、2 000 目的砂纸和抛光布进行打磨和抛光，再用质量分数为 4%的硝酸乙醇腐蚀液进行腐蚀，最后用无水乙醇进行清洗并
