17—4PH不锈钢基体激光熔覆制备球形WC/Ni基复合涂层

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2024年3月14日发(作者:做家务的收获)

17—4PH不锈钢基体激光熔覆制备球形WC/Ni基复合涂层

第27卷第4期 

硬 质 合 金 

2010年8月 

Vo1.27 No.4 

CEMENTED CARBIDE 

Aug.2010 

壹材料科学 

带a 恭带 

doi:10.3969 ̄.issn.1003-7292.2010.04.002 

1 7—4PH不锈钢基体激光熔覆制备 

球形Wc/Ni基复合涂层 

杨胶溪 雷 丽 丁 啸 王喜兵 郭 江 左铁铆l 

(北京工业大学激光工程研究院,北京100124) 

摘 要 为了制备高性能耐磨带,提高工件的使用寿命,利用激光宽带熔覆技术在17- 

4PH不锈钢表面沉积镍基合金做为过渡层,然后熔覆球形WC/Ni基复合涂层。对激光 

熔覆层分别采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)等检测分析手段进行 

形貌观察、成分分析、物相表征等,并使用MMG一10型摩擦磨损试验机进行涂层耐磨性 

能测试。研究结果表明,采用激光熔覆技术可制备高质量WC/Ni基复合涂层,碳化钨质 

量分数达到65%,涂层冶金质量、裂纹尺寸、稀释率等满足技术要求。复合涂层的耐磨 

性为镍基合金的l5倍,但其平均摩擦系数(0.926)高于镍基合金(O.762)。 

关键词 激光宽带熔覆;球形碳化钨;复合涂层;耐磨性能 

Fabrication of Spherical WC/Ni-based Composite Coating on 17-4PH Stainless Steel by 

Laser Cladding 

Yang Jiaoxi Lei li Ding Xiao Wang Xibing Guo Jiang Zuo T&chuan 

(Insittute of Laser Engineering,Beijing University fo Technology,Beijing 100124,China) 

ABSTRACT In order to fabricate high performance wear flrea and increase the service life of the component,the Ni— 

based alloy was deposited by wide—band laser cladding technique on 17-4PH stainless steel as the buffer layer and then 

the spherical WC/Ni based composite coating Was deposited.The mo ̄hdogy of hte laser cladding coating was observed by 

scanning electronic microscope(SEM),the composiiton was analysed by EDS,the phase transformation was characterized 

by XRD and the wes.F resistance was tested by MMG-10 abrasion machine.The results show that high quality WC/Ni 

based composite coating comprising 65%of tungsten carbide Can be fabricatde by laser cladding technique.The metlalu ̄ 

gical quality,crack size and dilution rate of the coating can meet the speciifcation

The wear resistance of the composite 

coating is about 15 times as much as the Ni—based alloy and its average firction coefficient f0.926)is higher than Ni— 

based alloy(0.762). 

KEY WORDS wide—band laser cladding;spherical tungsten carbide;composite coating;wear resistance 

基金项目:国家科技计划“973”项目(2006CB605206—3);国家自然科学基金项目(5O971004);北京市科技创新平台一一短流程激光制造平 

台(1010005366901) 

作者简介:杨胶溪f1971一).男.博士。副研究员,主要从事激光表面改性技术的研究及应用。E-maih yangijiaoxi@bjut.edu

cn 

200・ 硬 质 合 金 第27卷 

17-4PH为沉淀硬化型不锈钢,该材料具有良 

好加工性、耐蚀性以及高强度等特性,被广泛应用于 

石油、化工、能源、航天等领域【l】。然而,由于常规处 

理后17—4PH不锈钢基体硬度范围为HRC28~46t2], 

在一些要求较高的服役条件下,其表面磨损较为严 

重,耐磨性达不到使用要求。因此,关于17—4PH不 

锈钢的热处理强化及表面强化等研究一直在继续。 

激光熔覆技术作为表面技术的一种重要手段。 

在特殊涂层材料制备方面具有较高的精确性和灵活 

性,得到越来越多的重视和应用【3卅。激光熔覆技术 

在制备大面积的碳化钨复合涂层方面具有一定优 

势,与传统的粉末冶金【5 等技术相比,该技术不受工 

件形状复杂程度以及尺寸大小的限制,可在工件表 

面灵活制备厚度较大(厚度高达3-5 mm)的耐磨、 

耐腐蚀、超硬复合涂层,熔覆层与基体材料冶金结合 

且对基体的热处理状态和性能影响较小,冶金质量 

优于喷涂、堆焊等技术同。激光熔覆方式制备碳化钨 

超硬复合涂层是一种重要方法,并具有非常良好的 

应用前景,成为适合石油、化工等部件表面强化和修 

复的加工方式 。激光熔覆碳化钨超硬复合涂层与 

零件基体的力学性能存在较大差异,在激光制备涂 

层时裂纹倾向较高。采用激光熔覆过渡层或梯度材 

料的工艺措施可明显缓解材料内部应力嗍。本文以 

耐腐蚀较强的17—4PH不锈钢为基材,先施加过渡 

层,再激光熔覆球形碳化钨与镍基合金的复合粉末, 

得到高质量涂层,提高其服役性能。 

1试验材料及方法 

激光熔覆试验用基体材料为17-4PH不锈钢, 

管状样件尺寸为:外径120 mm,内孔75 mm,长度 

75 mm。过渡层粉末材料为镍基合金,镍基合金粉末 

的化学成分(文中含量均为质量分数)为:<0.5%C、 

8%~l0%Cr、3%~3.5%Si、2%~3%B、<3%Fe、余量Ni, 

粉末粒度为一140~+325目。超硬复合涂层粉末材 

料为65%的球状WC与35%Ni基合金混合粉末, 

WC粉末粒度为一9O~+300目。 

涂层制备设备为Trumpf6000高功率CO 气体 

激光器及五轴联动机床。激光束经焦距为270 mm 

的积分镜整形,获得光斑尺寸为8.0 mm ̄2.4 mm的 

矩形激光束。熔覆时采用侧向同步送粉方式,氩气 

保护,喷嘴送粉口为相应尺寸的矩形。在激光熔覆 

样件上截取金相试样,用LEO1450扫描电子显微镜 

(SEM)分析熔覆层的微观组织,用其附件X射线能 

谱仪(EDS)分析涂层表面的化学成分。使用德国布 

卢克D8型X射线衍射仪进行物相分析。 

使用MMG一10型端面摩擦磨损试验机对激光 

熔覆材料进行耐磨性能评价。图1为端面摩擦副的 

示意图,工作时环状上摩擦副与盘状下摩擦副进行 

相对旋转。本实验中上摩擦副材质选用退火态的 

40Cr钢,尺寸为:外径28 mm,内孔22 mm,高度12 

mm。下摩擦副为圆盘状,如图2所示,材质为 

GCrl5,尺寸为:‘p 43 mm ̄4 mm,其上表面加工环形 

沟槽,沟槽深度为1 mm,在环状沟槽内熔覆测试材 

料,机械加工后得到平整表面。 

2试验结果与讨论 

2.1复合涂层的激光熔覆样品制备 

激光熔覆过渡层为镍基合金,其粉末颗粒形貌 

如图3所示,超硬复合涂层(65%球状WC与35%Ni 

基合金混合粉末)的粉末颗粒形貌如图4所示。 

首先在17—4PH不锈钢样件的外表面进行镍基 

合金过渡层的激光熔覆,工艺参数:激光功率4 200 

w,圆周方向线速度300 mm/min,送粉量15 g/min, 

搭接率40%;然后进行WC/Ni复合涂层的激光熔 

覆,工艺参数:激光功率3 600 W,圆周方向线速度 

260 ram/rain,送粉量25 g/min,搭接率4O%。最终获 

得的涂层总厚度为3 mm(过渡层1 mm,复合涂层2 

mm)。图5为激光熔覆的样件及其取样。由图5(a) 

可以看出激光熔覆层质量较好,表面平整且厚度均 

匀,整个涂层出现一定数量的裂纹,裂纹的尺度及分 

布符合设计要求。在样件的横截面上进行线切割取 

样,如图5(b)所示,切片厚度12 mm。将切割面进行 

打磨,用王水侵蚀,涂层以及热影响区的宏观形貌如 

1.上摩擦副;2.下摩擦副;3.安装孔 

图l端面摩擦副示意图 

202・ 硬 质 合 金 第27卷 

图5(c)所示。涂层中亮带为过渡层,灰色的最外层 

为WC/Ni基合金复合涂层,热影响区的深度为2.5— 

3.0 mm。最后从样片的中间位置截取12 mmxl2 mmx 

复合涂层下部靠近过渡层的区域,可以看出激光熔 

覆复合涂层与过渡层以及过渡层与基体之间均实现 

了良好的冶金结合。 

2.3复合涂层的成分及物相分析 

12 mm的金相样品,经打磨、抛光后用王水腐蚀。 

2.2复合涂层的显微组织 

用LEO1450扫描电子显微镜(SEM)观察分析 

为考察激光熔覆之后WC/Ni基合金复合涂层 

的成分,对图6(a)方框区域进行面扫描,得到该区 

熔覆层的微观组织。图6(a)是激光熔覆层的低倍背 

散射电子显微照片,显示了带有搭接区及部分过渡 

域平均成分,其能谱图如图7所示。由能谱分析结果 

可知,熔覆复合涂层中的主要元素含量为:63.18% 

层的形貌,图中白色球形颗粒为碳化钨强化相,灰 

W、28.39%Ni、4.22%Cr、1.83%Fe、1.15%B、1.23%Si. 

色区域为镍基合金基体,碳化钨颗粒在镍基合金中 

其数据与材料设计成分基本吻合。将w元素的含量 

整体上分布较均匀并保持较低的稀释率。图6(b)是 换算成WC,其质量分数为67.11%,稍高于设计值, 

激光熔覆复合涂层的上部区域,可以看出,距离涂 其原因在于WC颗粒在熔覆过程中沉降造成,该测 

层表面200 m范围观察不到碳化钨颗粒,这是因 

试结果与形貌分析吻合,同时也说明复合涂层与过 

为碳化钨与镍基金属密度差异较大,碳化钨颗粒在 渡层之间的稀释率也是相当低的。 

激光熔池中沉降造成的常见现象。图6(c)是激光熔 

将金相样品的表面层磨掉0.5 mm,获得较平整 

覆复合涂层的中部区域,可以看出,球形碳化钨颗 

的涂层表面,然后用D8型X射线衍射仪进行激光 

粒保持了较好的原有颗粒形貌。图6(d)是激光熔覆 熔覆层的物相分析,X射线衍射图谱如图8所示。由 

(a)熔覆层截面彤貌 

(b)熔覆层 部区域形貌 

( )熔覆 lfI部区域形貌 (d)熔覆层下部 过渡层肜貌 

图6激光熔覆层截面背散射电子显微镜形貌 

第27卷 杨胶溪,雷丽,丁啸,王喜兵,郭江,左铁钏:17--4PH不锈钢基体激光熔爱制备球形WC/Ni基复合涂层 ・203・ 

图7熔覆层的能谱图 

物相分析结果可知,该涂层组织主要是由 —Ni、WC 据如表1所示。由磨损实验数据可知,WC/Ni基合金 

等物相组成,在图谱中没有W2C相以及Ni2W4C等 复合涂层的抗磨损性能是Ni基合金的15倍左右。 

合金共晶型碳化钨的出现,说明WC颗粒相的稀释 试验机工作时每秒采集一个数据,其摩擦系数变 

率极低。 化如图9所示。Ni基合金与40Cr的摩擦系数在实验 

2.4复合涂层的磨损性能 过程波动较大,可能在实验中发生摩擦副不同金属之 

采用激光熔覆方式分别制备Ni基合金与WC/ 间的粘着,其平均摩擦系数为0.762;而WC/Ni基合 

Ni基合金的盘状下摩擦副,并加工成标准尺寸。两 金复合涂层与40Cr进行摩擦时比较平稳,其平均摩 

类涂层材料制成的下摩擦副分别与40Cr上摩擦副 擦系数为0.926,但总体上比Ni基合金明显增大。 

进行干摩擦,无润滑剂。进行磨损实验时施加载荷 图10是激光熔覆Ni基合金样品的磨痕形貌。 

为100 N,转速120 r/min,先预磨5 min然后再测试 由图1O的二次电子照片可看出,在磨痕区有较深的 

摩擦系数,试验时间为1 h。用万分之一电子天平称 “犁沟”,表面有金属发生粘着而“撕裂”的痕迹,这可 

量样品磨损前后质量,并计算磨损质量损失,实验数 能是摩擦系数发生波动的原因。图11是激光熔覆 

辍 

赵 

矮 

糍 

鼬 

j毫 

20 25 30 35 4O 45 50 55 60 65 70 75 80 85 gO 95 100 105 

20/(。) 

磨损时间,s 

图8激光熔覆WC/Ni基合金复合涂层的XRD图谱 

图9 Ni基合金与WC/Ni复合涂层的摩擦系数 

204‘ 硬 质 合 金 第27卷 

(a)磨痕低倍二次电子像 (b)磨痕较高倍数二次电子像 

图10激光熔覆Ni基合金磨痕SEM形貌 

(a)磨痕二次电子像 (b)磨痕背散射电子像 

图11激光熔覆WC/Ni基合金复合涂层磨痕SEM形貌 

WC/Ni基合金复合涂层样品的磨痕形貌,由图11 

(a)的二次电子照片可以看出,磨痕区只是发生了轻 

微变化。图11(b)为(a)中同一区域的背散射电子照 

WC/Ni基合金超硬复合涂层,碳化钨质量分数达到 

65%,球形碳化钨颗粒保持较好,复合涂层与过渡层 

之间稀释率极低。 

片,图中清晰显示了碳化钨颗粒在磨痕区的形貌,经 

磨损碳化钨颗粒在金属表面形成了“凸起”、,该凸起 

对熔覆层本身是一种保护,而对摩擦副是一种加工 

作用,因此碳化钨颗粒相的存在使得摩擦系数比单 

2)该球形WC/Ni基复合涂层组织主要是由 一 

Ni、WC等物相组成,在图谱中没有W C相以及 

Ni W C等合金共晶型碳化钨的出现。 

3)经与40Cr摩擦副进行磨损实验表明,激光熔 

纯镍基合金有明显提高。 覆球形WC/Ni基合金超硬复合涂层具有优异的耐 

磨性能,其耐磨性为Ni基合金的15倍,但复合涂层 

的平均摩擦系数(0.926)高于Ni基合金的平均摩擦 

系数(0.762)。另外,复合涂层摩擦系数较稳定,而Ni 

基合金摩擦系数波动较大。 

3结论 

1)采用激光熔覆技术,可以制备高质量球形 

第27卷 杨胶溪,雷丽,丁啸,王喜兵,郭江,左铁钏:17--4PH不锈钢基体激光熔覆制备球形WC/Ni基复合涂层 ・205・ 

Cr+WC laser cladding【J1.Wear,2007,263(1-6):562—566. 

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strates by laser cladding .Surface&Coatings Technology,2008,202 

(2010—06一O1收稿;2010—07-19修回) 

(11):2297—2301. 

【4J St-Geerges L,Development and characterization fo composite Ni— 

热烈祝贺 

《硬质合金》第一届编辑委员会第二次全体会议成功召开 

2010年7月12日,由株洲硬质合金集团有限公司主管主办,硬质合金国家重点实验室、中国钨业协会 

硬质合金分会承办的《硬质合金》科技期刊第一届编委会第二次会议在厦门召开,近30名来自北京、上海、 

深圳、广州、厦门、安徽合肥、四川自贡、江西南昌、湖南长沙、湖南株洲和我编辑部等全国各地的硬质合金行 

业精英、有关领导、教授参加了会议。会议由《硬质合金》副主编、株洲硬质合金集团有限公司科技部部长徐 

涛主持。 

会议首先由《硬质合金》主编、株洲硬质合金集团有限公司副总经理张忠健作工作报告,报告从坚持正确 

的政治导向和办刊宗旨、坚持质量第一的原则保持本刊的学术性和创新性、充分发挥编委会的指导和监督 

作用、坚持科学管理提高本刊的规范化和科学化的水平、本刊工作任务完成情况等五个方面总结了本刊第 

届编委会的工作,同时提出了本刊今后工作设想及努力方向。随后,北京科技大学材料科学与工程学院院 

长曲选辉和自贡硬质合金有限责任公司副总经理徐尚志分别作了最新科研成果和产学研方面的主题报告。 

接着,参会编委、专家针对本刊工作,踊跃发表意见、提出建议,就本刊的定位、栏目的设置、稿件的来源及质 

量保证等问题做了深入探讨,献计献策。并预祝本刊能够走得稳、走得长远,真正成为当今我国硬质合金行 

业的一本核心专业期刊,成为中国硬质合金行业高水准科技信息交流平台。 

会议最后,徐涛对本届编委会、期刊全体成员为本刊的发展所作的贡献表示感谢,对入选的新编委湖南 

工业大学冶金工程学院院长、教授陈艺锋表示祝贺。同时希望本刊继续提高期刊的质量和水平;通过编委和 

编辑的努力提高本刊的影响。最后,他希望本届编委发挥更大的作用,也祝愿本刊越办越好。 

(本刊编辑部贺洪撰稿) 

17—4PH不锈钢基体激光熔覆制备球形WC/Ni基复合涂层

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