车轴表面激光熔覆Ni-xWC-C涂层组织演变及硬度分析.pdf

总第2 11期2023年第8 期试（实）验研究车轴表面激光熔覆Ni-xWC-C涂层组织演变及硬度分析（新乡职业技术学院交通学院，河南新乡4530 0 0）摘要：为了提高车轴表面的综合性能，在激光熔覆Ni-C过程中添加不同含量WC颗粒得到Ni-xWC-C涂层，分析了WC添加量对Ni-xWC-C涂层性能的优化效果，测定了其表面硬度。研究结果表明：车轴表面激光熔覆制备形成了较平滑的Ni-C涂层，大部分区域呈现规则多边形态。添加WC颗粒后，涂层表面形成了一些无规则外形组织以及大量孔隙。提高WC颗粒含量后，在涂层表面形成了更小尺寸孔隙。加入WC颗粒来制备硬度更高的Ni-xWC-C层，熔覆层硬度随着WC含量提高而上升。加入8 0 g/L的WC颗粒时得到的Ni晶粒外径尺寸为29.2nm，硬度HV达到551。该研究有助于提高变载荷作用下车轴的使用寿命，具有很好的应用价值。关键词：激光熔覆；石墨；镍基涂层；微观组织；硬度中图分类号：TG174.440引言车轴运行中表面受到外部环境中机械力冲击而导致对车轴的损伤风险增大，车轴防护涂层除了常规的防止大气腐蚀的涂层外，还应考虑采用适当的抗石击涂层。车轴承受着变载荷，在其表面涂覆保护涂层对提高使用寿命具有重要的作用。Ni基复合涂层具备优异抗磨损、不易高温氧化、耐化学介质腐蚀的多项优势,能够承受车轴工况环境的使用要求 1-3。金属颗粒具备优异导电能力，同时可以实现和Ni金属以共沉积的方式形成复合结构涂层 4-6 。例如，可以通过加人WC颗粒方式制得Ni基涂层。CAI等7发现可以利用加入WC颗粒的方法使Ni基体晶粒达到更小的粒径尺寸。当WC表面接触到腐蚀化学介质后,较易反应形成WC氧化物,从而有效控制Ni基涂层出现局部腐蚀的情况，使涂层获得更优耐蚀能力。Zhao等 8 通过研究发现,加人WC颗粒后,有助于Ni基体组织中形成尺寸更小的晶粒，使Ni基涂层获得更高硬度,同时显著提高表面耐磨强度。徐欢欢等 9 将WC颗粒升温到9 0 0 进行氧化，使Ni基涂层获得更强的抗高温氧化能力。可以通过加入WC颗粒方法获得更优组织的Ni基涂层，实现各项性能的全面提升 10 。以WC颗粒实现对Ni-C涂层改性的效果,实际制得的Ni-xWC-C涂层获得了高表面硬度、优异耐腐蚀性等多项特性，能够承受恶劣工况的使用条件。本文主要研究了添加不同含量WC颗粒下激光熔覆Ni-xWC-C涂层结构变化。重点分析了WC颗粒对 Ni-xWC-C涂层性能的优化效果。1实验1.1试样制备本实验所使用的C和WC颗粒原料纯度都是分析纯,图1给出了c和WC颗粒的微观组织图像。将收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 9作者简介：郝致远（19 8 9 一），男，河南新乡人，本科，讲师，主要从事于汽车、机械方面的工作。山西冶金ShanxiMetallurgy郝致远文献标识码：AC和WC颗粒添加到Ni颗粒内，并进行充分混合。加人5g/L的C，控制WC颗粒质量浓度依次为0 g/L、10g/L、2 0 g/L、40 g/L、8 0 g/L。L10um1-1WC 颗粒1-2C 颗粒图1颗粒的SEM形貌以镍铝青铜合金作为阴极基底材料，将其加工成20mm8mm6mm的外形尺寸，依次采用不同目数砂纸试样表面实施打磨。将均匀混合粉末作为熔覆粉末预先铺设到基体表面形成厚1mm、宽3mm的粉末层。表1给出了本实验中激光熔覆具体工艺参数。从熔覆试样中间部位进行切割得到两块尺寸为15mm15mm8mm的试样，再以去离子水对其表面实施清洗，使杂质被充分去除，之后进行密封保存。1.2测试方法采用HitachiTM3030扫描电镜观察涂层形貌，并表1主要激光熔覆工艺参数参数数值激光功率/W800焦距/mm192离焦量/mm+1光斑直径/mm3扫描速率/(mm/s)5保护气流量/（L/min）20Total 211No.8,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.08.017文章编号：16 7 2-1152(2 0 2 3)0 8-0 0 42-0 3L10Mm2023年第8 期郝致远：车轴表面激光熔覆Ni-xWC-C涂层组织演变及硬度分析43通过OxfordSwift3000能量色散X射线光谱仪和LabRAMH拉曼光谱仪测试了涂层的各元素组成。采用RigakuUltimaIV X射线衍射仪测试了Ni-xWC-C涂层晶体组织与物相成分。利用Maud软件的Rietveld全谱方法拟合得到涂层的XRD衍射谱图，同时计算出Ni晶粒尺寸。2结果与讨论2.1涂层形貌分析图2 给出了不同含量WC颗粒下激光熔覆Ni-xWC-C涂层表面微观形貌结果。此时形成了较平滑的Ni-C涂层，大部分区域都是呈现规则多边形的组织形态。添加WC颗粒后，可以观察到在涂层表面区域形成了一些无规则外形的结节状组织,同时产生了大量孔隙。进行激光熔覆处理时，WC颗粒被吸附至阴极的表面区域，并且主要集中于表面凸出区域，因此颗粒表面激光熔覆电阻发生了降低，优先形成Ni晶粒,获得了具有类树枝状特征的Ni晶粒。10um2-10 g/L10um2-320 g/L用,由此获得孔隙率更小的涂层结构。图3显示了加人不同含量的WC颗粒条件下激光熔覆Ni-xWC-C涂层内的WC颗粒含量变化。根据图3结果可以发现，当p(WC)由10 g/L提高至8 0 g/L的过程中，WC在涂层内的质量分数由最初的2.6%提高至2 3.8%。这主要是因为随着WC添加量逐渐提高，有助于更多WC颗粒到达阴极表面。2520105F0图3激光熔覆Ni-xWC-C涂层中WC颗粒含量变化2.2涂层硬度分析图4给出了激光熔覆Ni-xWC-C涂层的表面硬度分布。测试得到,由 Ni-C构成的熔覆层硬度(HV)为32 6,相对而言,Ni-xWC-C层具备更高硬度。逐渐提高WC颗粒含量时,Ni-xWC-C层获得了更高硬度（H V）,增大至551。Ni-xWC-C层具备更高的硬度是因为在该层组织内发生了结构转变过程,从而获得了更细小的晶粒,实现了细晶强化的效果。Ni晶体组织10um内含有(10 1)滑移系。当对(10 1)晶面施加垂直2-210 g/L方向的应力时，滑移系平面中形成的剪切应力为0，因此可以显著提高Ni组织硬度。本实验在基体中通加人WC颗粒后,形成了尺寸更小的Ni晶粒,使 110 峰值明显减小。以上结果表明,可以通过加入WC颗粒来制备硬度更高的Ni-xWC-C层,并且随着WC含量的提高，熔覆层的硬度也随之上升。60010um2-440 g/L20p(Wc)/(g/L)500406080400300图4激光熔覆Ni-xWC-C涂层的表面硬度分布10um3结论2-580 g/L1)激光熔覆形成了较平滑的Ni-C涂层，大部分图2 激光熔覆Ni-xWC-C涂层的表面SEM形貌区域呈现规则多边形态。添加WC颗粒后，表面区域根据图2 测试结果可知,逐渐提高WC颗粒含量形成了一些无规则外形的结节状组织,产生了大量孔后,在涂层表面形成了尺寸更小的孔隙。这是因为加隙。提高WC颗粒含量后，涂层表面形成了尺寸更小人WC颗粒后，能够对颗粒产生孔隙起到填补作孔隙。当p(Wc)由10 g/L提高至8 0 g/L，w(W c)在涂020p(wc)/(g/L)406080山西冶金44E-mail:层内由2.6%提高至2 3.8%。2)通过加入WC颗粒来制备硬度更高的Ni-xWC-C层,并且随着WC含量提高，熔覆层硬度也随之上升。更高含量WC 颗粒,Ni-xWC-C层获得了更高硬度。1余敏,张鸿羽,曹开，等.激光熔覆在高速列车上的应用研究现状J.表面技术,2 0 2 0,49(10)：12-2 0.2杨二斌，贾刚，王伯铭，等.等离子Mo涂层用于机车车轴润滑材料研究 J.热加工工艺，2 0 18,47(2 0)：16 0-16 3.3王飞，胡清寒，杨晶，等.高速动车组转向架车轴抗石击保护涂料的性能研究 J.材料保护，2 0 18,51(2)：12 7-12 9.4耿铭章，王文权，张新戈.电火花沉积Ni/Ti（c,N)金属陶瓷复合涂层的组织及性能研究 J.表面技术，2 0 2 0，49（4)：2 2 2-2 2 9.5 杨玉明，李伟，刘平，等.碳化硅掺杂Ni-P-PTFE复合涂层的微观结构和力学性能 J.材料导报,2 0 2 0,34（4)：4153-4157.Microstructure Evolution and Hardness Analysis of Laser Cladding Ni-xWC-C Coating on(College of Transportation,Xinxiang Vocational and Technical College,Xinxiang Henan 453000,China)Abstract:In order to improve the comprehensive performance of the axle surface,Ni-xWC-C coating was obtained by adding differentcontents of WC particles in the process of laser cladding Ni-C.The optimization effect of the addition amount of WC on the performance ofNi-xWC-C coating was analyzed,and the surface hardness was determined.The results show that a smooth Ni-C coating is formed on thesurface of the axle by laser cladding.After WC particles were added,some irregular shape structures and a large number of pores wereformed on the coating surface.With increasing WC particle content,smaller pores are formed on the coating surface.WC particles wereadded to prepare Ni-xWC-C layer with higher hardness,and the hardness of cladding layer increased with the increase of WC content.When 80 g/L WC particles were added,the outer diameter of Ni grains was 29.2 nm and the hardness HV reached 551.The research ishelpful to prolong the service life of axle under variable load and has good application value.Key words:laser claddingi graphite;nickel base protective coating;microstructure;hardness(上接第 41 页)7孙苗，汤玉泉，杨爽，等.环形结构分布式温度传感器中瑞利噪声的抑制方法研究 J.光电子激光，2 0 15,2 6（11)：2 0 7 0-2 0 7 5.8关守平，尤富强，董国伟.基于FPGA的高速数据采集系统设计J.控制工程,2 0 13,2 0(5):9 7 0-9 7 5.9杨金宙，徐东明,王艳.基于FPGA的高速数据采集系统设计与实现 J.中国集成电路，2 0 17,2 6（2 1)：2 0-2 3.Analysis of BF Temperature Monitoring and