H13钢表面激光熔覆制备Ni50A/WC复合涂层的组织与性能研究

作     者：李镭昌 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：魏昕;余亿坤

授予年度：2022年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：激光熔覆 复合涂层 组织演变 裂纹 WC 

摘      要：针对热作模具表面磨损失效与金属陶瓷复合涂层易开裂的问题,本文采用激光熔覆技术,通过正交实验对工艺参数进行优化,在H13钢表面制备了满足修复性能要求且在X射线衍射显微CT检测精度下无裂纹的Ni50A/WC复合涂层。探究了工艺参数对涂层熔覆质量、裂纹、熔覆层厚度的影响,通过对比Ni50A与Ni50A/WC熔覆层,分析了不同工艺下熔覆层形成的组织与力学性能,揭示了WC的组织演变对熔覆层裂纹产生的影响机制,为激光熔覆金属陶瓷复合涂层的裂纹抑制提供理论指导,具体工作及主要结论如下:(1)通过正交实验分别对Ni50A与Ni50A/WC两种粉末材料进行激光熔覆的工艺优化,结果表明,激光功率对熔覆质量与裂纹缺陷影响最显著,随着激光功率的提高,熔覆层的连续性与裂纹缺陷得到良好的改善。扫描速度对熔覆层厚度影响最显著,扫描速度越小,熔覆层厚度越大,取1.5mm/s时熔覆层厚度约为2mm满足修复要求。(2)Ni50A涂层的主要由为γ-Ni(Fe)固溶体韧性相与Cr强化相组成。Cr主要以CrC、CrC碳化物形式存在。加入WC颗粒后,经过组织演变,W元素主要以WC与WC的碳化物形式存在,这些W、Cr碳化物作为硬质相显著提高了涂层的物理性能。(3)组织中的W、Cr元素会在晶界中富集,且W元素富集现象随着溶解进入组织中的W元素含量的提高而更为显著,W、Cr硬质相元素的晶界富集现象会造成元素偏析与晶界硬脆化,增加了熔覆层开裂敏感性,但硬质相元素晶界富集与晶界硬脆化不是Ni50A/WC涂层开裂的主导因素。(4)部分W元素会与Cr、C、Si等元素结合形成共晶化合物沉淀析出,由于组织中硬质相被集中形成沉淀,导致熔覆层出现软点与硬点,也造成熔覆层发生成分偏析,该现象为Ni50A/WC涂层开裂的主导因素之一。因此,促进W元素的扩散可以有效促进熔覆层硬度分布均匀与降低裂纹敏感性。(5)WC具有较高的硬脆性,且热物理性质与γ-Ni(Fe)差异较大,因此WC颗粒内部易出现裂纹缺陷,开裂的WC颗粒会在涂层中形成裂纹源,导致涂层裂纹扩散与延伸,该现象为Ni50A/WC涂层开裂的主导因素之一。因此,促进WC颗粒的溶解可以有效抑制裂纹的产生。(6)WC颗粒的溶解与扩散行为主要受激光线能量密度影响,优化工艺参数,如本研究把线能量密度从544.6J/mm提高到858.7J/mm,促进了W元素的扩散与溶解,降低熔覆层的裂纹敏感性。(7)优化工艺的Ni50A/WC涂层平均显微硬度为682.9HV,是H13钢基体的2.67倍。受WC的聚沉效应影响,所有Ni50A/WC涂层越靠近中底部,显微硬度越高。Ni50A/WC涂层磨损量仅为H13钢的12.1%。H13钢的摩擦磨损机制为黏着磨损,熔覆制备Ni50A/WC涂层后转变为磨粒磨损。