激光熔覆WC/Ni60B复合涂层在水润滑滑动摩擦环境下的磨损特性

第36卷第4期 北京科技大学学报 Vol.36 No.4 2014年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2014 激光熔覆WC/N60B复合涂层在水润滑滑动摩擦环 境下的磨损特性 陈华辉四，闫卓”，徐采云”，赵会友”，王振廷 1)中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院材料科学与工程系，北京100083 2)黑龙江科技大学材料科学与工程学院，哈尔滨150022 ☒通信作者，E-mail:chh@cumtb.edu.cn 摘要采用激光熔覆技术制备了N6OB镍基合金涂层以及微米WC、纳米WC和微一纳米WC颗粒增强的N6OB基复合涂 层（分别称为WCm、WCn和WCmn复合涂层）.对制备涂层在Amsler2.O0磨损试验机上进行了不同载荷和滑动距离的水润滑 滑动磨损试验.结果表明：WC颗粒的加入显著提高了N60B涂层的耐磨性.WCm复合涂层和纳米WC复合涂层的耐磨性 差别不大，但磨损形貌不同.涂层在水润滑环境下的磨损量均远远低于干滑动摩擦，其原因是水膜的支撑或隔离作用降低了 涂层与磨轮之间的接触应力，水的冷却作用减少了摩擦热引起的温度升高，降低了涂层摩擦表面的温升和热软化。水润滑摩 损条件下，WCm和WCn复合涂层中过饱和W元素发生扩散和聚集. 关键词复合涂层：颗粒增强复合材料：激光熔覆：碳化钨：镍合金：水润滑：磨损 分类号TG174.445 Wear behavior of laser cladding WC/Ni60B composite coatings under water lubrication sliding condition CHEN Hua-hui》,YAN Zhuo'',XU Cai-yun》,ZHAO Hui-you》,WANG Zhen-+ing2》 1)Department of Materials Science and Engineering,School of Mechanical Electronic and Information Engineering,China University of Mining and Tech- nology (Beijing),Beijing 100083,China 2)School of Materials Science and Engineering,Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin 150022,China Corresponding author,E-mail:chh@cumtb.edu.cn ABSTRACT Ni60B nickel based alloy coatings and micro WC,nano WC and micro-nano WC particle reinforced Ni60B composite coatings were fabricated using laser cladding technology,hereinafter called as WCm,WCn and WCmn coatings,respectively.Sliding wear tests at different loads and sliding distances were conducted for the coatings using an Amsler200 tester under water lubrication con- ditions.The results show that the addition of WC particles can improve the wear resistance of Ni60B coatings and that the wear resist- ance of the WCm and WCn coatings does not presentan obvious difference,however their worn morphologiesare different.The wear re- sistance of the coatings is much better under water lubrication than dry sliding wear because the water lubrication film can play a sup- port or isolating action between the coatings and the wear wheel,which decreases their contact stress,and because water cooling to fric- tion couples decreases the temperature rising and the softening of the coatings.W element which is saturated in the WCn and WCm- coatings diffuses and agglomeratesduring water lubrication wear. KEY WORDS composite coatings:particle reinforced composites:laser cladding:tungsten carbide:nickel alloys:water lubrica- tion:wear 收稿日期：20130203 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50471037)：中国国家自然科学基金与英国皇家学会合作基金资助项目(50711130223) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.010:http://journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 4 期 2014 年 4 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 4 Apr． 2014 激光熔覆 WC /Ni60B 复合涂层在水润滑滑动摩擦环 境下的磨损特性 陈华辉1) ，闫 卓1) ，徐采云1) ，赵会友1) ，王振廷2) 1) 中国矿业大学( 北京) 机电与信息工程学院材料科学与工程系，北京 100083 2) 黑龙江科技大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150022  通信作者，E-mail: chh@ cumtb． edu． cn 摘 要 采用激光熔覆技术制备了 Ni60B 镍基合金涂层以及微米 WC、纳米 WC 和微--纳米 WC 颗粒增强的 Ni60B 基复合涂 层( 分别称为 WCm、WCn 和 WCmn 复合涂层) ． 对制备涂层在 Amsler200 磨损试验机上进行了不同载荷和滑动距离的水润滑 滑动磨损试验． 结果表明: WC 颗粒的加入显著提高了 Ni60B 涂层的耐磨性． WCm 复合涂层和纳米 WCn 复合涂层的耐磨性 差别不大，但磨损形貌不同． 涂层在水润滑环境下的磨损量均远远低于干滑动摩擦，其原因是水膜的支撑或隔离作用降低了 涂层与磨轮之间的接触应力，水的冷却作用减少了摩擦热引起的温度升高，降低了涂层摩擦表面的温升和热软化． 水润滑摩 损条件下，WCm 和 WCn 复合涂层中过饱和 W 元素发生扩散和聚集． 关键词 复合涂层; 颗粒增强复合材料; 激光熔覆; 碳化钨; 镍合金; 水润滑; 磨损 分类号 TG174. 445 Wear behavior of laser cladding WC /Ni60B composite coatings under water lubrication sliding condition CHEN Hua-hui 1)  ，YAN Zhuo 1) ，XU Cai-yun1) ，ZHAO Hui-you1) ，WANG Zhen-ting2) 1) Department of Materials Science and Engineering，School of Mechanical Electronic and Information Engineering，China University of Mining and Tech￾nology ( Beijing) ，Beijing 100083，China 2) School of Materials Science and Engineering，Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin 150022，China  Corresponding author，E-mail: chh@ cumtb． edu． cn ABSTＲACT Ni60B nickel based alloy coatings and micro WC，nano WC and micro-nano WC particle reinforced Ni60B composite coatings were fabricated using laser cladding technology，hereinafter called as WCm，WCn and WCmn coatings，respectively． Sliding wear tests at different loads and sliding distances were conducted for the coatings using an Amsler200 tester under water lubrication con￾ditions． The results show that the addition of WC particles can improve the wear resistance of Ni60B coatings and that the wear resist￾ance of the WCm and WCn coatings does not presentan obvious difference，however their worn morphologiesare different． The wear re￾sistance of the coatings is much better under water lubrication than dry sliding wear because the water lubrication film can play a sup￾port or isolating action between the coatings and the wear wheel，which decreases their contact stress，and because water cooling to fric￾tion couples decreases the temperature rising and the softening of the coatings． W element which is saturated in the WCn and WCm￾coatings diffuses and agglomeratesduring water lubrication wear． KEY WOＲDS composite coatings; particle reinforced composites; laser cladding; tungsten carbide; nickel alloys; water lubrica￾tion; wear 收稿日期: 2013--02--03 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 50471037) ; 中国国家自然科学基金与英国皇家学会合作基金资助项目( 50711130223) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 04． 010; http: / /journals． ustb． edu． cn

第4期 陈华辉等：激光熔覆WCN60B复合涂层在水润滑滑动摩擦环境下的磨损特性 ·483· 激光熔覆（亦称激光堆焊）是指以不同的添加 表1预制涂层成分（质量分数） 方法在被熔覆的基体上放置选择的涂层材料，经高 Table 1 Components of the preformed coatings % 能密度激光束辐照加热，使之和基体表面熔化，并快 涂层 S7412 YF112 Ni60B 速凝固，从而在基材表面形成与基体为治金结合的 Ni60B 0 0 100 表面涂层的工艺过程.目前，激光熔覆材料最常 WCm 0 30 70 用的是Ni基P-、Co基5-和Fe基s)自熔合金粉 WCmn 公 15 言 WCn 30 0 70 末.镍基自熔合金(self fusion alloy,SFA)涂层由于 具有良好的耐磨性和耐蚀性，己广泛用于许多工业 熔覆涂层显微硬度测试采用HV1000型显微硬 领域.但是，在许多工况环境下，镍基自熔合金涂层 度计，载荷为4.9N,载荷保持时间20s.Ni60B、 还不能完全满足其对耐磨性的要求.通过加入WC WCm、WCn和WCmn涂层的HV硬度平均值分别为 硬质相增强镍基合金，可以赋予复合涂层以更好的 808、1003、1024和1011.对磨磨轮为烧结20%C0- 耐磨性0)，同时镍基合金基体又可以保证复合涂 WC,磨轮尺寸为47mm×10mm,平均硬度 层相对较好的韧性.WC增强Ni基合金激光熔覆材 HV1126.激光熔覆涂层的水润滑滑动磨损试验在 料在干滑动摩擦条件下磨损情况的研究已有较多报 Amsler2O0磨损试验机进行.试验过程中涂层试样 道2一8，但在水润滑条件下的磨损研究却并不多 固定，磨轮以0.5m"s1的线速度转动，同时磨轮在 见.笔者通过制备微米和纳米WC增强Ni基合金 偏心轮作用下水平摆动，每转使磨轮水平往返10 激光熔覆涂层，进行水润滑滑动磨损试验，分析不同 mm.水润滑磨损示意图如图1所示.磨轮在水中半 WC颗粒粒度对涂层磨损性能的影响，同时分析涂 浸泡并且以10~15mL·s的速度滴加水流量以进 层的磨损规律及磨损机理，以及磨损过程中涂层组 行冷却.磨损施加载荷和滑动距离见表2.磨损试 织的变化 验前后采用万分之一天平对试样进行称重，利用失 1 试验材料及试验方法 重法评价涂层的耐磨性 1.1试验材料 本试验中采用的基体材料为45钢，试样尺寸为 滴管 15mm×12mm×10mm,熔覆基面尺寸为15mm×12 激光熔 磨损试样 mm.采用的增强相粉末分别为：Inframat公司生产 覆涂层 的牌号为S7412的团聚纳米晶12%Co-WC粉末 冷却水 磨轮旋转 (简称WCn),WC粒度为50~500nm,团聚粉末粒 5 度为5~45μm;自贡硬质合金厂产Y℉112牌号的团 水平面 聚微米晶12%Co-WC粉末（简称WCm),WC粒度 为3~5μm,团聚粉末粒度15~45um;金属合金粉 图1水润滑磨损试验示意图 末选择Ni60B,粉末粒度为300~500um,其化学成 Fig.1 Diagrammatic sketch of wear test under water lubrication 分（质量分数，%)为：17Cr,3.5B,4.0Si,1.0C, 表2激光熔覆涂层水润滑磨损试验方案 12Fe,62.5Ni Table 2 Sliding wear test scheme of laser cladding coatings under water 1.2试验方法 lubrication 45钢基体在涂覆前经喷砂及丙酮去油污处理. 磨损距离/m 采用乙醇、水和醋酸纤维体积比例为3：2：1的配比 涂层 载荷N 1 2 3 4 经搅拌混合后制成胶粘剂.按照表1所示配制四组 Ni60B 600 2000 预制涂层粉末试样.然后将胶粘剂分别加入到四组 WCm 500 2000 4000 6000 8000 粉末试样中搅拌均匀，涂抹在45钢基体表面，涂层 WCm 600 2000 WCmn 600 2000 厚度1.1~1.2mm.涂层在空气中干燥后，在TJ- WCn 500 2000 4000 6000 8000 5000C0,激光器上进行激光熔覆.激光熔覆工艺参 WCn 600 2000 数为：激光功率1.6kW,激光光斑直径4mm,扫描速 度240mm·min-1,激光搭接1mm.为防止熔覆中氧 采用Cambridge S-360、MX2600FE以及JSM- 化，熔覆过程中采用氩气保护. 6480LV对激光熔覆层显微组织、磨损形貌及磨损表

第 4 期 陈华辉等: 激光熔覆 WC/Ni60B 复合涂层在水润滑滑动摩擦环境下的磨损特性 激光熔覆( 亦称激光堆焊) 是指以不同的添加 方法在被熔覆的基体上放置选择的涂层材料，经高 能密度激光束辐照加热，使之和基体表面熔化，并快 速凝固，从而在基材表面形成与基体为冶金结合的 表面涂层的工艺过程［1］． 目前，激光熔覆材料最常 用的是 Ni 基［2--4］、Co 基［5--7］和 Fe 基［8--9］自熔合金粉 末． 镍基自熔合金( self fusion alloy，SFA) 涂层由于 具有良好的耐磨性和耐蚀性，已广泛用于许多工业 领域． 但是，在许多工况环境下，镍基自熔合金涂层 还不能完全满足其对耐磨性的要求． 通过加入 WC 硬质相增强镍基合金，可以赋予复合涂层以更好的 耐磨性［10--11］，同时镍基合金基体又可以保证复合涂 层相对较好的韧性． WC 增强 Ni 基合金激光熔覆材 料在干滑动摩擦条件下磨损情况的研究已有较多报 道［12--18］，但在水润滑条件下的磨损研究却并不多 见． 笔者通过制备微米和纳米 WC 增强 Ni 基合金 激光熔覆涂层，进行水润滑滑动磨损试验，分析不同 WC 颗粒粒度对涂层磨损性能的影响，同时分析涂 层的磨损规律及磨损机理，以及磨损过程中涂层组 织的变化． 1 试验材料及试验方法 1. 1 试验材料 本试验中采用的基体材料为 45 钢，试样尺寸为 15 mm × 12 mm × 10 mm，熔覆基面尺寸为 15 mm × 12 mm． 采用的增强相粉末分别为: Inframat 公司生产 的牌号为 S7412 的团聚纳米晶 12% Co--WC 粉 末 ( 简称 WCn) ，WC 粒度为 50 ～ 500 nm，团聚粉末粒 度为 5 ～ 45 μm; 自贡硬质合金厂产 YF112 牌号的团 聚微米晶 12% Co--WC 粉末( 简称 WCm) ，WC 粒度 为 3 ～ 5 μm，团聚粉末粒度 15 ～ 45 μm; 金属合金粉 末选择 Ni60B，粉末粒度为 300 ～ 500 μm，其化学成 分 ( 质 量 分 数，% ) 为: 17Cr，3. 5B，4. 0Si，1. 0C， 12Fe，62. 5Ni． 1. 2 试验方法 45 钢基体在涂覆前经喷砂及丙酮去油污处理． 采用乙醇、水和醋酸纤维体积比例为 3∶ 2∶ 1的配比 经搅拌混合后制成胶粘剂． 按照表 1 所示配制四组 预制涂层粉末试样． 然后将胶粘剂分别加入到四组 粉末试样中搅拌均匀，涂抹在 45 钢基体表面，涂层 厚度 1. 1 ～ 1. 2 mm． 涂层在空气中干燥后，在 TJ-- 5000 CO2激光器上进行激光熔覆． 激光熔覆工艺参 数为: 激光功率 1. 6 kW，激光光斑直径 4 mm，扫描速 度 240 mm·min － 1 ，激光搭接 1 mm． 为防止熔覆中氧 化，熔覆过程中采用氩气保护． 表 1 预制涂层成分( 质量分数) Table 1 Components of the preformed coatings % 涂层 S7412 YF112 Ni60B Ni60B WCm WCmn WCn 0 0 15 30 0 30 15 0 100 70 70 70 熔覆涂层显微硬度测试采用 HV1000 型显微硬 度计，载 荷 为 4. 9 N，载 荷 保 持 时 间 20 s． Ni60B、 WCm、WCn 和 WCmn 涂层的 HV 硬度平均值分别为 808、1003、1024 和 1011． 对磨磨轮为烧结 20% Co-- WC，磨 轮 尺 寸 为 47 mm × 10 mm，平 均 硬 度 HV1126． 激光熔覆涂层的水润滑滑动磨损试验在 Amsler200 磨损试验机进行． 试验过程中涂层试样 固定，磨轮以 0. 5 m·s － 1 的线速度转动，同时磨轮在 偏心轮作用下水平摆动，每转使磨轮水平往返 10 mm． 水润滑磨损示意图如图 1 所示． 磨轮在水中半 浸泡并且以 10 ～ 15 mL·s － 1 的速度滴加水流量以进 行冷却． 磨损施加载荷和滑动距离见表 2． 磨损试 验前后采用万分之一天平对试样进行称重，利用失 重法评价涂层的耐磨性． 图 1 水润滑磨损试验示意图 Fig． 1 Diagrammatic sketch of wear test under water lubrication 表 2 激光熔覆涂层水润滑磨损试验方案 Table 2 Sliding wear test scheme of laser cladding coatings under water lubrication 涂层 载荷/N 磨损距离/m 1 2 3 4 Ni60B WCm WCm WCmn WCn WCn 600 500 600 600 500 600 2000 2000 2000 2000 2000 2000 — 4000 — — 4000 — — 6000 — — 6000 — — 8000 — — 8000 — 采用 Cambridge S--360、MX2600FE 以及 JSM-- 6480LV 对激光熔覆层显微组织、磨损形貌及磨损表 ·483·

·484· 北京科技大学学报 第36卷 面的组织变化进行观察 节，显微组织为背散射电子图像(back scattered elec- tron imaging,BSE).可看出，两种涂层的组织类似， 2实验结果与分析 在过饱和N基固溶体基体上都较均匀分布着团聚 2.1涂层组织形貌 WC颗粒、块状碳（硼）化物及枝晶.但是，WCm涂 图2(a)和(b)分别为WCm和WCn涂层横截 层的原始WC颗粒尺寸较大，枝晶及枝晶间距也较 面经腐蚀后的显微组织.为更清楚地观察组织细 WCn涂层大，WCn涂层的块状碳（硼）化物更多. 图2涂层横截面显微组织背散射电子图像.(a)WCm涂层：(b)WCn涂层 Fig.2 BSE microstructures of the coatings:(a)WCm coating:(b)WCn coating 2.2磨损量及磨损机理 14 图3为在600N载荷、2000m滑动距离水润滑 12 —WCm ●—WCn 条件下各涂层磨损失重的比较.由图可见，三种WC 10 颗粒增强Ni基复合涂层的耐磨性是N6OB涂层的 8 8倍左右，即WC强化颗粒的加入极大地提高了Ni 基合金的耐磨性，而微米和纳米WC颗粒对涂层的 6 耐磨性影响差异不大.图4为在500N载荷下， WCm涂层及WCn涂层磨损量随不同滑动距离的变 化情况.可见两组试样在滑动距离不断增加的条件 下，磨损量基本呈线性相关，且WCm涂层磨损量稍 2000300040005000600070008000 滑动距离/m 低于WCn涂层，但相差也不大，也即微米WC和纳 图4不同滑动距离下涂层磨损失重 米WC颗粒的增强效果无明显差别. Fig.4 Wear mass loss of the coatings with sliding distances 0 表面形貌.由于磨轮的硬度高于N60B涂层的硬 35 度，因此磨轮在N60B涂层上产生明显的犁沟甚至 微切削，在涂层表面可见明显的犁沟、塑性变形及少 25 量微裂纹（图5(a)),其磨损机理主要以微犁削和 20 犁沟塑性变形为主，犁削过程引起的塑性变形，使试 样表面和亚表面形成裂纹成核点，后续的加载、卸载 10 最终导致这些裂纹在表层内扩展并与邻近裂纹相 连，当裂纹扩展到表面时易形成磨损薄碎片，对试样 Ni60B WCm WCnm WCn 的耐磨性能产生不利影响.涂层中较高硬度的碳硼 涂层 化物可能会阻碍对磨磨轮的磨削.微米WCm复合 图3水润滑磨损条件下涂层磨损失重 涂层磨损后的表面非常光滑，类似于抛光后表面， Fig.3 Wear mass loss of the coatings under water lubrication WC颗粒和Ni基合金基体在同一平面上，表面难见 图5为Ni6OB、WCm、WCmn、WCn四种涂层在 犁沟，表面上散落着脱落的WC颗粒，其磨损相当于 600N载荷、2000m磨损距离水润滑滑动磨损后的 一种抛光性质的磨粒磨损（图5(b)).纳米WCn涂

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 面的组织变化进行观察． 2 实验结果与分析 2. 1 涂层组织形貌 图 2( a) 和( b) 分别为 WCm 和 WCn 涂层横截 面经腐蚀后的显微组织． 为更清楚地观察组织细 节，显微组织为背散射电子图像( back scattered elec￾tron imaging，BSE) ． 可看出，两种涂层的组织类似， 在过饱和 Ni 基固溶体基体上都较均匀分布着团聚 WC 颗粒、块状碳( 硼) 化物及枝晶． 但是，WCm 涂 层的原始 WC 颗粒尺寸较大，枝晶及枝晶间距也较 WCn 涂层大，WCn 涂层的块状碳( 硼) 化物更多． 图 2 涂层横截面显微组织背散射电子图像． ( a) WCm 涂层; ( b) WCn 涂层 Fig． 2 BSE microstructures of the coatings: ( a) WCm coating; ( b) WCn coating 2. 2 磨损量及磨损机理 图 3 为在 600 N 载荷、2000 m 滑动距离水润滑 条件下各涂层磨损失重的比较． 由图可见，三种 WC 颗粒增强 Ni 基复合涂层的耐磨性是 Ni60B 涂层的 8 倍左右，即 WC 强化颗粒的加入极大地提高了 Ni 基合金的耐磨性，而微米和纳米 WC 颗粒对涂层的 耐磨性影 响 差 异 不 大． 图 4 为 在 500 N 载 荷 下， WCm 涂层及 WCn 涂层磨损量随不同滑动距离的变 化情况． 可见两组试样在滑动距离不断增加的条件 下，磨损量基本呈线性相关，且 WCm 涂层磨损量稍 低于 WCn 涂层，但相差也不大，也即微米 WC 和纳 米 WC 颗粒的增强效果无明显差别． 图 3 水润滑磨损条件下涂层磨损失重 Fig． 3 Wear mass loss of the coatings under water lubrication 图 5 为 Ni60B、WCm、WCmn、WCn 四种涂层在 600 N 载荷、2000 m 磨损距离水润滑滑动磨损后的 图 4 不同滑动距离下涂层磨损失重 Fig． 4 Wear mass loss of the coatings with sliding distances 表面形貌． 由于磨轮的硬度高于 Ni60B 涂层的硬 度，因此磨轮在 Ni60B 涂层上产生明显的犁沟甚至 微切削，在涂层表面可见明显的犁沟、塑性变形及少 量微裂纹( 图 5 ( a) ) ，其磨损机理主要以微犁削和 犁沟塑性变形为主，犁削过程引起的塑性变形，使试 样表面和亚表面形成裂纹成核点，后续的加载、卸载 最终导致这些裂纹在表层内扩展并与邻近裂纹相 连，当裂纹扩展到表面时易形成磨损薄碎片，对试样 的耐磨性能产生不利影响． 涂层中较高硬度的碳硼 化物可能会阻碍对磨磨轮的磨削． 微米 WCm 复合 涂层磨损后的表面非常光滑，类似于抛光后表面， WC 颗粒和 Ni 基合金基体在同一平面上，表面难见 犁沟，表面上散落着脱落的 WC 颗粒，其磨损相当于 一种抛光性质的磨粒磨损( 图 5( b) ) ． 纳米 WCn 涂 ·484·

第4期 陈华辉等：激光熔覆WCN60B复合涂层在水润滑滑动摩擦环境下的磨损特性 ·485· 层与Ni6OB涂层磨损形貌类似，但微犁沟要比 种涂层的磨损都是磨轮对涂层的磨粒磨损，但其磨 Ni6OB涂层表面细浅（图5(d)).微-纳米WCmn复 损机理有所不同：含有微米WC的WCm复合涂层 合涂层的磨损形貌介于WCm和WCn涂层之间， 表现为具有磨粒抛光性质的磨粒磨损，而含有纳米 WC颗粒周围的Ni基合金基体表面有轻微的微犁 WC颗粒的WCn复合涂层和Ni6OB涂层则表现为 沟，WC颗粒表面较平滑（图5(c)).由此可见，四 微犁沟形貌的磨粒磨损. 7 b“歌5用分2一 HI 15 图5激光熔覆涂层水润滑磨损扫描电镜形貌(6O0N,2000m).(a)Ni6OB涂层：(b)WCm涂层：(c)WCmm涂层：(d)WCm涂层 Fig.5 Worn surface SEM images of laser cladding coatings(600 N,2000 m):(a)Ni60B coating:(b)WCm coating:(c)WCmn coating:(d) WCn coating 通常，材料的硬度越高，其耐磨性应越好.WCn 磨损. 复合涂层的硬度稍高于WCm复合涂层，按理其耐 因此，本磨损试验中，除水会促进磨屑的去除 磨性也应稍高于WCm涂层.然而，从图3和图4中 外，水润滑对磨损机理的影响是不容忽视的.首先 可知，两者耐磨性相差不大.在激光熔覆过程中，由 四种激光熔覆涂层在与W℃硬质合金磨轮进行水润 于纳米WC颗粒溶入Ni基合金基体中较多产生固 滑磨损时，水起到了降低摩擦副接触压力的作用，这 溶强化，因此使涂层的硬度提高，而微米WC颗粒相 相当于降低了磨损载荷，因此水润滑磨损磨损量比 对溶入基体中较少.在磨损过程中，涂层中的WC 干磨损要低.在600N高载荷下，干滑动磨损磨损量 颗粒对磨轮的磨损有明显的阻碍作用，但在磨轮的 比水润滑磨损量高2倍(N60B涂层)至10倍以上 作用下，WC颗粒也会发生脱落.观察磨损后的形 (WC复合涂层)阿.其次，水润滑起到了冷却作 貌发现，在水润滑滑动磨损过程中，脱落的WC颗粒 用，减少摩擦热引起的温度升高，降低涂层摩擦表面 堆积在磨损表面月牙形的凹陷处，这些堆积WC颗 的温升和热软化，因此降低涂层的磨损.第三，磨损 粒呈波浪状排列，可以推测这些月牙形凹陷是由于 中脱落的WC颗粒相当于抛光剂，起到类似于抛光 在摩擦副之间存在的水润滑水膜引起的，其形貌如 的作用，这在WCm涂层的磨损形貌中表现的极为 图6所示.脱落的WC颗粒越小越易被水带走，残 明显.这是因为尺寸较大的WC颗粒不仅起到抛光 存的大WC颗粒可以对涂层表面产生三体磨粒磨 剂的作用，而且可能起着支撑作用，阻碍着磨轮表面 损，类似抛光剂：也可能对摩擦副产生支撑作用，降 与涂层表面的接触，对于纳米和微一纳米涂层，脱落 低摩擦副表面的接触应力，减轻磨轮对涂层的两体 的细小WC颗粒容易被水介质带走，这种支撑作用

第 4 期 陈华辉等: 激光熔覆 WC/Ni60B 复合涂层在水润滑滑动摩擦环境下的磨损特性 层与 Ni60B 涂 层 磨 损 形 貌 类 似，但 微 犁 沟 要 比 Ni60B 涂层表面细浅( 图 5( d) ) ． 微--纳米 WCmn 复 合涂层的磨损形貌介于 WCm 和 WCn 涂层之间， WC 颗粒周围的 Ni 基合金基体表面有轻微的微犁 沟，WC 颗粒表面较平滑( 图 5 ( c) ) ． 由此可见，四 种涂层的磨损都是磨轮对涂层的磨粒磨损，但其磨 损机理有所不同: 含有微米 WC 的 WCm 复合涂层 表现为具有磨粒抛光性质的磨粒磨损，而含有纳米 WC 颗粒的 WCn 复合涂层和 Ni60B 涂层则表现为 微犁沟形貌的磨粒磨损． 图 5 激光熔覆涂层水润滑磨损扫描电镜形貌( 600 N，2000 m) ． ( a) Ni60B 涂层; ( b) WCm 涂层; ( c) WCmn 涂层; ( d) WCn 涂层 Fig． 5 Worn surface SEM images of laser cladding coatings( 600 N，2000 m) : ( a) Ni60B coating; ( b) WCm coating; ( c) WCmn coating; ( d) WCn coating 通常，材料的硬度越高，其耐磨性应越好． WCn 复合涂层的硬度稍高于 WCm 复合涂层，按理其耐 磨性也应稍高于 WCm 涂层． 然而，从图 3 和图 4 中 可知，两者耐磨性相差不大． 在激光熔覆过程中，由 于纳米 WC 颗粒溶入 Ni 基合金基体中较多产生固 溶强化，因此使涂层的硬度提高，而微米 WC 颗粒相 对溶入基体中较少． 在磨损过程中，涂层中的 WC 颗粒对磨轮的磨损有明显的阻碍作用，但在磨轮的 作用下，WC 颗粒也会发生脱落． 观察磨损后的形 貌发现，在水润滑滑动磨损过程中，脱落的 WC 颗粒 堆积在磨损表面月牙形的凹陷处，这些堆积 WC 颗 粒呈波浪状排列，可以推测这些月牙形凹陷是由于 在摩擦副之间存在的水润滑水膜引起的，其形貌如 图 6 所示． 脱落的 WC 颗粒越小越易被水带走，残 存的大 WC 颗粒可以对涂层表面产生三体磨粒磨 损，类似抛光剂; 也可能对摩擦副产生支撑作用，降 低摩擦副表面的接触应力，减轻磨轮对涂层的两体 磨损． 因此，本磨损试验中，除水会促进磨屑的去除 外，水润滑对磨损机理的影响是不容忽视的． 首先 四种激光熔覆涂层在与 WC 硬质合金磨轮进行水润 滑磨损时，水起到了降低摩擦副接触压力的作用，这 相当于降低了磨损载荷，因此水润滑磨损磨损量比 干磨损要低． 在600 N 高载荷下，干滑动磨损磨损量 比水润滑磨损量高 2 倍( Ni60B 涂层) 至 10 倍以上 ( WC 复合涂层) ［19］． 其次，水润滑起到了冷却作 用，减少摩擦热引起的温度升高，降低涂层摩擦表面 的温升和热软化，因此降低涂层的磨损． 第三，磨损 中脱落的 WC 颗粒相当于抛光剂，起到类似于抛光 的作用，这在 WCm 涂层的磨损形貌中表现的极为 明显． 这是因为尺寸较大的 WC 颗粒不仅起到抛光 剂的作用，而且可能起着支撑作用，阻碍着磨轮表面 与涂层表面的接触，对于纳米和微--纳米涂层，脱落 的细小 WC 颗粒容易被水介质带走，这种支撑作用 ·485·

·486 北京科技大学学报 第36卷 4州 20KU 13 00 4时 15 图6WC涂层表面脱落的WC颗粒背散射电子图像.(a)WCm涂层：(b)WCn涂层 Fig.6 BSE images of WC particles spalled from the WCm coatingsurface:(a)WCm coating:(b)WCn coating 可能较弱，因此磨轮仍对涂层表面产生微犁沟.涂 要强烈.图8为WCn涂层在500N载荷下水润滑磨 层的磨损量应该由组织结构和以上几个因素所决 损后的组织形貌.经能谱分析发现，涂层中树枝晶 定，而不能仅仅依赖于涂层的硬度. 横截面出现了明显的层状分布（图8(a)):明亮区 2.3水润滑滑动磨损涂层组织变化 含W高，同时其周围出现较大面积贫W区（暗灰 微米和纳米WC颗粒增强的激光熔覆涂层属于 色).磨损过程中发生的元素扩散现象可能与这些 W过饱和的亚稳涂层，因此对WCm和WCn涂层水 组织内的残余应力分布有关，磨损过程中在摩擦力 润滑滑动磨损后涂层组织的变化进行了研究.由于 的作用下，花瓣状碳化物组织中W元素位错扩散等 水润滑的冷却作用，摩擦热的影响可以忽略不计，主 被启动，但较低温度下这些短路扩散只在较短距 要考虑摩擦力对组织变化的影响.图7是WCm涂 离上有效，W过饱和碳化物生成带状结构以平衡内 层水润滑磨损后的组织形貌.相比于磨损前的显微 部的应力，降低晶格畸变能；在中心部位甚至完成 组织形貌，发现在水润滑磨损过程中，W℃涂层主要 WC的脱溶析出与及碳化铬的晶型转变，从而释放 发生了元素的扩散现象：树枝晶碳化物的主干和枝 品格畸变能.随着磨损距离的增加，元素的扩散不 晶开始球化并相互脱离，同时这些枝晶中W向树枝 断进行直到趋于稳定 主干偏聚；涂层中块状碳化物出现W向中心偏聚且 3结论 分层的情况. 由于WCm涂层采用微米晶WC增强，相对而 (1)WC硬质颗粒相的加入显著提高了Ni60B 言其Ni基合金中W的固溶度较小；而WCn涂层采 涂层的耐磨性，但WCm复合涂层和纳米WCn复合 用的团聚纳米品WC颗粒增强，其在激光熔覆过程 涂层的耐磨性差别不大 中被激光束打散溶解到Ni基基体的WC比较多，涂 (2)涂层在水润滑环境下的磨损量均远远低于 层各相组织中W过饱和度较大，所以其在水冷却磨 干滑动摩擦，其主要原因在于水膜的支撑作用降低 损条件下的组织变化会比同等条件下的WCm涂层 涂层与磨轮之间的接触应力：而且水润滑起到冷却 b Electron Image 图7WCm涂层水润滑磨损后表面组织背散射电子形貌(500N).(a)2000m:(b)4000m Fig.7 Wom surface BSE images of the WCm coating under water lubrication at 500 N:(a)2000 m:(b)4000m

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 6 WC 涂层表面脱落的 WC 颗粒背散射电子图像． ( a) WCm 涂层; ( b) WCn 涂层 Fig． 6 BSE images of WC particles spalled from the WCm coatingsurface: ( a) WCm coating; ( b) WCn coating 可能较弱，因此磨轮仍对涂层表面产生微犁沟． 涂 层的磨损量应该由组织结构和以上几个因素所决 定，而不能仅仅依赖于涂层的硬度． 2. 3 水润滑滑动磨损涂层组织变化 微米和纳米 WC 颗粒增强的激光熔覆涂层属于 W 过饱和的亚稳涂层，因此对 WCm 和 WCn 涂层水 润滑滑动磨损后涂层组织的变化进行了研究． 由于 水润滑的冷却作用，摩擦热的影响可以忽略不计，主 图 7 WCm 涂层水润滑磨损后表面组织背散射电子形貌( 500 N) ． ( a) 2000 m; ( b) 4000 m Fig． 7 Worn surface BSE images of the WCm coating under water lubrication at 500 N: ( a) 2000 m; ( b) 4000 m 要考虑摩擦力对组织变化的影响． 图 7 是 WCm 涂 层水润滑磨损后的组织形貌． 相比于磨损前的显微 组织形貌，发现在水润滑磨损过程中，WC 涂层主要 发生了元素的扩散现象: 树枝晶碳化物的主干和枝 晶开始球化并相互脱离，同时这些枝晶中 W 向树枝 主干偏聚; 涂层中块状碳化物出现 W 向中心偏聚且 分层的情况． 由于 WCm 涂层采用微米晶 WC 增强，相对而 言其 Ni 基合金中 W 的固溶度较小; 而 WCn 涂层采 用的团聚纳米晶 WC 颗粒增强，其在激光熔覆过程 中被激光束打散溶解到 Ni 基基体的 WC 比较多，涂 层各相组织中 W 过饱和度较大，所以其在水冷却磨 损条件下的组织变化会比同等条件下的 WCm 涂层 要强烈． 图 8 为 WCn 涂层在 500 N 载荷下水润滑磨 损后的组织形貌． 经能谱分析发现，涂层中树枝晶 横截面出现了明显的层状分布( 图 8 ( a) ) ; 明亮区 含 W 高，同时其周围出现较大面积贫 W 区( 暗灰 色) ． 磨损过程中发生的元素扩散现象可能与这些 组织内的残余应力分布有关，磨损过程中在摩擦力 的作用下，花瓣状碳化物组织中 W 元素位错扩散等 被启动［20］，但较低温度下这些短路扩散只在较短距 离上有效，W 过饱和碳化物生成带状结构以平衡内 部的应力，降低晶格畸变能; 在中心部位甚至完成 WC 的脱溶析出与及碳化铬的晶型转变，从而释放 晶格畸变能． 随着磨损距离的增加，元素的扩散不 断进行直到趋于稳定． 3 结论 ( 1) WC 硬质颗粒相的加入显著提高了 Ni60B 涂层的耐磨性，但 WCm 复合涂层和纳米 WCn 复合 涂层的耐磨性差别不大． ( 2) 涂层在水润滑环境下的磨损量均远远低于 干滑动摩擦，其主要原因在于水膜的支撑作用降低 涂层与磨轮之间的接触应力; 而且水润滑起到冷却 ·486·

第4期 陈华辉等：激光熔覆WCN60B复合涂层在水润滑滑动摩擦环境下的磨损特性 ·487· 图8WCn涂层水润滑磨损后表面组织背散射电子形貌(500N).(a)2000m:(b)4000m Fig.8 Worn surface BSE images of the WCn coating under water lubrication at 500 N:(a)2000 m:(b)4000 m 作用，减少摩擦热引起的温度升高，降低涂层摩擦表 构.激光杂志，2002,23(4)：58) 面的温升和热软化，因此也降低涂层的磨损. [6]Si S H,Xu K,Yuan X M,et al.Microstructure and wear perform- (3)水润滑磨损条件下，WCm复合涂层和 ance of laser cladding CrC/Co alloy compositecoating.Tribolo- ,2006,26(2):125 WCn复合涂层的磨损机理有所不同，这与脱落的 (斯松华，徐锟，袁晓敏，等.激光熔覆C,C,/Co基合金复合 WC颗粒大小有关.WCm涂层磨损后表面光滑，磨 涂层组织与摩擦磨损性能研究.摩擦学学报，2006,26(2)： 损中脱落的WC颗粒分布在摩擦副之间相当于抛光 125) 剂，起到类似于抛光的作用；WCn复合涂层磨损后 Qu C F.Comparing of Testing Study for Laser Cladding of Ni Pow- der and Co Porder [Dissertation].Changchun:Changchun Uni- 表面形貌为微犁沟. versity of Seience and Technology,2006 (4)水润滑摩损条件下，WCm和WCn复合涂 (曲广福.激光熔覆Ni基粉末和Co基粉末对比试验研究[学 层中过饱和W元素发生扩散、聚集.磨损过程中发 位论文].长春：长春理工大学，2006) 生的元素扩散现象可能与这些组织内的残余应力分 [8]Lu PP,Wang Y.Han B,et al.Microstructure and friction and 布有关. wear properties of laser cladding Febased alloy coatings on brake dise of deep-well drilling rig.China Surf Eng,2010,23(1):92 参考文献 (陆萍萍，王勇，韩彬，等.深井钻机刹车盘激光熔覆铁基涂 层的组织与摩擦磨损性能.中国表面工程，2010,23(1)：92) [Qiu X W,Li G,Qiu L.The latest development and prospects of 9] Wang X R.Research on Laser Cladding Fe-based Coating Rein- laser cladding technology.Rare Met Cemented Carbides,2008.3 forced by Ceramic Phase Particles [Dissertation].Jinan:Shandong (3):54 University,2010 (邱星武，李刚，邱玲.激光熔覆技术发展现状及展望.稀有金 (王晓荣.激光熔覆陶瓷相颗粒增强F©基熔覆层的研究[学 属与硬质合金，2008,36(3)：54) 位论文].济南：山东大学，2010) [2]Chen J M,Wang LQ.Zhou JS,et al.Research progress of laser [1o] Liu X G,Wang Y,Han B,et al.Analysis of the microstructure, clad Ni-ased coatings.China Suf Eng,2011,24(2):13 wear and corrosion resistance of laser-elad Ni-coated WC compos- (陈建敏，王凌倩，周健松，等.激光熔覆N基涂层研究进展 ite coating and its application.Electroplat Finish,2011,30(5): 中国表面工程，2011,24(2)：13) 72 B3]Cao HZ,Chen HH,Zhang W X.Tribological properties of Ni- (刘兴光，王勇，韩彬，等.激光熔覆Ni包WC复合涂层的 based alloys reinforced by WC particles of different size.Lubr 组织、耐磨和耐蚀性分析及应用.电镀与涂饰，2011,30(5)： Eng,2012,37(2):79 72) (曹洪治，陈华辉，张文欣.WC粒度对N基合金摩擦磨损性能 [11]Li X H,Fu Y M,Li W,et al.Study on laser cladding on alloy 的影响.润滑与密封，2012,37(2)：79) powder reinforeed with nano-WC particles.Hot Work Technol, 4]Huang X F.An Investigation on Microstructure and Properties of Ni- 2011,40(24):171 based Alloy by Laser Cladding and Laser Cladding Forming [Dis- (李晓慧，付宇明，李伟，等.激光熔覆纳米W℃颗粒增强型 sertation].Changchun:Jilin University,2011 合金粉末的研究.热加工工艺，2011,40(24)：171) (黄晓风.激光熔覆和熔覆成形镍基合金的组织与性能研究 [12]Wang H,Xia W M,JinY S.A study on abrasive resistance of [学位论文].长春：吉林大学，2011) Ni-asedcoatings with a WC hardphase.Wear,1996,195 (1/ [5]Si S H,Yuan X M,He Y Z.Microstructure of laser cladding Co- 2):47 based alloy coating.Laser J.2002,23(4):58 [13]Chen HH,Xu C Y,Chen J.Microstructure and phase transfor- (斯松华，袁小敏，何宜柱，激光熔覆钻基合金涂层的组织结 mation of WC/Ni60B laser cladding coatings during dry sliding

第 4 期 陈华辉等: 激光熔覆 WC/Ni60B 复合涂层在水润滑滑动摩擦环境下的磨损特性 图 8 WCn 涂层水润滑磨损后表面组织背散射电子形貌( 500 N) ． ( a) 2000 m; ( b) 4000 m Fig． 8 Worn surface BSE images of the WCn coating under water lubrication at 500 N: ( a) 2000 m; ( b) 4000 m 作用，减少摩擦热引起的温度升高，降低涂层摩擦表 面的温升和热软化，因此也降低涂层的磨损． ( 3) 水润滑磨损条件下，WCm 复 合 涂 层 和 WCn 复合涂层的磨损机理有所不同，这与脱落的 WC 颗粒大小有关． WCm 涂层磨损后表面光滑，磨 损中脱落的 WC 颗粒分布在摩擦副之间相当于抛光 剂，起到类似于抛光的作用; WCn 复合涂层磨损后 表面形貌为微犁沟． ( 4) 水润滑摩损条件下，WCm 和 WCn 复合涂 层中过饱和 W 元素发生扩散、聚集． 磨损过程中发 生的元素扩散现象可能与这些组织内的残余应力分 布有关． 参 考 文 献 ［1］ Qiu X W，Li G，Qiu L． The latest development and prospects of laser cladding technology． Ｒare Met Cemented Carbides，2008，36 ( 3) : 54 ( 邱星武，李刚，邱玲． 激光熔覆技术发展现状及展望． 稀有金 属与硬质合金，2008，36( 3) : 54) ［2］ Chen J M，Wang L Q，Zhou J S，et al． Ｒesearch progress of laser clad Ni-based coatings． China Surf Eng，2011，24( 2) : 13 ( 陈建敏，王凌倩，周健松，等． 激光熔覆 Ni 基涂层研究进展． 中国表面工程，2011，24( 2) : 13) ［3］ Cao H Z，Chen H H，Zhang W X． Tribological properties of Ni￾based alloys reinforced by WC particles of different size． Lubr Eng，2012，37( 2) : 79 ( 曹洪治，陈华辉，张文欣． WC 粒度对 Ni 基合金摩擦磨损性能 的影响． 润滑与密封，2012，37( 2) : 79) ［4］ Huang X F． An Investigation on Microstructure and Properties of Ni￾based Alloy by Laser Cladding and Laser Cladding Forming［Dis￾sertation］． Changchun: Jilin University，2011 ( 黄晓凤． 激光熔覆和熔覆成形镍基合金的组织与性能研究 ［学位论文］． 长春: 吉林大学，2011) ［5］ Si S H，Yuan X M，He Y Z． Microstructure of laser cladding Co￾based alloy coating． Laser J，2002，23( 4) : 58 ( 斯松华，袁小敏，何宜柱． 激光熔覆钴基合金涂层的组织结 构． 激光杂志，2002，23( 4) : 58) ［6］ Si S H，Xu K，Yuan X M，et al． Microstructure and wear perform￾ance of laser cladding Cr3C2 /Co alloy compositecoating． Tribolo￾gy，2006，26( 2) : 125 ( 斯松华，徐锟，袁晓敏，等． 激光熔覆 Cr3C2 /Co 基合金复合 涂层组织与摩擦磨损性能研究． 摩擦学学报，2006，26 ( 2) : 125) ［7］ Qu G F． Comparing of Testing Study for Laser Cladding of Ni Pow￾der and Co Powder［Dissertation］． Changchun: Changchun Uni￾versity of Science and Technology，2006 ( 曲广福． 激光熔覆 Ni 基粉末和 Co 基粉末对比试验研究［学 位论文］． 长春: 长春理工大学，2006) ［8］ Lu P P，Wang Y，Han B，et al． Microstructure and friction and wear properties of laser cladding Fe-based alloy coatings on brake disc of deep-well drilling rig． China Surf Eng，2010，23( 1) : 92 ( 陆萍萍，王勇，韩彬，等． 深井钻机刹车盘激光熔覆铁基涂 层的组织与摩擦磨损性能． 中国表面工程，2010，23( 1) : 92) ［9］ Wang X Ｒ． Ｒesearch on Laser Cladding Fe-based Coating Ｒein￾forced by Ceramic Phase Particles［Dissertation］． Jinan: Shandong University，2010 ( 王晓荣． 激光熔覆陶瓷相颗粒增强 Fe 基熔覆层的研究［学 位论文］． 济南: 山东大学，2010) ［10］ Liu X G，Wang Y，Han B，et al． Analysis of the microstructure， wear and corrosion resistance of laser-clad Ni-coated WC compos￾ite coating and its application． Electroplat Finish，2011，30( 5) : 72 ( 刘兴光，王勇，韩彬，等． 激光熔覆 Ni 包 WC 复合涂层的 组织、耐磨和耐蚀性分析及应用． 电镀与涂饰，2011，30( 5) : 72) ［11］ Li X H，Fu Y M，Li W，et al． Study on laser cladding on alloy powder reinforced with nano-WC particles． Hot Work Technol， 2011，40( 24) : 171 ( 李晓慧，付宇明，李伟，等． 激光熔覆纳米 WC 颗粒增强型 合金粉末的研究． 热加工工艺，2011，40( 24) : 171) ［12］ Wang H，Xia W M，JinY S． A study on abrasive resistance of Ni-basedcoatings with a WC hardphase． Wear，1996，195 ( 1 / 2) : 47 ［13］ Chen H H，Xu C Y，Chen J． Microstructure and phase transfor￾mation of WC /Ni60B laser cladding coatings during dry sliding ·487·

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