激光熔覆复合涂层组织的形成与控制

  雷廷权  欧阳家虎  耿林  裴宇滔  郭立新  李强

哈尔滨工业大学

近年来，钢及合金的激光熔覆表面强化工艺中，多采用Ni(Co)基合金添加碳（氮）化物细粒的复合涂层，以获得更为优异的减摩耐磨性能。但是，迄今对这种复合涂层组织结构的形成过程研究得不多，而在大多数情况下盲目地认为在涂层基体（低熔点的Ni、Co基合金）中加入何种增强相颗粒，自然会形成原有基体加增强相的复合涂层，随后便与所用激光电参数一起来讨论减摩耐磨效果，并在此基础上优化出最佳的复合涂层成分及最佳的激光参数。

本文通过大量试验表明，复合涂层并不总是和涂层原料设计相一致，即涂层组织中基体相与增强相组织可能与原始设计的成分大相径庭，面目皆非。

激光熔覆复合涂层组织的形成与涂层基体（Ni或Co基合金）熔融后所溶入增强相颗粒的程度及在随后的冷却中能析出何种相有关。增强相溶入基体的程度首先取决于自身的生成热大小，其次还与颗粒尺寸有密切关系。试验证实，生成热较大的增强相（TiC）难以在高温下分解，因而基本上保留在凝固后的熔覆层内。生成热较小的增强相（SiC、B₄C等）则在加热时全部分解并均匀地溶入了基体合金内，在凝固后形成了新的硅化物及硼化物相，原来加入的SiC及B₄C颗粒已全部消失。试验所用的增强相WC虽然生成热也很低，但由于加入的颗粒尺寸很大（市场购进，50~100mm）大部分在加热时只有颗粒边缘部分溶掉，而在冷却中又以外延生长的方式增大。这样就基本上保留了原始加入的Ni(Co)合金基体加WC颗粒增强相的组织。ZrO₂的生成热是很高的，加热中丝毫没有分解，仍然保留原来ZrO₂的结构，但由于颗粒较细（<1mm），尽管熔点较高（2680^oC）但能全部熔化，形成了相当规则的柱状结晶。

    这样，加入生成热不同的增强相颗粒，使得激光熔覆复合涂层的组织产生了截然不同的情况。生成热很小而且颗粒较细的增强相（SiC、B₄C等）全部溶入基体，得到了与原始材料完全不同的涂层组织。生成热很小但颗粒很大的增强相（如WC）在加热时只有少量溶入基体，最后形成的组织与原始材料相近。颗粒虽细但生成热较大的增强相（如TiC，～5.5mm）则只有颗粒边缘少量的溶解，基本上不影响凝固后的涂层组织。生成热很大的增强相（如ZrO₂），虽然颗粒很细（～1mm），却完全保留了原来的相结构，只不过由于熔化和随后的定向凝固而从原来的细粒状变成了柱状结晶。

    因此，在很多情况下，激光熔覆复合组织并不能完全保留原有基体及增强相的组成，而是发生了十分显著的变化，甚至面目皆非，需要进行认真仔细的分析。