激光熔覆涂层磨损试验分析研究

第20卷 第11期 中 国 水 运 Vol.20 No.11 2020年 11月 China Water Transport November 2020
收稿日期：2020-06-16
作者简介：童 亮，江苏省南京市航道事业发展中心。

激光熔覆涂层磨损试验分析研究
童 亮，顾 炜
（江苏省南京市航道事业发展中心，江苏 南京 210036）
摘 要：本文针对工程试件常见的磨损问题，采用激光熔覆涂层技术，对其磨损性能进行了试验研究。

试验采用自制的销盘摩擦磨损试验机进行磨损测试，试验中以下试样材料的摩擦损失重量及磨损体积来评价其耐磨性，结果发现激光熔覆涂层具有良好的耐磨性能，该技术是一种适合制备耐磨涂层的优良工艺。

关键词：激光熔覆；磨损试验；干摩擦条件；水润条件
中图分类号：TG335 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2020）11-0068-02
一、引言
在工程领域，工程构件经常在表面发生磨料磨损、黏着磨损、疲劳磨损等磨损失效，现代化工业的要求越来越高，构件亟需提高其耐磨损性能[1]。

迄今，工业发达国家对于不同材料均有相应的磨损试验方法[2]，如日本工业标准JISH8503规定了有关金属镀膜耐磨性试验方法，JISH8615叙述了铬电镀层的耐磨性试验；又如美国材料试验协会标准ASTMD968-93和ASMTD658-81（86）分别规定用落砂法和喷砂法测定有机涂层的耐磨性；而在国际标准1507784.2-97中则采用旋转摩擦橡胶轮法测定色漆和清漆的耐磨性，在1508251-87规定用摩擦轮磨耗试验机测定铝和铝合金表面阳极氧化膜的耐磨系数。

激光熔覆[3]是激光烧结与表面强化技术相结合在零部件表面制备保护层的技术，是一种比较理想的表面改性技术。

它通过激光束将合金粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后材料冷却形成高性能熔覆层，最后起到表面强化的作用。

由于可以获得高致密度熔覆层，并且具有高效率、清洁无污染、操作安全、直接成型等优势，在该技术问世后就获得了飞速发展[4]。

激光熔覆的分类方法有多种，按照送粉方式的不同可分为两类：同步送粉法[5]
和预制涂层法[6]。

同步送粉法易实现自动化控制，激光能量吸收率高，无内部气孔，因此被广泛运用于实践中。

综上所述，目前国内外涂镀层耐磨性试验，方法多样，各俱特色，尽管对于上述各种试验方法及其应用性能的评价人们在认识上不尽相同，但就多项检测手段的开发和推广应用说来，仍以采用旋转摩擦橡胶轮法、落砂法和喷砂法较为普遍。

本文首先介绍了国内外激光熔覆磨损试验的常用方法，第二部分试验采用自制的销盘摩擦磨损试验机进行磨损测试，参考上述标准，本文试验中以下试样材料的摩擦损失重量及磨损体积来评价其耐磨性。

二、试验准备
本试验采用销盘摩擦磨损实验机进行测试，试验机上试样安装销，下试样与转杯相固定，下试样随着转杯转动与上
试样进行摩擦，与上试样相连的悬臂梁应变片测力传感器可实时测量摩擦系数。

试验机可手动设置转动转速，旋转半径及实验时间，施加的载荷通过更换不同重量砝码进行调整。

实验下试样为待测试样，以激光熔覆法在不同基材表面制备出的各种不同组分的涂层，详细参数信息见表1。

试验在干摩擦条件下进行，详细试验参数如下：干摩擦试验载荷为10N，试验时间为2.5h，转速为200rad/min，接触区域线速度为0.16m/s。

试验采用磨痕宽度和深度换算得到磨损体积量，称重得到磨损质量，以此作为激光熔覆涂层耐磨性的评价指标。

表1 激光熔覆试样详细参数
编号 组分 基材 熔覆层 1# 45-Ni40 45 Ni40 2# 35-Ni40 35 Ni40 3# 40Cr-Ni40 40Cr Ni40 4# 45-Co40 45 Co40 5# 35-Co40 35 Co40 6#
40Cr-Co40
40Cr
Co40
三、试验结果
干摩擦条件下各试样磨损样貌如图2所示。

可以明显看
出激光熔覆试样的磨损样貌较好，较均匀。

（a）1#
（b）2#
（c）3# （d）4#
第11期 童 亮等：激光熔覆涂层磨损试验分析研究 69
（e）5# （f）6#
图2 干摩擦条件下试样磨损图
干摩擦条件下各试样综合磨损质量、磨损体积及摩擦系数分析分别如图4、5、表2所示。

可以看出干摩擦条件下，4#试样的耐磨情况最好，质量损失最少，磨损体积最小，其次是5#和6#试样。

耐磨情况最差的为3#试样，质量损失和体积损失均为最大，其次是2#和
1#试样。

图
4 综合磨损质量和磨损体积对比
图5 综合摩擦系数对比
表2 各试样平均摩擦系数
试样 平均摩擦系数
1#（45-Ni40） 0.55 2#（35-Ni40） 0.56 3#（40Cr-Ni40） 0.61 4#（45-Co40）
0.46 5#（35-Co40） 0.41 6#（40Cr-Co40）
0.47
四、结论
如果仅在干摩擦工况下使用，4#（45-Co40）涂层表现出较优异的抗磨性能。

其磨损质量仅为0.0083g，磨损体积为0.6782mm 3，同一实验条件下远低于其他试样。

综合来看，在干摩擦工况下，4#（45-Co40）涂层均表现出较优异的抗磨性能，相比于其他涂层，其摩擦系数和磨损量均维持在较低水平。

较于常见的其他工艺涂层，激光熔覆所制备的涂层结构致密，粗糙度均匀，在耐磨性方面整体表现非常优异。

以电镀镍涂层为例，干摩擦磨损体积在2.3mm 3左右，均远高于激光熔覆涂层磨损体积的平均值（干摩擦0.6782mm 3）。

在摩擦系数方面，激光熔覆涂层（干摩擦0.6）与常见电镀镍涂层（干摩擦0.5）相比，摩擦系数基本维持在同等水平，且磨合之后，摩擦系数均相对平稳。

综合考虑涂层制备工艺的难度及涂层制备效率，激光熔覆的效率远高于电镀等其他工艺，涂层厚度及涂层结合强度也远高于其他工艺，尤其在重载及振动情况下电镀涂层极易发生破损剥落而失效，而激光熔覆涂层则能够与基材紧密结合。

因此可认为激光熔覆是一种适合制备耐磨涂层的优良工艺。

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