重熔处理过程对镍基合金复合涂层的组织变化影响

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2013年第5期作者简介：刘铎（1980—），男，汉族，工程师，主要从事特种设备型式试验、检测及复合材料制造、电阻焊和堆焊的研究。

0前言磨损是导致工程材料失效的最主要因素之一，如何通过改善材料的耐磨损性能来降低材料的损耗，一直是材料科学工作者非常关注的问题。

镍基自熔性合金（NiCrBSi ）具有较好的力学性能和耐蚀性，是一种常用的耐滑动磨损材料，其形成的NiCr 、Cr 2B 、Cr 5B 3、CrB 及一些碳化物有助于提高结合强度和硬度。

用其制备的NiCrBSi/WC 复合涂层，对于汽车气缸摩擦副的耐磨损性提高有很大作用[1-2]。

近年来，很多研究集中在添加元素对镍基合金的性能变化作用，例如Mo 的加入可以改善涂层的抗咬死性，减少熔覆层的开裂敏感性[3]；Ce 或La 2O 3可以促进硬质相和棒状第二相均匀分布，减少气孔和夹杂[4]；Al 2O 3提高复合材料涂层的整体抗冲蚀性[5]；六方BN 具有和石墨一样的润滑机制，具有更好的热稳定性，对涂层自润滑性的提高有显著影响[6]；CrC 促进硬质相形成，延长涂层在磨损过程中的使用寿命[7]。

相应的涂层制备方法有很多种，常见的有激光熔覆、火焰喷涂、等离子喷涂、高频感应熔覆、喷焊等等。

其中等离子喷涂方法使用较为普遍，其具有参数调整方便灵活，沉积效率高的优点，在耐磨耐蚀涂层制备方面应用广泛。

本文主要探讨利用超音速等离子喷涂技术制备NiCrBSi/20%WC 复合涂层，并对喷涂后的涂层进行火焰重熔处理，通过对复合涂层火焰重熔处理前后的显微组织进行检测分析，了解其微观结构变化对复合涂层机械性能的影响。

1试验方法
所选用基体材料为碳素结构钢Q235A ，试样尺寸为80×40×5mm ，表面经喷砂处理后粗糙度达到R a =3.2μm ，并用丙酮清洗。

喷涂材料选用镍基碳化钨粉末（含20%WC ），粒子尺寸在50-150μm ，形貌见图1，其中不规则块状物质即为碳化钨。

图1NiCrBSi/20%WC 合金粉末形貌
沉积涂层使用美国普莱克斯生产的3710型超音速等离子喷涂设备，等离子枪为SG-100型。

喷涂前利用等离子焰流对基体进行预热处理，喷涂工艺参数如下所列：电压42V ；电流550A ；氩气45psi ；氢气15psi ；喷涂距离110mm 。

涂层的厚度约0.4mm 。

喷涂后涂层经氧-乙炔火焰重熔后，制备金相试样，用5%的硝酸酒精对界面和涂层部分进行腐蚀，使用扫描电镜观察涂层的微观结构，能量色散谱（EDS ）分析涂层的成分，X 射线衍射仪的Cu 靶K α线进行相结构研究。

用显微硬度仪分析横截面的显微硬度，测试点选取10个，取平均值，载荷砝码为100g 。

利用滑动摩擦磨损试验机进行磨损试验15分钟，并用扫描电镜观察磨损区域的表面形貌。

2
试验结果与分析
2.1
涂层的相结构与微观形貌
等离子喷涂后的NiCrBSi 涂层，具有典型的热喷涂涂层结构特征，主要是由扁平化的粒子组成，其间夹杂熔化不完全的颗粒，存在部分孔隙。

在加入20%WC 后，可以观察到分布于涂层中的WC 颗粒，见图2。

这部分WC 颗粒主要来源于喷涂过程中，由于焰流速度过快而未熔化的WC 粉末。

通过电镜照片可以观察到，其分布并不均匀，但这种高硬度的材料是提高涂层耐磨性的主要成分。

图2喷涂后NiCrBSi/20%WC 复合涂层形貌
为涂层进行能谱分析，在涂层中有个别区域出现细长针状物质，通过能谱分析可以发现，其主要成分依旧是Ni ，质量百分比占了50%，但Si 、Fe 和Cr 含量相对其他区域有所增加，（Fe ，Cr ）7C 3形状大部分为针状，与此结构相似。

Cr 和C 的产物很多，但涂层中出现的主要是（Fe ，Cr ）7C 3，这与三者之间的反应有关[8]。

Fe-C 与Cr-C 产物中都可以溶解Cr 或者Fe ，但在高于1200℃时，Cr-C 反应产物稳定存在，Fe-C 主要是以液态产物存在。

由于涂层中的主要元素是Ni ，Ni 与Fe 可以形成γ-Fe ，但由于粉末本身Fe 含量较少，故形成的γ-Fe 并不多。

虽然涂层中含有B 元素，但由于能谱对于C 元素只能定性分析而不能定量表示，B 元素比C 元素原子量更低，因此能谱无法检测其存在。

但B 和Si 元素可以溶解于γ-Fe 和（Fe ，Cr ）7C 3中。

氧-乙炔火焰重熔后的涂层，结构产生变化。

加入WC 后的涂层，在重熔过程中，主要被γ-Ni 固溶体所包覆。

虽然还有块状组织，但经过加热，主要形成W 2C 相，分布于涂层各部分，这在摩擦磨损中起到重要作用。

火焰重熔处理对于整个涂层来说，使各种合金元素相互扩散，形成Cr 7C 3，CrB ，Cr 2B 等弥散分布于γ-Ni （主要是Ni-Cr ）的硬质相。

一般来说，Cr 7C 3维氏硬度可以达到1450HV ，而CrB 可达到1300HV 。

经过重熔处理，由于加热充分和元素的扩散效应明显，涂层与基体能够形成冶金结合，较之等离子喷涂形成的主要是机械结合的涂层，其结合强度大幅提高。

2．2硬度测试
加入20%WC 的等离子喷涂涂层硬度可以由600HV 经过重熔提高到将近1000HV 。

这与重熔后硬质相弥散分布，缺陷减少有很大关系。

2.3摩擦磨损试验
图3a ）为等离子喷涂NiCrBSi/20%WC 涂层磨损后的形貌，图3b ）则为经重熔后复合涂层的磨损形貌。

通过比较可以发现，NiCrBSi/20%WC 涂层的试样磨损表面有明显的犁沟和少量剥落的坑，这是由
重熔处理过程对镍基合金复合涂层的组织变化影响
刘铎王玉刘颖孙大超
（沈阳特种设备检测研究院，辽宁沈阳110035）
【摘要】采用超音速大气等离子喷涂方法，在Q235A 钢基体上制备了含有20%WC 的NiCrBSi 复合涂层，并对涂层进行氧-乙炔火焰重熔处理。

利用扫描电子显微镜对重熔前后的涂层进行微观结构分析，并采用X 射线衍射方法研究其相组成。

发现重熔处理后涂层中缺陷减少，WC 、CrB 和Cr 7C 3等硬质相被γ-Ni 固溶体所包覆，对提高涂层的显微硬度和耐摩擦磨损性能有显著作用。

【关键词】WC ；NiCrBSi ；重熔处理；复合涂
层
○科教前沿○72
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（上接第70页）温度。

另外，精馏塔填料为3×3θ环填料，塔高50cm ，塔内径45mm ，常压常温操作。

小颗粒填料塔具有颗粒填料尺寸小，比表面积大、分离性能显著的特点，目前，广泛用于小批量、高纯度产品的提纯分离过程中。

5可行性实验方案
规定以天然气为原料来源的甲醇原料为①号样品，煤（单醇法）的甲醇原料为②号样品，煤（联醇法）的甲醇原料为③号样品。

具体实验操作步骤如下：
（1）向塔釜中加入约800mL 甲醇原料①号样品；
（2）开启加热装置，开始加热，控制塔釜和塔身电压值为100V ，
20V ；
（3）全回流约半小时后，以回流比R ＝3采出前馏分；（4）1小时之后，以回流比R ＝3收集产品；（5）1.5小时之后，停止采出产品；（6）对塔釜剩余甲醇原料回收；
（7）对①号产品进行紫外透过率和水分检测。

对②号、③号样品重复⑴～⑺的实验步骤。

对①～③的产品进行紫外透过率和水分测定，结果如下表2所示：
表2初步实验检测结果
实验结果分析表明：在初步拟定的实验条件下，①号产品在紫外透过率（200～280nm ）指标要求上有较大提高，接近ME0315的指标要求，而②号、③号产品则没有太大的提高，离ME0315指标要求还有很大距离，即使是采用二次精馏后，效果也不明显，说明间歇精馏对甲醇原料的提纯能力是一定的，质量较差、杂质过多的工业甲醇原料是不适合采用间歇精馏法来直接制备高纯甲醇的。

不过由于甲醇与水不会共沸，①～③的水分含量都有大幅下降。

因此，通过分析结果，决定在原料来源上，采用质量较优的天然气为原料气的工业甲醇作为实验原料，进行间歇精馏法的高纯甲醇制备。

6结束语
总之，为了提高我国高纯试剂的在国际上的有效竞争力，解决目前的供需矛盾，减小与高外先进技术的差距，摸索出一套符合我国国情，具有自主产权的高纯甲醇生产工艺，不仅可以填补我国在高纯试剂制备生产技术上的空白，而且还为我国电子化学品、精密仪器以及制药、生物化学等领域的发展提供强大的支持，提高企业的竞争力与生命力以及今后我国高纯试剂的发展壮大是非常必要的。

【参考文献】
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［责任编辑：王静］
科
于硬质相WC 的脱落造成的。

而火焰重熔后的涂层犁沟深度变浅，这是由于WC 弥散分布于涂层内部，有效地承受摩擦时的微观切削，避免了脱落后的二次磨损。

但过多的WC 加入反而会造成涂层脆性增加，韧性下降，磨损过程产生大面积的脱落，故应选用适合的WC 含量。

a ）NiCrBSi/20%WC 涂层磨损形貌
b ）经重熔后复合涂层磨损形貌
图3
3
结论
3.1
利用超音速大气等离子喷涂技术成功制备了NiCrBSi/20%WC 复合涂层，其中WC 颗粒分布于涂层中。

在经过氧-乙炔重熔处理后，其分布较为均匀，涂层与基体结合更好。

3．2涂层重熔后孔隙缺陷减少，存在硬质相如WC 、CrB 和Cr 7C 3等被γ-Ni 固溶体所包覆。

加入WC 后的涂层硬度明显增加，最大可达到接近1000HV 。

3．3重熔后的涂层耐磨损性能大幅提高，元素扩散迁移，细小的硬质相颗粒及较低的孔隙率等因素对涂层耐磨性的提高起到关键作用。

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［责任编辑：王迎迎］
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