翻译对含有WC的镍基合金涂层硬质相的研究

对含有WC的镍基合金涂层硬质相的研究

摘要：

为了提高在沙漠地区应用的汽车缸套的活塞环的耐磨性，实验已经研究了在传统的铸造衬底上用激光治疗后等离子喷涂的镍基复合涂层。三种含有大量WC 颗粒的Ni-WC复合涂层已经进行了测试。在Falexd摩擦磨损试验机研磨条件下的摩擦学实验已经实施。试验结果表明,用硬质相碳化钨复合涂层改善了电流环/汽缸材料磨料磨损性能比较。其中，性能最好的是激光等离子喷涂的Ni60+60％WC涂层。本实验在磨损表面显微观察的基础上对该复合涂层的磨损机理进行了探讨。

关键词：复合涂层，磨损磨蚀，等离子喷涂和后处理

1.简介

在沙漠地区应用的发动机运作在重要的环境，在那里沙子可以通过多种方式被吸引进钢瓶，如如发动机进气道、密封件和管接头。这种情况导致了对环和汽缸的严重磨损，发动机功率损失，并且在极端情况下，会导致设备的彻底损坏。因此,提高活塞环和缸套副的耐磨性成为当前优先考虑研究的对象且具有工业重要性。以NiCrBSi为基的自熔性合金已同时成功为涂层材料的腐蚀和磨损性能提供了保护[1,2]。NiCrBSi涂层的耐磨性,尤其对磨料磨损,可以大大增加通过增加耐火碳化物得到提高，如加入WC,NiC，TaC溶于NiCrBSi的空间矩阵[3]。这些复合涂层或所谓的伪合金的制备以等离子体预混粉末喷涂为主[4]。其他技术，例如激光熔覆，在复合涂料的制备也有成功的报道[5]。虽然等离子喷涂工艺带来了许多优势，这项技术在多孔结构有限制，如微腔和缺陷的涂层[6]。等离子喷涂复合涂层的不完美的特性可以通过激光改性处理得到改善，以增加其密度和强度，并提高了组织性能[3,4,6]。此外，我们已经作出努力，通过使用送粉器的每个组件，或使用两种喷涂系统同时进行，以获得碳化物在基体中均匀分布。尽管等离子喷涂技术取得了巨大进步，包括粉的质量控制，过程和成分优化以及特殊后处理，为了存档最佳使用耐磨复合材料涂料仍然是许多工作要做。在最近的关于引擎在沙漠地区应用研究项目，镍基合金中的碳化钨硬质合金被选定作为材料的活塞环和缸套的耐磨保护层。这种复合材料涂层具有优异的耐磨性和良好的粘结强度为基材，在先进技术中被编写：如等离子空气预混粉喷涂。本研究的目的是验证WC 镍基复合涂层的可行性，看是否能作为在沙漠地区的发动机耐磨保护材料。此外，我们在比较合金涂层耐磨性与硬质合金相含量的变化不同的基础上讨论了后处理与WC硬质合金的影响。此外，利用扫描电子显微镜（SEM）研究调查了涂层的微观结构，从一个对涂层可能的磨损机理进行了研究并给出了解释。

2.实验细节

2.1标本及涂层制备

试件的设计是基于对以修改几何标本的标准形式用于机器的Falex粘滑测试标本上。而较低标本以环的形式保持其形状，上环的地方已经去除剩余的三个小见方的小块，如图1示。当上试样在较低的旋转环时，它作为的对一个磁盘三平大头针滑动。这项安排的目的是模仿针对缸套活塞的一环组件滑动摩擦。上面的标

本是由球墨铸铁制成，较低的一个是荧光粉的铸铁制成。在滑模标本表面，有镍基复合WC涂层沉积，正如表1所示。在较低的试样的涂层，制备了预混合粉末等离子喷涂。涂料中的一组是后激光重熔处理后喷涂（“喷涂+喷熔”），而另一组没有喷洒后处理（“只进行喷涂”）。标本的涂层是通过“激光覆面”制备的。在这个过程中，镍基合金和WC碳化物粉末混合预先放置在基板表面，然后用激光束熔融取得了良好的涂层与基体之间的冶金结合。进一步的设备，制备工艺和工艺参数的资料可以在参考文献7中看到。生产出原始厚度0.4毫米的涂料，在地面磨损试验达到指定的粗糙度前，Ra=0.60μm。

图1几何标本，左：上标本，右：下标本

表1构成镍基复合WC涂层

涂层代码混合粉末的

组成部分

合金的化学成分（w％）

Cr B Si Al Fe C HRC

Ni60+ 60％WC

40％Ni60合金15 16 3.0 4.0 3.8 4.2 ＜12 0.5-0.6 60 60％WC碳化物＜10 0.5-0.6 45

Ni45+ 50％WC

60％Ni45合金10-13 2.0-3.0 3.0-3.5 40％WC碳化物

NiCrAl+ 60％WC 40％NiCrAl合金17-19 5.5-6.5 60％WC碳化物

2.2试验设备

实验以商业摩擦磨损试验机（Falex-6多试样的试验机）进行。上层标本的旋转在固定环提供了在两个相反的涂层之间的相对滑动。模仿沙漠的应用环境，即润滑油与沙粒混合，不断滴落在滑动面。外加载荷，转速，摩擦力矩和体温较低的标本被自动记录下来。磨损失重是用1712MP8电子平衡分析。

2.3实验条件

由于不同涂层试件开始联系滑动，该实验被安排七个案件见表2，表3给出了一个其他实验条件的描述。

3.结果和讨论

表4给出了实验中的7种测试表2所列例子得到的结果。

3.1测试结果摘要

对于表4所列的摩擦学结果可以归纳如下。

1.碳化钨的复合涂层具有优良的磨料耐磨性。含WC涂层的复合材料样品的重

量损失之和比那些使用传统材料的发动机低了一个数量级，即在本研究中的粉末涂层相对于MO等离子喷涂。

2.对后处理和涂层组成进行详细审查，对三个例子给出了一个额外的长期测试。

在每一种情况下，只对一个标本进行了测试。组成和制备的涂层试样分别为对应案件3,4和5。试验在全载荷182N下持续了55小时。发动机油砂混合，用于不断下降到滑面的润滑的55小时的测试。其他实验条件如表三所列。对于长时间的测试结果列于图2，这显示出的总体特征与表4以前获得的结果是一致的。

3.如果准备用同样的过程，含有Ni45+50％WC涂层的下标本显示了更高的失

重，从而导致对试样更高的重量损失总和，在与那些Ni60+6O％WC涂层的的比较结果可从例3和4观察。

4.然而，事实上，仅作喷涂准备的涂层导致了在相反的标本上（上标本）更高

的失重，并造成了对试样更高的重量损失总和。

5.至于摩擦系数方面，无论试样是用传统的材料或预先涂有涂层的，没有显著

差异。

表2测试例子和涂料的研制

例子下标本表面上标本表面磨具

材料制备材料制备

1 Ni60+60％WC 喷涂+重熔Ni60+60％

WC

激光熔覆无

2 Ni45+40％WC 喷涂+重熔Ni60+60％

WC

激光熔覆无

3 Ni60+60％WC 喷涂+重熔Ni60+60％

WC

激光熔覆砂

4 Ni45+40％WC 喷涂+重熔Ni60+60％

WC

激光熔覆砂

5 Ni60+60％WC 只喷涂Ni60+60％

WC

激光熔覆砂

6 NiCrAl+60％

WC 只喷涂Ni60+60％

WC

激光熔覆砂

7 磷铁无涂层MO 喷涂砂

其中，喷涂+重熔指等离子喷涂和后激光重熔处理，只喷涂指等离子喷涂无需后处理，激光熔覆是指表面预置粉末激光束融化。