不銹鋼等離子熔覆鎳基復(fù)合涂層的組織與性能

孫曉東, 彭竹琴, 李俊魁, 王治朝, 吳啟鵬

(1.中原工學(xué)院； 2.中建七局建筑工程裝飾有限公司，鄭州 450007)

不銹鋼等離子熔覆鎳基復(fù)合涂層的組織與性能

孫曉東1, 彭竹琴1, 李俊魁1, 王治朝2, 吳啟鵬2

(1.中原工學(xué)院； 2.中建七局建筑工程裝飾有限公司，鄭州 450007)

利用等離子熔覆技術(shù)，在304不銹鋼基體上制備了添加WC顆粒的鎳基復(fù)合涂層。借助SEM、EDS、XRD分析了涂層的組織，采用顯微硬度計(jì)、M-200磨損試驗(yàn)機(jī)和電化學(xué)工作站分別測(cè)試了涂層的硬度和耐磨、耐蝕性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，涂層呈枝晶生長特征，組織均勻細(xì)小，主要由γ-(Ni,Fe)固溶體、Cr23C6、CrSi2、WC和M6C組成。涂層的顯微硬度可達(dá)420～530 HV0.3，與基體相比，涂層磨損性能提高4倍以上；在3.5% NaCl介質(zhì)中涂層耐蝕性優(yōu)于304不銹鋼。

等離子熔覆；顯微組織；耐磨性；耐蝕性

等離子熔覆技術(shù)作為表面改性技術(shù)，設(shè)備成本低、工藝過程簡單，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。Ni-Cr-B-Si(Ni60)涂層硬度高，被廣泛應(yīng)用于工件表面，以提高耐磨、耐蝕性能。高原等采用感應(yīng)重熔技術(shù)在45鋼基體上制備了Ni60涂層，涂層的表面硬度達(dá)到13 000 MPa，熱處理后涂層的耐磨性為普通45鋼的22.9倍[5]；劉祥慶等采用重熔法在45鋼基體上制備了Ni60涂層，其在鹽霧箱中平均腐蝕速率為0.75 g/(m2·h)，較基體的抗鹽霧腐蝕性能提高了約11倍，實(shí)驗(yàn)溫度348 K時(shí)，其靜態(tài)腐蝕速率為0.78 g/(m2·h)，耐CO2腐蝕性能較基體提高近100倍[6]。WC因具有高硬度、高熔點(diǎn)、高耐磨耐腐蝕等特性，常被用作激光和等離子熔覆增強(qiáng)相，以改善涂層的耐磨性能。王開明等在Q235鋼基體上制備了不同WC含量的鎳基復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)WC可顯著提高合金的硬度，其中添加20%WC的復(fù)合涂層的耐磨性最好，為Ni60涂層的3倍[7]；郝建軍等采用氬弧熔覆制備鎳基涂層，加入40%的WC后，涂層的硬度和耐磨性都得到顯著提高，可用于零件表面的耐磨強(qiáng)化[8]；彭竹琴等在H13鋼基體上制備的WC/Ni基復(fù)合涂層，與基體相比耐磨性提高1倍以上，在3.5%的NaCl溶液中，其耐蝕性能優(yōu)于基體[9]。

304(0Cr18Ni9)不銹鋼作為一種典型的奧氏體不銹鋼，其應(yīng)用范圍非常廣泛，但隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，僅僅具有耐蝕性能已無法滿足一些重要零部件的綜合性能要求，例如在石灰石/石膏濕法脫硫工藝過程中，吸收塔攪拌器葉輪工作介質(zhì)為石膏漿液以及高含量的氯離子，對(duì)葉輪的耐磨耐蝕性能以及可靠性要求很高。本文利用等離子熔覆技術(shù)，在304不銹鋼基體上熔覆添加WC的鎳基合金粉末，制備WC/Ni基復(fù)合涂層，旨在獲得耐磨耐蝕的表面涂層，以達(dá)到葉輪所需的綜合機(jī)械性能要求。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用304不銹鋼作為基體，試樣尺寸為150 mm×30 mm×6 mm，表面除油除銹。熔覆合金粉末采用含35%WC(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鎳基合金粉末，用球磨機(jī)混合均勻后再用水玻璃將粉末調(diào)成糊狀，均勻涂敷于試樣表面，厚度約3 mm，150 ℃烘干待用。Ni-Cr-B-Si粉末的化學(xué)成分如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用自制的等離子設(shè)備進(jìn)行熔覆處理。優(yōu)化后的工藝參數(shù)為：工作電流130 A，掃描速度120 mm/min，

表1 304不銹鋼和Ni60合金粉末的化學(xué)成分 wt%

弧距8 mm，保護(hù)氣體(Ar)流量1.2 m3/h，電離氣體流量0.8 m3/h，單道熔覆。

垂直于涂層截取試樣，利用附帶能譜儀的JSM-5610LV掃描電鏡觀察涂層的組織。采用Philip PW1730/10 X射線衍射儀分析熔覆層中的物相組成，衍射條件為：輻射Cu靶，加速電壓40 kV，加速電流35 mA，步進(jìn)度數(shù)0.05°。采用MH-6型顯微硬度計(jì)測(cè)試涂層橫截面的硬度，載荷0.3 kg。在MM200磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行環(huán)塊磨損試驗(yàn)。對(duì)磨試樣為環(huán)狀W18Cr4V,硬度HRC64-66。磨損試驗(yàn)條件為：轉(zhuǎn)速400 r/min，載荷98 N，磨損時(shí)間5 h。利用CHI660C電化學(xué)工作站分析其電化學(xué)性能，采用三電極體系進(jìn)行測(cè)試，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極。腐蝕介質(zhì)為3.5%的NaCl溶液，室溫下測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 涂層物相分析

圖1為涂層的X射線衍射圖。圖2為涂層的宏觀SEM圖。結(jié)合圖1和圖2可以看出，涂層厚度約2.5 mm，WC因比重較大，沉積在涂層底部。XRD衍射面選取涂層的表層，所以，X射線衍射圖中沒有出現(xiàn)WC的衍射峰。根據(jù)XRD和合金粉末成分(表1所示)分析，初步確定涂層中的物相主要由γ-(Ni,Fe)固溶體、CrSi2、Cr23C6和WC等組成。

圖1 涂層的X射線衍射圖

圖2 涂層顯微組織照片

2.2 涂層組織分析

圖3為涂層的SEM組織照片。圖3(a)和圖3(b)分別為涂層的底部及上部組織。從圖3可以看出，涂層組織主要呈枝晶生長特征，從涂層和基體的結(jié)合區(qū)到涂層的表層依次為平面晶、胞狀晶、樹枝晶，涂層上部是組織細(xì)小的等軸樹枝晶。在基體與涂層結(jié)合區(qū)有一白亮色結(jié)晶帶，如圖3(a)所示，說明在等離子熔覆時(shí)，在強(qiáng)烈的濃度起伏和溫度梯度條件下，涂層與基體元素發(fā)生了相互擴(kuò)散，兩者形成了良好的冶金結(jié)合。上述涂層結(jié)晶形態(tài)的變化主要受G/V(G為溫度梯度，V為結(jié)晶速度)的控制。結(jié)晶初期，熔池的結(jié)晶速度較小，而且熔化邊界處的溫度梯度較大，成分過冷，接近于0 ℃，故形成平面晶。隨著結(jié)晶的進(jìn)行，液態(tài)金屬的溫度逐漸降低，熔池的結(jié)晶速度逐漸加快，而且其周圍又是剛剛凝固的金屬，溫度梯度逐漸減小，成分過冷程度逐漸增大，結(jié)晶形態(tài)向柱狀樹枝晶轉(zhuǎn)變，隨著溫度梯度的進(jìn)一步減小，涂層表層形成了細(xì)小的等軸晶。

2.3 WC在涂層中的分布及溶解過程

WC熔點(diǎn)為2 800 ℃，化學(xué)性能穩(wěn)定，但在等離子熔覆過程中，WC顆粒會(huì)被高溫熔池部分溶解。

當(dāng)外界條件相同時(shí)，WC顆粒在熔池中的溶解度與其曲率半徑成指數(shù)關(guān)系，即在外界熱流密度相同的條件下，WC顆粒會(huì)優(yōu)先在熱力學(xué)不穩(wěn)定、表面能高的尖角處溶解，而且，WC顆粒中裂紋孔洞等缺陷越多，所接受到的熱流密度越大，其溶解就會(huì)越充分[10]。

WC在涂層中的分布狀態(tài)如圖2所示。由圖2可知，WC主要分布在涂層的底部，并且從基體與涂層結(jié)合處到表層，WC顆粒逐漸減小。涂層中的WC主要以3種形式存在，分別是不規(guī)則塊狀、短棒狀、十字狀，結(jié)合能譜分析(表2)可知，涂層中碳化物主要是由Cr、Ni置換的M6C(Fe3W3C和Fe4W2C)型復(fù)合碳化物，與文獻(xiàn)[10-11]研究結(jié)果一致。對(duì)涂層中析出的碳化物元素含量進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，塊狀、棒狀、十字狀碳化物中的W元素含量依次減少。WC顆粒在涂層中的溶解程度不同，而等離子熔覆為快速凝固過程，元素?cái)U(kuò)散不充分，所以，熔池中形成了以WC顆粒為中心，W含量逐漸降低的梯度分布狀態(tài)，即離WC越近，形成的復(fù)合碳化物中的W含量就越高。十字狀復(fù)合碳化物中含有Si元素，Si是影響十字狀碳化物析出的特征元素[10]。

(a)涂層底部 (b)涂層上部圖3 涂層的顯微組織

表2 EDS分析結(jié)果 wt%

對(duì)圖2中的WC進(jìn)行放大觀察，如圖4所示。圖4(a)中，WC主要分布在涂層底部，WC顆粒只有外表層部分溶解，其邊緣形成了厚約2 μm的合金反應(yīng)層，并且周圍沒有復(fù)合碳化物形成。WC顆粒周圍的合金層能夠提高WC顆粒與涂層的結(jié)合強(qiáng)度，阻止WC的進(jìn)一步分解[10-11]。圖4(b)中，WC顆粒的溶解程度大于圖4(a)中WC顆粒的溶解程度，而且周圍生成了不規(guī)則塊狀的復(fù)合碳化物，如圖4(c)所示，塊狀碳化物的外圍是短棒狀碳化物，如圖4(d)所示。圖4(e)中，WC全部溶解，周圍的碳化物為塊狀，遠(yuǎn)處的則多為十字狀，如圖4(f)所示。

2.4 涂層的硬度分析

涂層顯微硬度分布曲線如圖5所示。從圖5可以看出，整個(gè)涂層的硬度在420～530 HV0.3之間，明顯高于基體硬度210～240 HV0.3。涂層硬度的最高點(diǎn)出現(xiàn)在涂層底部,這是因?yàn)閃C主要分布在涂層底部。涂層硬度值提高的主要原因是：γ-(Ni,Fe)中固溶了大量的Cr、Si、W元素，起到了固溶強(qiáng)化的作用；等離子熔覆快速凝固產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化作用，涂層中析出的Cr23C6、CrSi2等硬質(zhì)相，涂層底部的WC及其周圍的新生相M6C型復(fù)合碳化物等，也都使涂層的硬度得到提高。

2.5 涂層的磨損試驗(yàn)結(jié)果分析

涂層和基體的磨損試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，基體失重約是涂層失重的4倍，而且，基體的失重曲線呈直線激增狀態(tài)，但涂層的失重曲線在2 h后趨于平緩，磨損失重速率開始降低。這說明，在干滑動(dòng)磨損條件下，涂層的耐磨性明顯優(yōu)于基體。

與基體相比，涂層具有良好的耐滑動(dòng)磨損性能。其主要原因是：①涂層中高硬度的Cr23C6、CrSi2、WC相在磨損過程中起到了抗磨骨架作用；②γ-(Ni,Fe)固溶體的韌塑性好，對(duì)硬質(zhì)相起到了很好的連接和把持作用,同時(shí)W、Cr和Si元素溶入基體中產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化效應(yīng)提高了γ-(Ni,Fe)的強(qiáng)度；③等離子快速凝固產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)賦予涂層優(yōu)良的韌性,使涂層在磨損過程中減弱了開裂和顯微剝落的傾向。

2.6 涂層的耐蝕性分析

將304不銹鋼基體和WC/Ni基復(fù)合涂層在 3.5%NaCl溶液腐蝕介質(zhì)中進(jìn)行極化，模擬吸收塔攪拌器葉輪高含量的氯離子工作介質(zhì)，其塔菲爾曲線如圖7所示。雖然涂層的自腐蝕電流密度大于不銹鋼基體的自腐蝕電流密度，但涂層的腐蝕電位比基體高約120 mV，表明涂層的腐蝕傾向低于基體。陽極極化曲線顯示，涂層的擊破電位為-340 mV，高于基體的-560 mV,表明涂層的鈍化狀態(tài)更加穩(wěn)定，在擊破電位前涂層的腐蝕電流密度更低。綜合以上分析結(jié)果，在該腐蝕體系下，復(fù)合涂層的耐蝕性能優(yōu)于304不銹鋼基體。

圖4 涂層中WC的溶解形貌

圖5 涂層顯微硬度分布

圖6 試樣磨損結(jié)果

復(fù)合涂層在3.5%的NaCl溶液中耐蝕性能優(yōu)于不銹鋼基體。其主要原因?yàn)椋孩?γ-(Ni,Fe)中固溶了大量的Cr、Si元素，提高了固溶體的電極電位；②等離子熔覆快速凝固形成的定向凝固組織使晶粒取向相似，減少了因晶粒取向不同而增加的腐蝕傾向；③等離子涂層顯微組織細(xì)小均勻，減少了單位晶界上的雜質(zhì)元素含量，從而降低了原電池腐蝕速度。

3 結(jié) 語

(1)采用等離子熔覆技術(shù)，在304不銹鋼基體上制備含35%WC的Ni基復(fù)合涂層，涂層成型良好，表面光滑、連續(xù)，無宏觀裂紋缺陷。涂層組織呈枝晶生長特征，主要由γ-(Ni,Fe)固溶體及Cr23C6、CrSi2、WC及M6C等組成，涂層的結(jié)晶形態(tài)從涂層底部的平面晶向外逐漸發(fā)展為柱狀樹枝晶和等軸樹枝晶。

(2)涂層的顯微硬度在420～530 HV0.3之間，明顯高于基體的210～240 HV0.3。磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，基體失重約是涂層失重的4倍，說明在干滑動(dòng)磨損條件下，涂層的耐磨性得到顯著提高。在3.5% NaCl溶液中，涂層的腐蝕電位和擊破電位均高于基體，涂層的耐腐蝕性能優(yōu)于304不銹鋼基體。

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(責(zé)任編輯：席艷君)

Microstructure and Performance of Nickel Based Alloy Plasma Coating on Strainless Steel

SUN Xiao-Dong1， PENG Zhu-qin1， LI Jun-kui1， WANG Zhi-Chao2， WU Qi-peng2

(1.Zhongyuan University of Technonlogy, Zhengzhou 450007;2.The Construction Decoration Corporation of China Construction No.7 Engineering Bureau, Zhengzhou 450007, China)

A WC/Ni composite coating is prepared on 304 stainless steel by plasma cladding technology. The microstructure of the composite coating is analyzed by SEM,EDS and X-ray diffraction (XRD).The microhardness of the coating is tested by microhardness tester. The wear resistance performance of the coating is evaluated on a MM-200 block-on-wheel sliding wear tester. The corrosion resistance of the coating in 3.5% NaCl solution is evaluated by linear polarization．The experimental results indicate that the microstructure of the coating is mainly consisted of γ-(Ni,Fe), Cr23C6, CrSi2, M6C and WC . The microhardness of the composite coating varys from 430 to 550HV0.3，and the wear resistance of the coating increases more than 4 times. The corrosion resistance of the coating in 3.5% NaCl solution is better than that of the substrate.

plasma cladding； microstructure； wear resistance； corrosion resistance

2016-09-22

河南省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(122102210504)；鄭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目(131PPTGG416-2)

孫曉東(1988-)，男，河南商丘人，碩士生，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧霞氨砻婀こ獭?/p>

1671-6906(2016)06-0058-05

TG178

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2016.06.012