热喷涂WC-Ni基硬质合金涂层感应加热工艺及界面强化研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xz376004565
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采用超音速火焰喷涂技术在17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢基体上制备了WC-Ni外涂层和Ni60A界面层的双层涂层,利用超高频感应熔覆进行涂层界面强化,采用两种方式进行熔覆:其一、对喷涂态Ni60A涂层进行预先熔覆,再在熔覆层表面喷涂200μm的WC-12Ni外涂层,称为预熔覆双层涂层;其二、在喷涂态Ni60A涂层表面喷涂200μm的WC-12Ni外涂层,再对该双层涂层进行感应熔覆,为共熔覆双层涂层。研究了感应电流、起始熔覆位置、熔覆能量等对涂层微观组织均匀性和力学性能的影响,分析了涂层界面强化机制。主要研究结果如下:(1)研究了感应电流和起始熔覆位置对Ni60A预先熔覆界面层组织特征的影响,通过工艺参数调节有效输入熔覆热能,分析了50、100μm两种厚度的界面层感应重熔规律,随着电流从360 A增大到410 A,试样顶部和底部涂层熔融程度逐渐严重,当电流达到400 A时即发生涂层因过熔而流淌;随着起始熔覆位置的上移,改变了有效输入熔覆热能的分布,试样顶部过熔现象得到缓解,获得了宏观熔覆形貌较为均匀的界面层,表面过熔区减少乃至消失;Ni60A界面层熔覆后表面更光滑、涂层更致密,喷涂态涂层表面粗糙度为3.4~3.8μm,熔覆后均降至0.6~0.8μm。在360 A和380 A两个熔覆电流下试样的宏观形貌比较均匀,当Ni60A界面层厚度相同时,增加电流可增加基体热影响区厚度,从360 A的18μm增至380 A的31μm,平均晶粒尺寸也相应从约3μm增至约6μm;Ni60A界面层厚度增加可降低基体热影响区及晶粒长大。喷涂态Ni60A和基材界面界面处存在较多条形孔隙,主要为机械结合;熔覆后Ni60A和基材的界面孔隙率降低,形成少量的圆形孔隙,产生了明显的元素扩散,形成了冶金结合。(2)依据熔覆热能与Ni60A界面层预先熔覆组织变化规律的关系,选择400 A和440A两个熔覆电流制备共熔覆双层涂层,研究了50、100μm两种厚度的Ni60A界面层的共熔覆涂层组织特征的形成规律。共熔覆后,试样WC-12Ni外涂层不发生熔化,因此制备了横截面试样观察界面层熔覆状态。喷涂态Ni60A和WC-12Ni涂层界面处也存在较多孔隙,共熔覆后界面形貌发生了较大变化,产生了明显的元素扩散,形成了冶金结合,且局部WC颗粒与Ni60A结合;在相同的Ni60A界面层厚度下,感应电流增大导致基体热影响区厚度增加,相应为27~35μm和34~43μm,平均晶粒尺寸也从4.6~5.8μm增至9.1~9.5μm;与预熔覆组织热影响区和晶粒尺寸随电流变化规律相似,Ni60A界面层厚度增加可降低基体热影响区及晶粒长大。(3)研究了熔覆工艺参数、Ni60A界面层厚度对涂层显微硬度的影响,随着感应电流的增加,预熔覆Ni60A界面层显微硬度提高、而共熔覆界面层显微硬度降低;50μm预熔覆Ni60A界面层从360 A增至380 A、硬度约6.7 GPa增至7.0 GPa,380 A的100μm预熔覆界面层7.7 GPa;50μm共熔覆界面层显微硬度则从400 A的8.3 GPa降至440 A的4.7 GPa,100μm共熔覆界面层则从8.8 GPa降至5.7 GPa;共熔覆界面层与预熔覆界面层显微硬度变化规律不同,归结为界面层显著的元素扩散导致了硬度的降低。(4)研究了涂层表面残余应力的变化规律,测量了预熔覆双层涂层与喷涂态双层涂层WC-Ni外涂层的残余应力,均表现为拉应力,分别约为33 MPa和50 MPa;双层涂层共熔覆后表面残余应力转变为压应力,为-70~-30 MPa,界面层厚度和感应电流的影响不大。采用最大载荷为98 N的小负荷硬度计对涂层横截面进行界面压入法测试,结果表明,预熔覆双层涂层机械结合的界面在44.1 N载荷下,形成了沿着界面扩展裂纹,从压痕中心到裂纹扩展尖端的半裂纹长约100μm,共熔覆双层涂层冶金结合的Ni60A和WC-12Ni界面扩展半裂纹长显著降低,感应电流400 A下的长为53~62μm、440 A长为74~78μm。熔覆双层涂层的WC-12Ni外涂层与Ni60A界面层之间形成的冶金结合,可抑制界面裂纹扩展。此外,残余压应力转变也可能对涂层裂纹抑制有益。
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