下载文档原格式
第52卷第11期表面技术2023年11月SURFACE TECHNOLOGY·237·超高速激光熔覆Ni625/WC复合涂层的耐磨性能李宝程1，崔洪芝1,2*，宋晓杰1，殷泽亮1，朱于铭1（1.山东科技大学 材料科学与工程学院，山东 青岛 266590；2.中国海洋大学 材料科学与工程学院，山东 青岛 266100）摘要：目的提高高铁制动盘用24CrNiMo铸钢的耐磨性和高温性能。
方法在24CrNiMo铸钢表面，通过超高速激光熔覆技术，制备Ni625/碳化钨（WC）复合涂层，并设计多层梯度熔覆，使得WC颗粒在涂层中呈均匀分布。
通过X 射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等分析涂层的物相组成、微观组织结构和元素分布。
分别采用显微硬度计、摩擦磨损试验机、三维形貌仪等测试涂层的硬度、室温及600 ℃的摩擦系数和耐磨性，分析涂层的摩擦磨损机理。
通过同步热分析仪（TGA-DSC）测试涂层的抗高温氧化性能和组织的高温稳定性能。
结果涂层主要由γ-Ni固溶体、WC以及含W增强相W2C和M23C6等组成。
WC分布较为均匀，涂层平均显微硬度达440HV0.2~610HV0.2，是基体硬度的1.25~1.7 倍。
在室温条件下，体积磨损率仅为基体24CrNiMo铸钢的 4.2%~20.8%，摩擦系数略低于基体；在600 ℃条件下，体积磨损率为基体24CrNiMo铸钢的 80.1%~180.8%，摩擦系数高于基体，且稳定性好，熔覆涂层显著提高了24CrNiMo铸钢基体的耐磨性。
磨痕分析表明，涂层在室温下主要为磨粒磨损，600 ℃下除了磨粒磨损之外，并还伴随着轻微的氧化磨损，其中复合涂层S3的性能最佳。
结论在以高速强力磨损为主的工况下，Ni625/WC复合涂层具有优异的耐磨性能和抗高温氧化性能，球形WC颗粒在提高涂层耐磨方面发挥了重要作用。
关键词：高铁制动盘；超高速激光熔覆；摩擦磨损，Ni基涂层中图分类号：TH117 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)11-0237-11DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.11.018Wear Resistance of Ultra-high Speed Laser CladdingNi625/WC Composite CoatingsLI Bao-cheng1, CUI Hong-zhi1,2*, SONG Xiao-jie1, YIN Ze-liang1, ZHU Yu-ming1(1. School of Materials Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266590,China; 2. School of Materials Science and Engineering, Ocean University of China, Shandong Qingdao 266100, China) ABSTRACT: High-speed train brake disc is one of the important components to ensure the safe and reliable operation of收稿日期：2022-10-30；修订日期：2023-03-08Received：2022-10-30；Revised：2023-03-08基金项目：国家自然科学基金（51971121，U2106216）；山东省重大创新工程项目（2019JZZY010303，2019JZZY010360）Fund：The National Natural Science Foundation of China (51971121, U2106216); Major-special Science and Technology Projects in Shandong Province (2019JZZY010303, 2019JZZY010360)引文格式：李宝程, 崔洪芝, 宋晓杰, 等. 超高速激光熔覆Ni625/WC复合涂层的耐磨性能[J]. 表面技术, 2023, 52(11): 237-247.LI Bao-cheng, CUI Hong-zhi, SONG Xiao-jie, et al. Wear Resistance of Ultra-high Speed Laser Cladding Ni625/WC Composite Coatings[J]. Surface Technology, 2023, 52(11): 237-247.*通信作者（Corresponding author）·238·表面技术 2023年11月high-speed trains. Its main failure form is thermal damage and wear that occurs on or near the friction surface. The use of ultra-high-speed laser melting and other surface strengthening technologies to improve the wear resistance and high-temperature performance of brake discs and other key components is an effective way to ensure the safe operation of high-speed trains. At present, there are many studies on the wear performance of Ni-based WC coatings, but there are relatively few studies on the application of key parts such as brake discs in high-speed trains.In this paper, Ni625/WC composite coatings was prepared on the surface of 24CrNiMo cast steel for high-speed train brake discs using ultra-high-speed laser melting technology. Since the high specific gravity of WC affected the quality and wear resistance of the coatings, a three-layer gradient coating design was used to improve the distribution of WC particles in the coatings.The phase composition, microstructure and element distribution of the coatings were analyzed by an X-ray diffractometer (XRD), a transmission electron microscope (TEM) and a scanning electron microscope (SEM). The hardness, coefficient of friction and wear resistance of the coatings at room temperature and 600 ℃were tested with a microhardness tester, a friction and wear tester and a 3D morphology tester, respectively, and the friction and wear mechanisms of the coatings were analyzed. The high-temperature oxidation resistance and tissue stability of the coatings were investigated with a TGA-DSC simultaneous thermal analyzer.The results showed that the coatings are well bonded to the substrate, metallurgically, and the total thickness of the coatings was about 300 μm. The coatings were mainly composed of γ-Ni solid solution, WC, W2C and M23C6 phases. The partial melting and decomposition of WC particles generated different types and multi-scale secondary carbide phases distributed in the intergranular region of the γ-Ni solid solution. In addition, there were lamellar fine eutectic tissues composed of γ-Ni and secondary carbides generated. The hardness distribution of the coatings were relatively uniform, and the average microhardness reached 440HV0.2~610HV0.2, which was 1.25~1.7 times of the matrix hardness (360HV0.2), and the thickness of the heat-affected zone was about 200 μm with a hardness of 410HV0.2. With the increase of WC content, the main wear mechanism at room temperature was abrasive wear, and the volume of wear decreased to 20.8%, 6.8%, 4.4% and 4.2% of the matrix, and the corresponding coefficients of friction were slightly lower than that of the matrix. At 600 ℃, it was mainly abrasive wear and slight oxidation wear, and the coefficients of friction were higher than that of the matrix. The high toughness γ-Ni was firmly combined with WC, diffusely distributed secondary carbides and other reinforcing phases, which played the role of wrapping and supporting WC particles, and the multi-scale carbides, mainly WC particles, could effectively resist the indentation of grinding balls, thus reducing plastic deformation and wear. The coatings have good oxidation resistance and tissue stability, which are beneficial to the stability of frictional wear at high temperature. The spherical WC particles play an important role in improving the wear resistance of the coatings.KEY WORDS: brake discs of high-speed trains; ultra-high-speed laser cladding; frictional wear; Ni-based coating高铁制动盘是保证高速列车安全可靠运行的重要部件之一。
激光熔覆技术研究现状及其发展一、本文概述激光熔覆技术，作为一种先进的表面处理技术，近年来在材料科学、机械制造、航空航天等领域引起了广泛关注。
本文旨在全面综述激光熔覆技术的研究现状及其发展趋势，以期为相关领域的研究人员和技术人员提供有价值的参考。
文章首先将对激光熔覆技术的基本原理、特点及其应用领域进行简要介绍，然后重点分析当前激光熔覆技术的研究热点和难点，包括材料选择、工艺优化、性能评估等方面。
在此基础上，文章将探讨激光熔覆技术的发展趋势和未来展望，包括新材料、新工艺、新技术的应用以及环境友好型、智能化、高效化的发展趋势。
通过本文的综述，读者可以对激光熔覆技术的最新研究成果和发展动态有一个全面而深入的了解，为相关领域的研究和实践提供有益的借鉴和指导。
二、激光熔覆技术的研究现状激光熔覆技术自问世以来，就凭借其独特的优势在材料科学与工程领域引起了广泛的关注和研究。
该技术以其高精度、高能量密度和快速加热冷却过程等特点，使得在材料表面实现高质量、高性能的熔覆层成为可能。
随着科技的不断发展，激光熔覆技术的研究现状呈现出以下几个主要特点。
在材料选择方面，激光熔覆技术已经不仅仅局限于金属材料的熔覆。
近年来，陶瓷、高分子材料甚至复合材料的激光熔覆也开始得到研究，这极大地扩展了激光熔覆技术的应用范围。
同时，对于金属材料的熔覆，也逐步实现了多元化，涵盖了铁基、镍基、钴基等多种合金材料。
在熔覆过程控制方面，研究者们通过引入数值模拟、智能控制等技术手段，实现了对激光熔覆过程更为精准的控制。
这包括对激光功率、扫描速度、送粉速度等关键参数的优化，以及对熔池温度、形貌的实时监控和调控。
这些技术的发展，使得激光熔覆的质量稳定性和重复性得到了显著提升。
再次，在熔覆层性能提升方面，研究者们通过设计合理的熔覆层结构和成分，实现了对熔覆层硬度、耐磨性、耐腐蚀性等多种性能的提升。
同时，还通过引入纳米颗粒、增强相等手段，进一步优化了熔覆层的显微组织和性能。
浅谈激光熔覆技术研究进展一、本文概述激光熔覆技术，作为一种先进的表面工程技术，自其诞生以来，就因其在材料改性、表面强化和零件修复等方面的独特优势，受到了广泛的关注和研究。
该技术利用高能激光束将涂层材料快速熔化并与基材形成冶金结合，从而实现对基材表面的强化和改性。
随着科学技术的不断发展，激光熔覆技术在基础理论、材料体系、工艺技术和应用领域等方面都取得了显著的进展。
本文旨在全面概述激光熔覆技术的研究进展，通过梳理国内外相关文献和研究成果，分析激光熔覆技术的最新发展动态和趋势。
文章将首先介绍激光熔覆技术的基本原理和特点，然后重点讨论激光熔覆材料的研究现状，包括涂层材料的种类、性能要求及制备方法。
接着，文章将探讨激光熔覆工艺技术的优化与创新，包括激光参数、送粉方式、预热处理等因素对熔覆层质量的影响。
文章将展望激光熔覆技术在不同领域的应用前景，尤其是在航空航天、汽车制造、生物医学等领域的应用潜力。
通过本文的阐述，希望能够为相关领域的研究人员和技术人员提供有益的参考，推动激光熔覆技术的进一步发展和应用。
二、激光熔覆技术原理及特点激光熔覆技术是一种先进的表面工程技术，它利用高能激光束对基材表面进行快速加热，使预置的涂层材料在基材表面熔化并与基材形成冶金结合。
这种技术结合了激光技术和冶金技术的优点，能够在短时间内实现材料的快速熔化和凝固，从而改善基材的表面性能。
激光熔覆技术的原理主要包括激光与物质的相互作用、涂层材料的熔化和铺展、以及熔池的形成与凝固等过程。
在激光束的作用下，涂层材料迅速熔化，并与基材表面形成熔池。
随着激光束的移动，熔池逐渐铺展并填充基材表面的缺陷和不平整处。
随后，熔池迅速冷却并凝固，形成与基材牢固结合的涂层。
激光熔覆技术具有许多显著的特点。
激光束的能量密度高，加热速度快，能够实现涂层材料的快速熔化和凝固，减少热影响区和热变形。
激光熔覆技术能够实现精确控制，通过调整激光功率、扫描速度和涂层材料的成分等参数，可以制备出具有不同性能和功能的涂层。
激光熔覆技术综述作者：赵月红赵新红来源：《速读·中旬》2021年第10期◆摘要：激光熔覆主要是通过改进表面性能，如强度、导电性、抗磨性与抗蚀性等，使材料通过激光熔覆技术获得基材所缺少的优异性能，从而使材料的应用更深、更广。
激光熔覆是一种新兴的表面改性技术，论述了激光熔覆技术及其发展过程，从基体材料和熔覆材料两方面研究了激光熔覆技术的研究现状。
◆关键词：激光熔覆;熔覆层;基体激光熔覆是指在基材表面熔覆一层复合涂层，对基体材料表面性质进行改善的新技术，利用的是激光的高能量使熔覆粉末与基体之间形成冶金结合达到性能要求，熔覆后的表面涂层性能可以根据性能要求利用不同的熔覆粉末，最终达到力学性能与物理性能的改进。
激光熔覆具有稀释度低、组织致密性好、涂层与基体达到冶金结合等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。
利用激光熔覆制造新型材料，已成为近年来的研究热点。
一、激光熔覆技术的发展过程激光熔覆技术的发展经历了近半个世纪，早期激光熔覆技术主要集中在激光熔覆特性、不同材料与基体组合的激光熔覆工艺及参数、激光熔覆层的微光组织结构和金相分析、激光熔覆层的性能、熔覆层缺陷以及激光熔覆应用等方面研究;现代激光熔覆主要集中在激光熔覆基础理论和模型，激光熔覆高性能送粉和喷嘴，用激光熔覆制备新材料，基于激光熔覆的快速成形与制造技术等领域的研究。
我国对激光熔覆技术的研究始于上世纪90年代初期，研究方法不断改进并得到了很大的提高，主要进行的研究方向如下：1.激光工艺参数对熔覆层性能的影响。
2.激光熔覆过程中添加稀土氧化物对涂层组织性能的影响。
3.激光熔覆陶瓷颗粒相增强熔覆层强度。
二、激光熔覆技术的研究现状激光熔覆技术在诸多的材料如钛合金、合金钢、模具钢以及各种有色金属等材料有了广泛的应用。
激光熔覆材料是用于制备涂层的，并制约涂层特性。
材料的改变将直接影响涂层的使用性能，因此熔覆层材料的开发始终是研究的重点。
现在激光熔覆材料主要有自溶性合金粉末、复合粉末和陶瓷粉末。
激光熔覆技术的研究现状及应用陈宝洲（南华大学机械工程学院湖南衡阳邮编：421001）摘要：本文逐次介绍了激光熔覆技术的原理、特点、材料体系、激光熔覆存在的问题、激光熔覆层裂纹产生的原因及防止措施，阐述了其工业应用，最后分析了其发展趋势。
关键词：激光熔覆；材料体系；应用Laser cladding technology research and ApplicationChen Baozhou(College of Mechanical Engineering, University of South China, Heng Y ang, 421001, China) Abstract: This paper introduces the technology of laser cladding by the principle, characteristics, material system, the problems of laser cladding, laser cladding crack causes and prevention measures, and expounds its application in industry, finally analyzes its development trend.Key words: laser cladding; material system; application1 引言激光熔覆技术是一项新兴的零件加工于表面改型技术。
具有较低稀释率、热影响区小、与基面形成冶金结合、熔覆件扭曲变形比较小、过程易于实现自动化等优点。
激光熔覆技术应用到表面处理上，可以极大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳等机械性能，可以极大提高材料的使用寿命。
同时，还可以用于废品件的处理，大量节约加工成本。
激光溶覆应用到快速制造金属零件，所需设备少，可以减少工件制造工序，节约成本，提高零件质量，广泛应用于航空、军事、石油、化工、医疗器械等各个方面。
激光熔覆60%WC-Ni涂层参数及性能研究张理;毕贵军;曹立超;常云龙【期刊名称】《自动化与信息工程》【年(卷),期】2022(43)2【摘要】镍基碳化钨(WC-Ni)复合材料是常用的激光熔覆材料之一,可有效改善材料表面的耐磨性。
但由于碳化钨(WC)属于硬脆材料,受热易分解、溶解、氧化等,导致熔覆层中WC体积分数受限,且涂层容易存在裂纹。
因此,当前针对该种材料的激光熔覆研究主要集中于较低的WC含量(质量分数<50%)。
为进一步探究高含量WC(质量分数>50%)镍基合金的激光熔覆层性能,首先,以60%WC-Ni粉末为激光熔覆材料,以CCS-B钢板为基材,分别研究激光功率、送粉速度、激光扫描速度对熔覆层宽度、高度及稀释率的影响规律;然后,确定合适的熔覆参数组合,并在基材表面加工制备熔覆层;最后,分别对基材和熔覆层进行硬度和摩擦磨损实验测试,结果显示:与基材相比,熔覆层平均硬度达到81.44 HRC,提高了5.45倍;同样时间内摩擦磨损量降低93.6%,摩擦系数降低12.37%,熔覆层的硬度和耐磨性均获得显著提升。
【总页数】8页(P1-7)【作者】张理;毕贵军;曹立超;常云龙【作者单位】广东中科德弗激光科技有限公司;广东省科学院智能制造研究所;沈阳工业大学材料科学与工程学院【正文语种】中文【中图分类】TG174.44【相关文献】1.激光熔覆WC-Ni/TiC涂层的组织和摩擦磨损性能研究2.纯铜表面脉冲激光熔覆Ni60涂层的结构与性能研究3.磁场辅助激光熔覆5CrNiMo/Ni60涂层组织微结构及性能研究4.激光熔覆Ni60和Ni60/SiC涂层磨损性能的研究5.U71Mn钢表面激光熔覆Ni60-25%WC涂层工艺参数优化的研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
送粉激光熔覆陶瓷掺杂复合涂层技术及涂层成形机理研究
博士研究生张三川
摘要
激光熔覆是现代表面技术体系中的极具发展前途和颇具特色的新技术之一，在“21世纪的再制造工程”和“先进制造技术”中有着广阔的应用前景。
首先作者综合评述了激光熔覆技术研究现状与发展趋势，对激光熔覆技术当前急需与未来发展等方面，提出了如下预测型结论：
1）激光熔覆过程数值模拟以及激光熔覆过程的超常物理场问题的研究，包括三维温度场模拟的进一步发展、激光熔覆组织的预测与控制模型、熔覆层的力学特性研究等，以进一步揭示激光与物质相互作用机理。
2）开展熔覆材料设计理论研究工作。
研究激光熔覆合金设计的相关理论、建立设计模型与设计检验准则模型，为激光熔覆提供能适应快速凝固与摩擦学系统需求的熔覆合金材料体系，并促进具有良好适应性功能的激光熔覆技术的发展。
3）激光熔覆作为表面工程中的一种新型高技术，在“21世纪的再制造工程”发展中，开展激光熔覆再制造的相关技术与理论的研究将成为新的时代要求，并使该项技术由表面改性技术进一步发展成为集表面改性、维修、再制造于一体的具有绿色特征的表面技术。
4）材料零件制造一体化是制造业发展的必然趋势，基于激光熔覆技术，结合三维打印成形或分层制造等快速成形技术和熔覆合金设计技术，研究和发展激光熔覆材料零件直接熔覆制造一体化技术。
在较详细的研究分析激光熔覆现状后，首次较为系统地对激光熔覆材料体系的设计问题进行研究。
其基本思想是：由于激光熔覆过程的动态冶金特征与熔覆涂层的应用属性分别是自激急冷的快速凝固和涂层的耐磨损性，因而熔覆材料设计中，首先应以满足应用需求为最低要求，同时以熔覆材料的快速凝固为约束条件，从而提出了基于摩擦学系统的激光熔覆耐磨复合材料的设计原则与方法，给出了熔覆耐磨材料设计的程序框图，在方法学上解决了激光熔覆耐磨材料体系的
选择性组合设计上一直存在的盲目性问题。
论文针对摩擦学中占重要地位的磨粒磨损类型失效，结合现有自熔合金的激光熔覆研究结果，设计了在同步送粉激光熔覆工艺条件下的耐磨熔覆涂层材
两种陶料组分，并同时考虑了该项研究的可持续性。
因此，设计了WC和ZrO
2
瓷颗粒分别为自熔合金（Ni基自熔合金）的掺杂相，形成陶瓷相以弥散形式均匀分布在自熔合金种，从而使熔覆层的相结构符合抗磨粒磨损的组织需求。
试验研究中，对碳化钨、氧化锆陶瓷掺杂镍基自熔合金的两种体系材料分别设计和实施了58、36种工艺（含不同组份材料）的熔覆试验，首次系统地研究了送粉激光熔覆的工艺条件下的含陶瓷相熔覆材料与强激光的相互作用机制，取得了条件优化熔覆工艺规范。
从熔覆层的相分布结果可以认为，送粉激光熔覆层显微硬度及其分布、熔覆层的组织状态的形成，主要取决于熔池的传质性能。
对于以镍包碳化钨为掺杂相的熔覆涂层，熔池吸收能量较高时，能够使WC（未熔）固相粒子在熔覆层中得到较均匀地分布，从而得到具有WC颗粒增强的机械性能良好的熔覆层。
对于以氧化锆为掺杂相的熔覆涂层，熔池吸收能量的高低会导致两种结果：若吸能高，熔池中的氧化锆相（氧化锆熔体与镍基自熔合金熔体是不互溶的）将上浮到熔覆层的表面区域，形成两种熔覆材料组元的分层熔覆涂层结构，也就是形成涂层表面区域是以氧化锆陶瓷为主相，间或分布有镍基合金相，而涂层中下部区域则以镍基合金为主相，并分布有一定量的氧化锆相；若吸能较低，可获得氧化锆相和镍基合金相相混杂的均匀的二元合金相结构。
为考察陶瓷掺杂熔覆层的耐磨性能，对部分条件优化规范下送粉搭结激光熔覆涂层进行干摩擦环-块磨损性能试验与研究。
结果表明：氧化锆掺杂的熔覆层的磨损形式为剥离型磨损，碳化钨掺杂的熔覆层的磨损机理可归于硬相承载；两种复合涂层材料相比较，含碳化钨的磨损失重量随时间的延长而变化较小，摩擦因数变化也较小，而含氧化锆的磨损失重量随时间的延长而变化较大，摩擦因数变化也较大。
由于掺杂陶瓷相的存在阻碍了划痕在陶瓷增强复合涂层表面的产生，因而呈现出非连续的磨痕，实现了弥散陶瓷相的减磨作用。
熔覆涂层的微观分析采用了诸如扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪等现代分析技术，较全面地研究了涂层的相结构、组织微区、过渡界面等，结果是：WC
掺杂镍基自熔合金（Ni60）的激光熔覆涂层中，碳化钨掺杂相主要有两种形式，
(C、O)存即以大块状碳化钨（WC）和一些弥散在镍基自熔合金中的小量WC或W
2
在。
由于熔覆过程中环境气氛的影响，在块状WC表面的部分区域覆盖了一层氧
(C、O)壳体；由于工艺规范的不同，获得了两种类型的ZrO2掺杂化分解产物W
2
熔覆层相结构，一种是在大多数工艺条件下得到的有Cr包裹的无定形的ZrO2块状相，另一种是ZrO2形成细小颗粒并弥散于镍基自熔合金中，而熔覆层中出现由Fe和Cr的固溶体结构，这种固溶体在组织形态上为松针状；利用镍基自熔合金作为被掺杂的基础相，其熔覆层与基体材料界面间可以形成Fe和Ni及Fe 和Cr的固溶体组织结构，对提高熔覆层与基材的冶金结合强度将是大有益处的。
综合激光熔覆层的显微硬度分布与相组织结构、元素分布等的分析结果表明：陶瓷掺杂自熔合金的激光熔覆涂层的成形取决于熔池的流动性，而获得均匀分布熔覆层相组织的两个相关因素为：一个是掺杂陶瓷相对于主相材料的密度的大小，另一个是输入熔池的激光能量大小。
为此，首次建立了两类材料的激光熔覆层成形物理模型，其主体思想是：若相对较小密度的陶瓷粒子作为掺杂相，为克服粒子的浮力，这要求输入熔池的激光能量应较低一些；反之，则应输入较多的能量，以提供给熔池更好的流动性。
显然，对碳化钨陶瓷为掺杂相，应采用较高的激光能量，但对氧化锆陶瓷为掺杂相的，则应使用较低一些的激光能量。
对两种陶瓷掺杂的熔覆层的XDS分析还表明：熔覆层中的碳化钨主要有WC和W2C两种，由此可见熔覆层表层中的碳化钨为WC和W2C的共晶体；熔覆层中的氧化锆主体为单斜晶结构出现，说明在熔覆层成形过程中四方氧化锆由于承受了熔覆层的热应力引起的残余应力而发生了相变，起到了相变增韧的设计效果，从而首次实现采用氧化锆相变增韧自熔合金熔覆层，并实现了均匀弥散的相组织结构。
关键词：送粉激光熔覆陶瓷掺杂复合涂层设计成形机理磨损。
