Page 64 - 理化检验-物理分册2024年第十一期
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汪志刚，等：含镍包WC铁基合金涂层显微组织和摩擦磨损性能
高于540 ℃的燃煤机组电站阀壳和汽缸，以及进汽温 材相的线膨胀系数存在一定差异，涂层中WC含量需
度为565.5 ℃的燃机高压联合主汽门。该钢铸造工 控制在一定范围内，避免涂层出现纵向裂纹等缺陷；
艺性差，对热处理冷却速率敏感，易产生裂纹缺陷。 同时为避免WC分解， 通常采用镍包WC作为增强相。
燃煤锅炉冷灰斗水冷壁管和流化床锅炉屏式过热器 申井义等 [18] 报道了镍包WC是一种具有核壳结构的
管均存在冲击和磨损的问题。激光熔覆技术可起到 球状混合粉，WC颗粒被Ni基合金包裹在球状结构
增强防护和损伤修复的作用。强化功能是指通过涂 的中心位置，Ni能对WC颗粒起到保护作用，因为其
层（熔覆层）增强基材的性能，在金属部件表面制备 对激光光波的吸收率和热导率低。镍包WC还可以
强度大、抗冲击且耐磨的涂层；修复功能主要体现在 提高WC颗粒的润湿性及其在涂层中的弥散性；镍包
修复金属部件的孔洞和裂纹，恢复已损伤部件的结 WC增强涂层的组织更细小、成分分布更均匀，结构
构尺寸，以提高部件再制造后的服役性能。利用激 完整性优于WC增强涂层。
光熔覆技术能延长电站金属部件的使用寿命。 笔者选取15Cr1Mo1V钢作为基材，采用激光熔
激光熔覆技术相对于其他传统表面技术（如镀 覆技术在15Cr1Mo1V钢表面制备含镍包WC的增强
铁基合金涂层，利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线
膜、刷镀、堆焊、焊条电弧焊等）有诸多优点，如：激光
衍射仪(XRD)、显微硬度计、拉伸试验机、冲击试验机
作用时间短、稀释率低、热影响区小、部件变形小；冷
和摩擦磨损试验台等设备对涂层的显微组织、物相组
却速率快，可以细化晶粒，使组织致密，产生亚稳相、
非晶相及超弥散相；涂层与基体冶金的结合强度高； 成、显微硬度、拉伸性能、冲击性能和摩擦磨损性能
等进行研究，为15Cr1Mo1V钢提供高质量的激光熔
熔覆过程可控性好，便于实现自动化，对环境无污染
覆增材制造技术（预防护或修复）提供数据支撑。
等。激光熔覆技术可对燃机机组、燃煤机组、循环流
化床机组、水电和风电机组等金属部件进行增强耐磨 1 试样制备及试验方法
预防护或修复。目前激光熔覆材料主要为Fe基 [8-11] 、 1.1 试样制备
Ni基 [12-16] 、Co基 [17] 可熔性合金粉末，其中Fe基合金 选择 15Cr1Mo1V钢作为基材，其化学成分如
具有综合力学性能良好及成本低等优点。WC具有熔 表1所示，尺寸（长度×宽度×高度）为200 mm×
点高、硬度高、热稳定性和化学稳定性好等优点，与 300 mm×20 mm。先用砂纸打磨基体板表面，用无
Fe基、Ni基、Co基涂层结合具有良好润湿性，可用作 水乙醇溶液清洗试样。对基体试样进行预热处理，
涂层增强相的材料。WC增强金属基复合涂层制备方 将基体预热至温度约为100 ℃， 以降低熔池的冷却速
法主要有激光熔覆、热喷涂等。由于WC与金属基母 率，减少涂层的残余应力。
表1 15Cr1Mo1V钢的化学成分 %
质量分数
项目
C Mn Si P S Cr Mo V
实测值 0.12~0.18 0.40~0.70 0.17~0.37 ≤0.035 ≤0.035 0.80~1.10 0.25~0.35 0.15~0.30
选择铁基涂层，合金粉末粒径为 40~150 μm， 搭接率为50%，送粉速率为18 g/min，光斑直径为
铁基合金粉末的化学成分如表 2 所示。镍包WC 3 mm。待涂层试样冷却后，对试样进行切割。依次用
颗粒的粒径为 40~150 μm，其中Ni元素质量分数 90，360，600，1 000，1 500，2 000目（1目=25.4 mm）
为12%，WC质量分数为88%。镍包WC的添加量（质 的水砂纸对试样进行打磨。选用水溶性金刚石研磨
量分数）为0~30%。 膏在磨抛机上对试样进行抛光直至镜面，随后用无水
表2 铁基合金粉末的化学成分 乙醇擦拭试样。待试样风干后放置于干燥箱中备用。
%
1.2 试验方法
质量分数
项目 采用体积分数为 3%的硝酸乙醇溶液对试样
C Cr Si Ni Fe
进行腐蚀，然后利用光学显微镜对试样进行金相检
实测值 0.20 17.5 1.5 2.0 余量
验。利用SEM观察涂层的微观形貌。采用XRD
采用激光熔覆设备制备涂层，采用同步送粉 分析涂层表面的物相，加速电压为 40 kV，电 流
方式，激光功率为1 400 W，扫描速率为300 mm/s， 为 20 mA，扫描范围为 20°~90°。采用显微硬度计
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