Page 28 - 理化检验-物理分册2025年第一期
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何 群，等：激光熔覆铁基涂层的显微组织和磨损性能
15Cr1Mo1V铸钢件高压蒸汽联合阀阀体常作为进汽 涂层。为此，笔者选取ZG15Cr1Mo1V钢作为基材，
温度不高于540 ℃燃煤机组电站的阀壳和汽缸材料， 采用激光熔覆技术在其表面制备镍包WC涂层，利
以及进汽温度为 565.5 ℃的燃机高压联合主汽门。 用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、
裂纹是ZG15Cr1Mo1V铸钢件的常见缺陷，铸钢件 显微硬度计、冲击试验机、冲蚀磨损试验机、颗粒磨
裂纹主要分为热裂、冷裂及发裂3类，其中热裂纹缺 损试验机和吹损试验机表征涂层的显微组织、物相
陷最容易产生，危害性也最大。ZG15Cr1Mo1V钢 组成、显微硬度、耐冲蚀磨损、耐颗粒磨损和耐吹损
的铸造工艺性相对较差，阀体钢铸件的结构复杂、壁 性能。
厚变化大，在制造过程中，易在截面壁厚差较大的部 1 试验方法
位产生热裂纹缺陷，尤其是铸件法兰和缸壁的连接
处，壁厚差最大，是裂纹缺陷最容易发生、最为严重 1.1 试验材料
的部位。产生裂纹的原因复杂，涉及设计、制造及运 选择 15Cr1Mo1V钢作为基材，其化学成分如
行等多方面因素，归纳起来主要有两种情况：一是存 表 1 所 示，基 材尺 寸（长度×宽 度×高 度，下 同）
在易产生裂纹的薄弱部位，如疏松、夹渣等铸造缺陷 为 200 mm×300 mm×20 mm。激光熔覆前对基
处；二是铸造应力、热应力和机械应力等较大处。阀 体进行预处理，以保证基体与涂层具有良好的冶
体出现裂纹后，在裂纹两端存在很大的应力集中，裂 金结合性；预热温度约为 100 ℃， 可以降低熔池的
纹极易扩展，若裂纹得不到及时处理，或处理方法不 冷却速率，又不至于产生过大的组织应力，还能降
当，裂纹将急剧扩展，严重影响机组的运行安全。激 低涂层的残余应力。设计了铁基涂层（合金粉末
光熔覆技术可起到电站金属部件增强防护和损伤修 粒径为 40~150 μm），铁基合金粉末成分如表 2 所
复的作用，强化功能是通过涂层增强金属部件的性 示。镍包WC颗粒粒径为 40~150 μm，其 中Ni元
能，在金属部件表面制备增强、抗冲击和耐磨涂层； 素质量分数为 12%，WC的质量分数为 88%；镍
修复功能主要体现在修复金属部件的孔洞和裂纹， 包WC质量分数为 0~30%。高速激光熔覆设备
恢复已损伤部件的结构尺寸，以及提高电站金属部 制备涂层时采用同步送粉的方式。激光熔覆制备
件的再制造后服役性能。 涂层的参数为：激光功率为 1 400 W，扫描速率为
激光熔覆技术制备的铁基合金涂层具有良好的 300 mm/s，搭接率为 50%，送粉速率为 18 g/min，
综合力学性能及较低的价格等优点 [6-11] ，且其与钢 光斑直径为 3 mm。待涂层试样冷却后，对试件
材的成分相近，结合界面无分层和裂纹。高硬度、 进行切割，切割后对试样进行打磨，依次使用 90，
[12]
[14]
[13]
耐磨的陶瓷或稀土材料（TiC 、Al 2 O 3 、La 2 O 3 、 360，600，1 000，1 500，2 000 目（1 目 =25.4 mm）
WC [15-18] ），尤其 WC具有高熔点、高硬度、良好的热 水砂纸进行打磨和抛光，选用水溶性金刚石研磨膏
稳定性和化学稳定性、高耐磨性等优点，是铁基涂层 在磨抛机上对试样进行抛光，直至抛光至镜面，随后
中最常用的耐磨材料。镍包WC增强涂层的组织更 用无水乙醇溶液擦拭试件，待试样风干后，将其放置
细小、成分分布更均匀，结构完整性优于 WC增强 于干燥箱中备用，用于测试与分析组织性能。
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
表2 铁基合金粉末成分 %
质量分数
项目
C Cr Si Ni Fe
实测值 0.20 17.5 1.5 2.0 余量
1.2 表征方法 靶，加速电压为40 kV，电流为20 mA，扫描范围为
制备试样时，腐蚀剂为体积分数为3%的硝酸乙 20°~80°。采用显微硬度计测试涂层的维氏硬度，载
醇溶液，在场发射扫描电镜下观察涂层的微观形貌。 荷为5 N，对基材和涂层试样各测量5次，再计算硬
采用X射线衍射仪分析涂层表面的物相，材料为Cu 度平均值。冲击试样按照GB/T 229—2020《金属
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