摘 要：以 W6Mo5Cr4V2 为基体，采用等离子喷涂-重熔技术和喷焊技术，分别用 30%SiC、10%Cr3C2和 30%WC粉末制备 Ni60-SiC 涂层、Ni60-Cr3C2涂层和 Ni60-WC 涂层。 然后对各涂层进行显微组织分析和显微硬度测试，并对涂层的热物性参数进行检测。 实验结果表明，采用喷焊的方法，配比为 70%Ni60 和 30%SiC 的粉末得到涂层性能最好。 从宏观形貌、微观形貌、显微硬度和热物性参数上都满足热锻模表面的使用要求。
关键词：W6Mo5Cr4V2； 等离子喷涂； 等离子重熔； 等离子喷焊； 碳化物
热锻模是传递动力、 使高温金属毛坯在模具型腔内通过塑性变形达到锻件成形的工具。 在金属塑性成形， 特别是难变形金属的成形过程中作用十分重要。 热锻模的热应力问题是影响其寿命的关键问题之一。热锻模的失效多从表面开始或发生在表面，因此提高材料的表面性能对延长零件的使用寿命和发挥材料的潜力起着很重要的作用[1-2]。
延长热锻模模具寿命， 有一个很关键的途径就是对热物性参数进行改进设计， 功能梯度材料等离子加工技术为解决这一问题提供了很好的途径[3-6]。硬质陶瓷材料具有好的耐磨性、 耐腐蚀性和耐高温性，金属材料具有高强韧性、可加工性、良好的导电导热性，将这两类材料有机地结合起来，充分发挥它们的综合优势， 从而可获得同时满足机械产品对结构性能(强度、韧性等)和环境性能(耐磨、耐蚀、耐高温等)需要的理想复合材料[7]。
1 实验材料与方法
1.1 原材料
使用的热锻模基板材料为 W6Mo5Cr4V2，是热锻模模体梯度材料结构中模膛近表层材料的一种，试样尺寸 准35mm×15mm。 预置覆层前先对试样表面进行喷砂处理，并用高压气流清理表面灰尘。等离子加工选用镍基自熔合金。 镍基自熔合金不但具有优良的抗氧化性能、 耐磨损和耐腐蚀等性能，而且还具有一定的韧性和优良的等离子熔覆性，其价格适中，故选用 Ni60 做粘结材料，粒径-250～+400 目[8]。 根据对碳化物的研究，从 SiC、Cr3C2和WC三种碳化物粉末中选择性能最佳的配比， 分别为70% Ni60 和 30% SiC、90% Ni60 和 10% Cr3C2、70%Ni60 和 30%WC 制得金属陶瓷粉末。
1.2 测试方法
采用等离子加工技术，以 W6Mo5Cr4V2 为基体，喷涂 Ni60-SiC涂层、Ni60-Cr3C2涂层和 Ni60-WC 涂层，再利用等离子弧对喷涂表面进行重熔；同时对另一部分试样采用喷焊法获得喷焊层。
1.3 测试项目和内容
通过 XJG-05 金相显微镜，HX-1000TMLCD 型数字式维氏硬度计， 孔隙率分析软件、 能谱仪等方法，对不同工艺方法获得的涂层进行宏观、微观形貌观察，显微硬度分析。 同时使用动态热机械分析仪，TC-7000H 激光热常数测试仪对各种覆层的热应力参数：材料的热膨胀系数 、热传导系数 和比热容 C进行测试。
2 结果和讨论
2.1 宏观形貌
由图 1(a)可看出，喷涂后的涂层平整均匀，但是涂层表面粗糙，可以看到颗粒比较粗大。 图 1(b)是喷涂产生开裂的试样， 箭头所指的地方可以看到喷涂层表面开裂。 产生的原因是在等离子喷涂过程中，颗粒高速飞行，反复叠加，出现不规则和非连续的颗粒扁平薄层边界，形成空隙和金属氧化物；涂层中的氢会向薄层边界的缺陷处聚集，产生巨大的压力，从而产生微裂纹。由于陶瓷和金属材料本身物理参数的差别，在结合过程中产生应力，导致微裂纹的扩展产生开裂。
图 2 中为三种粉末重熔试样的宏观形貌。 可以看出试样中间都有一个很明显的“凹坑”，这是由于在重熔时， 试样中间位置在扫描加热过程中反复受热， 在等离子流的作用下， 本来就很薄的涂层被吹蚀，露出了基体表面。 重熔试样表面比较光亮，但不平整，还有黑色粉末，是涂层和基体中的碳过烧形成的。 比较图 1 和图 2，等离子喷涂层表面平整均匀，但是有粗糙的颗粒； 重熔层表面未烧蚀部分比较光亮，但表面并不平整，还有严重的“凹坑”。因此，热锻模模膛制备功能梯度层时， 喷涂工艺由于是层状结构，结合强度不高，是不适合的。
2.2 微观形貌
图 3 为三种粉末等离子喷涂试样的截面显微组织。 其共同特点就是涂层和基体之间有明显的粗糙的黑线，这对涂层和基体的结合强度不利。等离子喷涂涂层与基体的结合主要是以机械结合为主， 冶金结合为辅。 涂层中可以看到黑点，这是涂层的孔隙，在粒子撞击基体或者涂层的过程中卷入气体或者杂质形成。 基体和涂层的结合强度对涂层的使用性能很重要，如果涂层在使用过程中与基体脱落，那么涂层本身的性能就无法得到充分的利用。
图 4 是不同粉末等离子重熔时试样截面显微组织。 可看到涂层部分的组织都比较细密， 但是没有黑点，这是硬质相被烧蚀引起的。 基体对重熔部分都存在不同程度的稀释， 其中 10%Cr3C2重熔层的稀释率小，30%SiC 重熔层的稀释率居中，30%WC 重熔层的稀释率最大。 由于在重熔的过程中，不仅喷涂层部分发生熔化，基体表面也发生部分熔化。 喷涂层材料和熔化的母材一起构成熔池，在等离子焰的强热作用下相互作用。
图 5 为不同粉末等离子喷焊试样截面显微组织。 共同的特点是组织比较细密。 出现这种情况的原因是由于喷焊过程是一种快速加热和冷却的过程,晶粒生长的时间极为短暂,让晶粒没有足够的时间长大，起到了细晶强化的作用。 从图 5(a)中可看出， 在30%SiC 覆层部分有针状马氏体组织和黑色的硬质相，这些组织的存在使喷涂层硬度显著提高。在覆层和基体结合的地方有黑色增碳层， 显微组织图上表现为黑色比较深， 由交叉排列的板条状马氏体与大量的条状和块状碳化物组成。 增碳层由于碳化物的析出，硬度比较高。 图 5(b)、(c)的共同点是，涂层和基体之间有一条细的平面晶带，呈白亮色，由γ-Ni 平面细晶构成，证明喷焊层与基体之间形成了良好的冶金结合。 图 5(c)中可看到在接近基体和涂层分界线的地方可以看到黑色的颗粒， 这些是没有完全熔化的 WC 颗粒。 这是这些颗粒没有完全熔化参与反应，导致 WC 喷焊层的硬度与基体相比并没有显著的提高。
与喷涂层和重熔层相比可以发现， 喷焊层微观形貌最好，组织均匀，覆层和基体形成良好的冶金结合，还有硬质相的生成。因此，从微观形貌上来看，喷焊比喷涂、重熔要好。
2.3 显微硬度
图 6 为碳化物在喷涂、 重熔和喷焊三种方法中的显微硬度。 由图 6(a)可看出，30%SiC 和 30%WC喷涂层的硬度与基体相当，10%Cr3C2喷涂层硬度比基体低；图 6(b)中，重熔层的硬度比基体低，但是覆层中硬度按 30%WC 覆层→30%SiC 覆层→10%Cr3C2覆层的顺序依次降低。这和喷涂层的硬度排序相当。图 6(c)中，30%SiC 覆层及 10%Cr3C2覆层的硬度比基体高很多， 这两个喷焊层表面硬度均达到1100 HV，远大于基体的 820 HV。 30%WC 喷焊层变化比较平均，略高于基体硬度。
硬度是材料的重要性能指标。 对于金属陶瓷材料来说，加入陶瓷就是为了增加覆层的硬度，以提高材料的耐磨性。 那么这三种材料中选择 30%SiC 粉末和 10%Cr3C2粉末， 采用喷焊的方法获得的覆层满足硬度要求。
2.4 热膨胀系数
图 7 为碳化物试样在 600℃时的热膨胀系数。比较三种处理方法， 喷焊试样的热线胀系数与基体的热线胀系数值最接近，其次是等离子喷涂试样，重熔试样的热线胀系数和基体相比要偏大。 所以等离子喷焊试样的热线胀系数最符合要求。 热膨胀系数是所有热物性参数中对热应力最敏感的一个参数，所以也是热物性参数中应该重点考虑的一个参数。
比较三种喷焊试样的热线胀系数， 其中 30%SiC 覆层为 12.78×10-6K-1，30%WC 覆层为 13.30 × 10-6K-1，都比较满足和基体热线胀系数值相近的要求。
2.5 热传导系数与比热容
比较图 8 中的比热容这个参数， 所有的实测比热容都比理论比热容大。喷涂层的比热容比基体大，30%SiC 喷焊层的比热容也比基体大， 所以比较满足使用要求。图 9 中，所有实测热传导率的数值都比理论值小。 30%SiC 喷焊层热导率为 33.72W/m·K和 10%Cr3C2喷焊层的热导率为 28.92W/m·K，都比基体的热导率为 27.6W/m·K 大， 传热性能比基体好。 所以 30%SiC 喷焊层在比热容和热传导这两个参数上是最满足要求的。
3 结论
(1) 在等离子加工方法中，从宏观形貌、微观形貌、显微硬度和热物性参数上分析，采用等离子喷焊制备功能梯度材料热锻模比等离子喷涂、重熔要好。(2) 在碳化物选用中，10%Cr3C2喷焊层和理论值相差很大，不能作为最优配比材料；30%WC 喷焊层显微硬度没有达到预期效果， 不能作为最优配比材料；30%SiC 喷焊层实验效果比较好，并且和理论值很接近，所以是最优配比材料。
参考文献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
