氩弧熔覆制备WC颗粒增强涂层组织及性能研究
第３１卷第３期 ２０１１年０６月 矿冶 工程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖ０Ｉ．３１№３ Ｊｕｎｅ ２０１１
氩弧熔覆制备ＷＣ颗粒增强涂层组织及性能研究①
杨皓宇，杜晓东，叶诚，宋自立，李连颖
（合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽合肥２３０００９）
摘要：采用氩弧熔覆技术，在４５钢表面制备出ＷＣ颗粒增强的耐磨复合涂层。利用光学显微镜、ＳＥＭ、ＸＲＤ和ＥＤＳ分析了氩弧
熔覆层的显微组织和相组成，并测试了熔覆层的显微硬度和耐磨性能。结果显示，熔覆层枝晶中弥散分布ＷＣ和Ｗ Ｃ硬质相颗粒，
出现Ｆｅ（ｗ）固溶体和Ｍ ｃ型化合物，显微硬度最高可达１ ２７７．１ ＨＶ０．１，磨损试验中其磨损量是基体磨损最的１／６，熔覆层的良好
耐磨性能主要得益于末熔的ＷＣ颗粒。
关键词：金属表面处理；ＷＣ；氲弧熔覆；显微组织；硬度；耐磨性
中图分类号：ＴＧ１７４．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５３—６０９９（２０１１）０３一Ｏｌｌ１—０４
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｗｅａｒ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＷＣ・－Ｓｔｅｅｌ・－Ｂｏｎｄｅｄ
Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｂｙ Ａｒｇｏｎ Ａｒｃ Ｃｌａｄｄｉｎｇ
ＹＡＮＧ Ｈａｏ－ｙｕ，ＤＵ Ｘｉａｏ—ｄｏｎｇ，ＹＥ Ｃｈｅｎｇ，ＳＯＮＧ Ｚｉ—ｌｉ，ＬＩ Ｌｉａｎ－ｙｉｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ａｎｈｕｉ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｃａｒｂｉｄｅ—ｓｔｅｅｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｗａｓ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ４５ ｓｔｅｅｌ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ａｒｇｏｎ ａｒｃ
ｃｌａｄｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｗｅｒｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏ—
ｓｃｏｐｅ，ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＥＭ），Ｘ—ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＸＲＤ）ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ—
ｈａｒｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｗｅａｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｗｅｒｅ ｅｘａｍｉｎｅｄ ａｓ ｗｅｌ１．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ＷＣ ａｎｄ Ｗ２ Ｃ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｗｅｒｅ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｎｄｒｉｔｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ．Ｉｎ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ，ｔｈｅｒｅ ｗｅｒｅ Ｆｅ（Ｗ）ｓｏｌｉｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍ６Ｃ—ｔｙｐｅ
ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ．Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ—ｈａｒｄｎｅｓｓ ｗａｓ ｕｐ ｔｏ １ ２７７．１ ＨＶＯ．Ｉ．Ｔｈｅ ｗｅａｒ ｅｘｔｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｗａｓ Ｉ／６ ｏｆ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｂ—
ｓｔｒａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ｗｅａｒ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ ｇｏｏｄ ｗｅａｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｉｓ ｐｒｉｍａｒｉｌｙ ａｔｔｒｉｂｕｔｅｄ ｔｏ ｏｎ ｔｈｅ ｕｎｍｅｌｔｅｄ ＷＣ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｍｅｔａｌ；ＷＣ；ａｒｇｏｎ ａｒｃ ｃｌａｄｄｉｎｇ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｈａｒｄｎｅｓｓ；ｗｅａｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
高能束熔覆是改善金属表面性能的有效手段，近
年来得到了迅速的发展，激光熔覆、等离子弧熔覆等技
术已经应用于制备表面涂层，但这些设备费用高，操作
维护复杂，在应用上有很大局限性。相比较以上方法，
氲弧熔覆技术同样可以有效地提高熔覆材料表面硬
度，改善材料表面耐磨性，而且具有投资和１运行费用
低、操作方便、结合牢固等优点 －３ 。作为：镕覆材料，
硬度、熔点高的ＳｉＣ、ＷＣ、ＴｉＣ等是研究的热点，一般研
究都将其与ｌＮｊ、Ｃｏ等材料配合使用 －７］。ＷＣ与Ｆｅ
金属有良好的润湿性，因此，Ｆｅ完全可以作为粘结相
代替Ｎｉ、ｃｏ。本试验选用氩弧熔覆技术，在４５钢表面
熔覆ＷＣ粉末，并对组织性能进行分析，希望为其在耐
磨材料领域的应用提供参考。 １试验材料与方法
１．１试验材料
以４５钢为基材，制成５０ ｍｉｌｌ×３０ ｍｍ×８ ｍｍ试
块，表面用砂纸打磨，用无水酒精及丙酮清洗。熔覆材
料为颗径６～７ ｉｘｍ的ＷＣ粉末，形貌见图１。
１．２试验方法
用自制有机粘合剂将熔覆合金粉粘结成糊状，预
涂在经过处理后的试块上，厚度约为０．２～０。３ ｍｍ，然
后在于燥箱中自然干燥。对制得涂层采用氩弧熔覆方
法（ＧＴＡＷ），直流正接进行搭接烧熔，工艺参数见表
ｌ。熔覆完成后，用石棉包裹，并放人保温炉随炉冷却。
金相试样制样后，用ＭＭ６大型金相显微镜进行显
①收稿日期：２０１０—１ｌ－３０ 基金项目：科技部创新基金（０９Ｃ２６２１３４０４１７０） 安徽省教育厅自然科学重点项目（ＫＪ２００９Ａ０９４） 作者简介：杨皓字（１９８１一），男，江苏徐州人，硕士研究生，研究方向为高性能金属材料、耐磨材料。
通讯作者：杜晓东（１９６６一），男，安徽合肥人，教授，博士，研究方向为高性能金属材料、耐磨材料。 １ｌ２ 矿冶工程 第３１卷
图Ｉ ＷＣ颗粒初始形貌
表１熔覆工艺参数
微组织分析，观察熔覆层界面结合状况；用ＭＨ３型显微
硬度计测量熔覆层硬度以及熔覆层与基体结合区附近
硬度梯度，载荷为１００ ｇ，加载时问为１０ ｓ；用Ｄ／ｍａｘ．ＲＢ
型ｘ射线衍射仪（ＸＲＤ）结合能谱分析仪对涂层进行物
相鉴定；在ＭＭ一２００型环一块磨损试验机上进行磨损实
验，试样尺寸为８ ｉｎｌｎ Ｘ８ ｍｍ Ｘ３０ １，ｎｆｆｌ，对磨环为４５号钢
（４８～５３ＨＲＣ，Ｒａ＝１．６），磨环尺寸为￣Ｉ）４０ ｍｍ×１０ ｒａｉｎ。
摩擦磨损试验时间为６０ ｍｉｎ，载荷３００ Ｎ，运动线速度
为０．４１８ ｍ／ｓ；采用室温干滑动摩擦磨损方式。试验
前后将试样清洗干净，用精度为０．００１ ｇ的电子天平
称量试样，并计算质量损失：用ＦＥＩ—Ｓｉｒｉｏｎ２００型场发
射ＳＥＭ观察试样摩擦磨损表面形貌。
２试验结果与分析讨论
２．１ 氩弧熔覆层的显微组织
图２为氩弧熔覆ＷＣ增强涂层横截面的显微组
织，可以看出熔覆层组织呈现出垂直于结合界面逆热
扩散方向生长的特点，具有典型的定向凝固特征，熔覆
层底部的枝晶有明显的向基体伸展特征。过渡区无明
显气孔和裂纹等缺陷，涂层和基体的结合为完全的冶
金结合。靠近过渡区的地方为垂直于结合界面的平面
晶和胞状晶，熔覆区中部为树枝晶。通过ＳＥＭ（图３）
可以看出熔覆层中有大量弥散分布的岛状物或不规则
颗粒存在，还有一些枝晶结成的网络状组织，可以看出
Ｗ、Ｆｅ、Ｃ元素的分布情况，结合表２和ＸＲＤ图谱（图
４）分析可知：熔覆层中上述弥散分布的岛状物或不规
则颗粒为ＷＣ，网络状组织主要为Ｆｅ—Ｗ—Ｃ三元化合
物；复合涂层的主要组成相为ＷＣ、Ｆｅ（ｗ）固溶体、
Ｆｅ，ｗ。ｃ三元化合物，还有很少量Ｆｅ Ｗ Ｃ存在；按照 ｗ—Ｆｅ—Ｃ相图并结合ＸＲＤ图谱，主要组织为Ｏｔ－Ｆｅ（ｗ）
＋ＷＣ＋Ｍ６Ｃ（Ｆｅ３Ｗ３Ｃ）。
图２熔覆层的横截面光学显微照片
（２０ ｇ ＦｅＣ１３＋１５ ｍＬ ＨＣＩ＋１００ｍＬ Ｈ２Ｏ溶液腐蚀）
ＷＬａｌ 图３熔覆层面扫描图
表２图３中各点的ＥＤＳ分析（质量分数）／％
２Ｏ，（。） 图４熔覆层Ｘ射线衍射图
２．２氩弧熔覆层的结晶机理分析
从图１、图３可以看出，一些尺寸较大的ＷＣ颗粒 第３期 杨皓宇等：氩弧熔覆制备ＷＣ颗粒增强涂层组织及性能研究
在熔覆时，发生球化现象，这些轻度的烧损： 影响ＷＣ
的高硬度。在１ ２５０ ｏＣ时，ＷＣ在 一Ｆｅ中的最大溶解
度约为７％Ｌ Ｓ Ｊ，不规则ＷＣ颗粒尖角处和一些尺寸较
小的ＷＣ颗粒在熔覆过程中熔解。由于氩弧搅拌及重
力作用，Ｗ、Ｃ发生成分的重新分布，在熔池局部产生
ｗ或Ｃ的富集，在富Ｗ的地方，ｗ与Ｆｅ形成Ｆｅ（Ｗ）
固溶体合金，富Ｃ区中剩余的少量Ｃ会与Ｆｅ、ｗ结合
形成复杂碳化物或固溶于Ｆｅ中。从ＸＲＤ图谱（图４）
可以看出０【一Ｆｅ峰向小角度偏移，可以印证是少量ｗ
固溶人 一Ｆｅ形成仅一ｒｅ（ｗ）固溶体。由于氩弧加热时
间短，留给各元素扩散的时间不多，随后在冷却过程
中，ｗ可能会以Ｗ：Ｃ形式析出，也可能以ＷＣ形式原
位析出，或形成复杂的复式碳化物；还有部分ＷＣ颗粒
基本保持了原始粉料的状态。ＷＣ颗粒的存在可以大
大提高凝固过程的形核率，有效阻止了晶粒的长大，对
熔覆层有明显的细化晶粒作用；另外ＷＣ颗粒熔化并
随后在原位析出形成的碳化物也有利于形成新晶核，
阻止仅一Ｆｅ枝晶长大，因而对细化组织有利。
２．３熔覆层的硬度分析
图３（ａ）涂层组织中的ＷＣ颗粒，硬度为１ ２７７．１
ＨＶ０．１，外部黑色区域硬度为９３７．３ ＨＶ０．１。试样截
面的显微硬度分布曲线如图５所示，涂层硬度呈明显
阶梯分布。涂层表面硬度最高，在基体区显微硬度最
低，中间存在过渡区，梯度分布良好，随着与表层距离
的增加，硬度逐渐降低。表层的高硬度值来源于ＷＣ、
Ｗ Ｃ硬质相的强化作用以及呈弥散分布的细小颗粒
状的碳化物的弥散强化和细晶强化作用。过渡区硬度
变化较为平缓，但高于基体，这是由于此区溶入的ｗ、
Ｃ等合金元素起到了固溶强化作用。
孚 邑
器 ｝ 。 热影响区 基体
＾ ¨． ‘ ．．一～
０ ２５０ ５０Ｏ ７５０ １０００ ｌ２５０ １Ｓ００ １７ ５Ｉ ２０００ 与涂层表面的距离／／ａｍ 图５试样截面显微硬度分布曲线
２．４熔覆层的磨损性能及机理分析
２．４．１ 磨损试验结果 基体与熔覆层磨损试验结果
见图６。由图６可知，熔覆层的耐磨性明显优于基体
４５钢，其磨损量是基体磨损量的１／６。图７为试样摩
擦磨损特性曲线，可以看出磨损试验初期磨损量快速 增加，随着时间的延长磨损量逐渐减小，到４５ ｍｉｎ时
进入稳定磨损阶段，磨损量随时间延长增加缓慢。
昌 ｇ ＼ 删 辑 越
基体（４５钥） ＷＣ涂层一４５嗍
图６基体材料与熔覆层磨损量对比图（磨损１ ｈ后）
磨损时间／ｒａｉｎ
图７试样磨损量与磨损时间关系曲线
图８为ＳＥＭ观察到的磨损试验１ ｈ后的熔覆层表
面形貌（磨损试验前的熔覆层形貌见图３），可以看出
ＷＣ颗粒的磨损痕迹，大部分颗粒被磨损减薄，有的颗
粒甚至被磨穿，还可以看到有的ＷＣ大颗粒破碎成小
颗粒。图中并未观察到明显的ＷＣ颗粒脱落现象。
图８磨损１ ｈ后的熔覆层形貌
２．４．２磨损机理分析由于熔覆层组织致密，且粘结
相韧性较好，颗粒和基体结合良好，在磨损后没有出现
大量边界上碳化物颗粒的脱落和折断，因此磨损量较
激光熔覆WC颗粒增强复合涂层工艺与性能研究
第１９卷第２期 ２００８年４月 中原工学院学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＺＨＯＮＧＹＵＡＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖ０１．１９ ＮＯ．２ Ａｐｒ．，２００８
文章编号：１６７１—６９０６（２００８）０２—０００５—０３
激光熔覆ＷＣ颗粒增强复合涂层工艺与性能研究
李龙富 ，张三川 ，彭 楠
（１．郑州纺织机械股份有限公司技术部，郑州４５００５３；
２．郑州大学机械＿１２程学院，郑州４５０００１）
摘 要： 采用２Ｏ ＷＣ颗粒（重量比）作为镍基自熔合金的掺杂增强相，研究了该复合材料在送粉激光熔覆工艺条件
下的显微组织、显微硬度与熔覆工艺规范的关系，同时结合对熔覆层的结构进行分析，得出了较优的工艺规范．
关键词： 送粉激光熔覆；组织性能；复合涂层；颗粒增强
中国分类号：ＴＮ２４９；ＴＧ１７４．４ 文献标识码： Ａ
陶瓷粉末应用于激光熔覆是激光工业应用研究领
域中颇引人注目的方向之一．陶瓷是金属和非金属组
成的晶体化合物，其显微结构由晶体（主晶相）、非晶体
（玻璃相）、气相（气孔）组成，主晶相决定陶瓷的物理化
学性质，玻璃相为低熔点化合物，其作用是充填晶粒间
隙，粘结主晶相晶粒，抑制晶粒生长，降低成形温度和
改善工艺性能，获得致密涂层．以ＷＣ＿１ ］、ＴｉＣ＿３ 和
ＳｉＣ［ 等陶瓷颗粒为增强相，采用激光熔覆直接添
加＿６ 或原位合成＿３ 颗粒弥散增强的多相涂层能够集各
组成相材料性能长处于一身，具有独特的机械性能 ］．
该类涂层较非增强涂层具有更高的显微硬度、强度和
更加良好的耐磨性能，还具有增强相含量增加而使涂
层耐磨性随之显著增加的特性，是利用表面技术解决
摩擦学问题的极具前途的新热点方向．本文将镍包碳
化钨颗粒与镍基自熔合金复合，采用同步送粉方式研
究了该工艺操作下增强涂层的工艺优化问题，为颗粒
增强涂层制备技术应用提供参考．
试验材料与试验方法
试验采用ＴＪ—ＨＬ—ＴＳ０００型５ ｋＷ横流ＣＯ 激
WC增强高熵合金覆层摩擦磨损过程研究
WC增强高熵合金覆层摩擦磨损过程研究
摘 要：采用各种表面处理工艺对基体表面进行强化，能够获得提高耐磨性、延长使用寿命等良好效果。在高熵合金CoCrFeNiTiSi2中添加WC作为增强相，利用激光熔覆技术得到WC增强的高熵合金覆层。通过调节不同的电流大小以获得覆层金属中不同数目的WC增强相分布，并探究这些覆层的摩擦磨损性能。利用显微硬度实验、纳米压痕实验获得材料的力学属性，通过摩擦磨损实验获得材料真实的耐磨性能，利用扫描电子显微镜和光学显微镜获得材料微观组织及磨损形貌并分析其耐磨机理。结果表明：四组式样中，单位面积覆层的增强相颗粒数量从大到小依次为：180A、220A、300A、380A；高熵合金组织颗粒由粗到细依次为：220A、300A、180A、380A。覆层材料受到晶粒粗细和增强相数目的综合作用下，使得其磨损量排序为：300A>220A>380A>180A；摩擦系数的排序为：220A>180A>380A>300A。增强相的硬度是高熵合金基体的4倍以上，且其塑性差；高熵合金基体虽然质地较软，但具有一定的韧性。通过应力-应变曲线可以得出增强相为弹性材料，高熵合金为弹塑性材料，并通过曲线得出高熵合金的塑性参数。
关键词：激光熔覆；WC增强相；摩擦磨损；力学性能
Study on Friction and Wear Process of WC Reinforced High Entropy
Alloy Coatings
Duan Junjie1, Gu Junfei1, Ni Yuxing 2, Su Fengyuan3
(1. Pourin Special Welding Technology Co., Ltd., Jiangmen, 529728; 2. School of Materials
Science and Technology, Harbin University of Technology, Weihai 150000; 3. School of Chemical
WC颗粒增强耐磨材料的研究现状
WC颗粒增强耐磨材料的研究现状
哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室(150001) 赵敏海 刘爱国 郭面焕
摘要 综述了WC颗粒种类、WC颗粒粒度、百分含量等对WC颗粒增强复合材料耐磨性能的影响研究现状以
及常用的WC颗粒增强材料的制备技术。
关键词: WC颗粒粒度 耐磨性能 制备方法
RESEARCHONWCREINFORCEDMETALMATRIXCOMPOSITE
StateKeyLaboratoryofAdvancedWeldingProductionTechnology,HIT ZhaoMinhai,LiuAiguo,
GuoMianhuan
Abstract ItwassummarizedthattheinfluenceofWCparticlekinds,WCparticlecontent,WCparticlesizeonthe
wear2resistingpropertyofWCreinforcedmetalmatrixcompositeandsomepreparationmethodsofWCreinforcedmetalma2
trixcompositewerealsointroduced.
Keywords: WCparticlesize, wear2resistingproperty, preparationmethods
0 前 言
磨损和腐蚀是工业领域中造成材料和能源损失的
重要原因。据统计,由磨损造成的损失约占能源消耗
的1/3至1/2,材料报废的80%。陶瓷具有高的硬度,
高的耐磨、耐蚀、耐热和抗高温氧化性能。陶瓷颗粒增
强金属基复合材料首先是作为耐磨、耐热和耐蚀材料
被开发和应用。因此,耐磨性始终是其重要的性能之
一。WC颗粒具有高熔点、高硬度及良好的稳定性,碳
化钨颗粒与铁基金属的润湿角为零,而且与其他金属
陶瓷颗粒(如碳化钛等)相比易于获得,因此WC颗粒
增强复合材料越来越受到人们的重视,得到广泛的应
水轮机叶片氩弧熔覆WC涂层的组织和性能
水轮机叶片氩弧熔覆WC涂层的组织和性能
魏仕勇;付青峰;张友亮
【摘 要】采用氩弧熔覆法对用于水轮机叶片的45碳钢进行WC涂层表面强化处理.利用扫描电镜、XRD、显微硬度计和磨损试验机对未熔覆涂层和熔覆WC涂层的45碳钢进行组织和性能分析.结果表明,氩弧电流对涂层表面形貌产生影响,电流为100 A时表面形貌最均匀.涂层组织除了稳态相Fe、WC外,还出现亚稳态W2C、Fe6W6C相.与未熔覆涂层相比,熔覆WC的碳钢表面显微硬度,磨损强度等性能显著提高.
【期刊名称】《热处理技术与装备》
【年(卷),期】2015(036)006
【总页数】5页(P16-20)
【关键词】氩弧熔覆;水轮机叶片;WC涂层
【作 者】魏仕勇;付青峰;张友亮
【作者单位】江西省科学院铜钨新材料重点实验室,江西南昌330029;江西省科学院铜钨新材料重点实验室,江西南昌330029;江西省科学院铜钨新材料重点实验室,江西南昌330029
【正文语种】中 文
【中图分类】TG174.444
我国虽然是水力资源丰富的国家，但大部分河流水质却很差，尤其是小型河流，随着环境恶化(如水土流失，化学物品排放等)，导致河流中泥沙含量和腐蚀性偏重。在这种环境下运行的水轮机机组，尤其是水轮机叶片不可避免地会遭受到气蚀或磨蚀的破坏。全国每年因磨蚀问题而导致水轮机组更换、停机或检修造成的损失达数十亿元［1］，这严重制约着水电站的健康生产。因此，解决水轮机机组磨蚀，尤其是水轮机叶片的磨蚀问题十分迫切。
目前，解决水轮机叶片抗磨蚀破坏主要有两种方法：一种是通过改变叶片的造型结构来提高叶片的流通性能;另外一种方法是运用耐气蚀、抗磨蚀性能强的材料作为叶片的加工材料。从目前的应用来看，改变结构这种方法主要针对较大型的混流式和轴流式水轮机［2-3］，但对中小型水轮机的抗磨蚀效果并不明显。而第二种方法对提高水轮机叶片的抗磨蚀性是有一定成效，但抗磨蚀性能好的材料(如0Cr13Ni4Mo，硼不锈钢等)却存在加工难，成本高等缺点，无法大面积推广应用。
氩弧熔覆层组织与性能的研究
脉冲频率对TiC/Fe氩弧熔覆层组织与性能的研究
内容摘要：
利用表面改性技术，在磨损部件表面熔覆具有较高耐磨性的金属基复合材料涂层成为高磨损领域修复部件、延长零件使用寿命的重要途径。本文利用钨极氩弧作为热源，熔覆预涂在普通低碳钢表面的合金粉末，制备出TiC增强的铁基复合材料熔覆层,并对熔覆层的微观组织、硬度、相组成及磨损性能等进行了系统分析，研究了影响熔覆层组织及性能的因素及规律。
合金粉末成分、预涂层厚度、焊接电流、熔覆速度、熔覆层数等影响熔覆层的成形和耐磨性能。根据熔覆粉末的熔点不同以及以往实验累积的经验,熔覆采用直径为3.0mm含2%钍钨极,电流140~160A,电压15~20V,氨气流量8L/min(氣气纯度大于99.9%),熔覆速度以看到明显的熔池为准。本文主要研究各合金粉末熔覆层的组织、硬度和耐磨性，预涂合金粉末组分是钨极氢弧熔覆原位合成颗粒增强铁基熔覆层的关键。研究结果显示所得熔覆层具有良好成形，均无裂纹、气孔等缺陷，并与母材界面结合良好。
关键词：表面改性、熔覆、铁基复合材料、钨极氢弧。
前言：
金属基复合材料综合了金属基体的高延展性、高韧性和增强相的高强度、高模量等优点，具有高强度、高刚度和高耐磨及耐高温等优良特性，在航空航天、军工、汽车和光学等工业领域具有十分广阔的应用前景[1]。采用高能密度热源进行表面熔覆工艺使一种或多种元素在金属表面快速熔化并冷却凝固以获得熔覆层,可提高金属表层硬度和耐磨性,改善其表面性能。表面熔覆技术综合了表面涂层技术和复合材料技术的优势，既能充分发挥出基体材料的强度、韧性优势，使表面获得较高的耐磨性，并且耐磨层和基体为冶金结合，从而又使整体性能获得大幅度提升[2]。
目前国内外常用的表面熔覆技术主要有: 堆焊、钨极氩弧熔覆、激光熔覆、等离子熔覆等，这些表面熔覆技术获得的表面涂层与基体结合良好，厚度适中，因而被广泛应用于工业生产中。另外,虽然热喷涂技术得到的表面强化层具有结合强度较低和深层多孔性的缺点，但它的诸多优点使其也被广泛应用于各个领域[3]。
双层WC颗粒增强铁基体复合熔覆层的组织和性能研究
双层WC颗粒增强铁基体复合熔覆层的组织和性能研究
叶诚;杜晓东;李连颖;杨皓宇;宋自力
【期刊名称】《表面技术》
【年(卷),期】2011(40)3
【摘 要】采用氩弧熔覆(GTAW)技术在45号钢表面制备了双层WC颗粒增强铁基体复合涂层,通过SEM,XRD和EDS分析了熔覆层的显微组织和相组成,并测试了熔覆层的显微硬度。结果表明:双层复合熔覆层内未见明显裂纹、夹杂等缺陷,与基体呈冶金结合;熔覆层的显微组织由未熔WC颗粒、灰色等轴状初晶和鱼骨状共晶碳化物组成;复合熔覆层的显微硬度由表及里先增加后降低,在近表面出现峰值,高达1
600HV0.2,约为基体硬度的5倍。
【总页数】5页(P22-25)
【关键词】WC;氩弧熔覆;铁基体熔覆层;组织;硬度
【作 者】叶诚;杜晓东;李连颖;杨皓宇;宋自力
【作者单位】合肥工业大学材料科学与工程学院
【正文语种】中 文
【中图分类】TG174.442
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4.送粉方式对WC颗粒增强铁基熔覆层的影响 [J], 金绍彤;杜晓东;钟一鸣;吴刚
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不同含量WC_颗粒增强激光熔覆截齿涂层性能研究
表面技术 第52卷 第9期 ·408· SURFACE TECHNOLOGY 2023年9月
收稿日期：2022-08-14；修订日期：2022-11-10 Received：2022-08-14；Revised：2022-11-10 基金项目：中央引导地方科技发展资金（YDZJSX2021B003）；国家自然科学基金（52105473）；山西省基础研究计划（20210302124050，20210302124121）；山西省创新平台基地建设专项（202104010911007） Fund：Central Government Guided Local Development Foundation (YDZJSX2021B003); National Nature Science Foundation of China (52105473); Shanxi Provincial Research Foundations for Basic Research (20210302124050, 20210302124121); Special Project for the Construction of Shanxi Provincial Innovation Platform Base (202104010911007) 引文格式：刘东刚, 梁国星, 郝新辉, 等. 不同含量WC颗粒增强激光熔覆截齿涂层性能研究[J]. 表面技术, 2023, 52(9): 408-419. LIU Dong-gang, LIANG Guo-xing, HAO Xin-hui,, et al. Properties of Laser Cladded Coating on Pick with Different Content of WC Particles[J]. Surface Technology, 2023, 52(9): 408-419. 不同含量WC颗粒增强激光熔覆
氩弧熔覆wc颗粒增强复合涂层中碳化物状态控制
不同粒度的熔覆颗粒；第二种通过熔覆多层的方法；第三种通过加入稀土元素
的方法；第四种通过后送粉方式氩弧熔化—注射技术，来制备颗粒增强表层复
合材料。本课题的理论意义和应用价值体现在：
（1）氩弧熔覆设备简单，操作方便，工艺比较成熟，得到广泛应用。氩弧
的特点是热量集中，能量密度适中，在氩气保护下工作，几乎无氧化、烧损现
象。另外使用氩弧，可以极大的降低成本，可应用于小面积的强化与修复，但
氩弧的有效作用面积有限，所以可采用多道搭接的方式来处理大平面。
（2）WC颗粒具有高熔点、高硬度（HV2400）及良好的稳定性，碳化钨
颗粒与铁基体金属的润湿角为零，因此WC作为增强颗粒的应用价值非常突
出，发展WC颗粒增强表面复合材料的趋势越来越受到人们的重视和青睐。
（3）我国稀土资源丰富，充分利用稀土资源和稀土的特性，研制含稀土的
产品，扩大稀土的应用领域，具有十分重要的意义。
1.1 国内外相关领域发展概况
铁基体表面耐磨复合材料中的颗粒，主要是通过阻止或减小磨料对基体的
显微切削和犁沟变形的方式来提高材料的耐磨性，因而增强颗粒必须具有高硬
度和高模量，陶瓷颗粒正好满足，常用的陶瓷颗粒有WC、TiC、SiC、TiN、
ZrO
2、Al
2O
3等碳化物、氧化物、氮化物[11]
。其中以WC应用最多，主要是因
为WC与铁液为完全浸润，且价格适中，因此WC颗粒增强复合材料越来越受
到人们的关注，并得到了广泛的应用。
3
图1-1 表面工程技术的树枝状分类
图1-1显示了表面工程技术的树枝状分类。目前常用的表面熔覆技术有：
等离子熔覆、激光熔覆、堆焊、热喷涂、钨极氩弧熔覆等。这些表面熔覆技术
由于能获得与基体结合良好，厚度适中的表面涂层而被广泛应用于手工业生产
中[12-13]
。
1.1.1等离子熔覆技术
等离子熔敷或堆焊技术是以联合型或转移型等离子弧为热源，熔化合金粉
末或者焊丝作为填充金属来制备熔敷层[24-25]
。
国内外对采用等离子熔敷方法制备耐磨涂层的研究较多，如王惜宝[26]
氩弧制备熔覆层的性能及分析
科技信息 高校理科研究 蓊弧制备熔覆层硇Ⅱ生链及分析 兰州交通大学机电工程学院 白军郑州市郑东新区热电有限公司 金刘锋 ［摘要］循环流化床锅炉水冷壁管高温 中蚀磨损是目前阻碍循环流化床锅炉发展的主要技术难题。现在Ａ－４Ｊ＇３重点研究其磨损机理 及有效的防磨措施。本文先分析了循环流化床锅炉水冷壁管磨损的失效机理，采用电弧喷涂合金涂层，并使用氩弧重熔技术制备得 到了具有冶金结合的耐磨涂层，并对涂层进行了硬度实验及分析，高温冲蚀磨损试验及分析，显微组织分析。分析表明：熔覆层表面 硬度高达１２００ＨＶ，组织均匀，与基体之间 台金结合，并表明熔覆层的硬度是２０Ｇ铜的６～７倍，耐高温冲蚀性能为２０Ｇ钢的２．５～４ 倍。涂层的磨损行为介于塑性和脆性磨损之间，并以塑性磨损为主，具有良好的抗高温冲蚀磨损性能。 ［关键词］循环流化床锅炉 失效机理合金涂层 熔覆层硬度 高温 中蚀磨损 组织分析 能源与环境问题成为现行社会发展必须解决的问题，越来越多的 人已经认识到它的重要性。燃煤发电在我国电力发电中占有很重要的 地位和作用，全国发电用煤占煤炭总消费量的ｌ，３” ，燃煤发电约占全国 总发电量的７０％ 左右。由于我国的煤炭资源很多为低劣质煤，普通工 业锅炉受燃烧方式的限制，燃烧效率比较低，而且有害气体的排放不能 得到有效的控制，从而造成严重的资源浪费和环境的污染。循环流化 床锅炉是为了解决大气污染严重，能够有效燃烧低热量的煤质，而得到 快速发展的一项燃煤技术。它有着一系列的优点，它所燃烧的燃料广 泛，能够燃烧包括低劣质煤和一些固体垃圾，燃烧效率相对于煤粉炉来 说，效率要高一些，而且具有脱硫效率高、氮氧化物排放量低、负荷调节 范围大等多方面的优点 。 循环流化床锅炉的燃烧方式与传统的工业锅炉不同，它是由高速 喷射的气流带动固体燃料在炉膛内循环燃烧，并经过燃料分离设备和 再循环设备将燃料送返炉膛来达到高效燃烧的目的。然而因为其特有 的燃烧方式，导致了内部受热面磨损加快，当受热面磨损到一定程度时 就必须停炉检修，从而造成重大的经济损失。因此，必须采取一种积极 而有效的防磨损、抗磨损的措施来延长锅炉受热面管的使用寿命，确保 电厂的经济效益得到提高。 现某电厂３００ＭＷ循环流化床锅炉所用的水冷壁管材质为２０Ｇ 钢。服役温度为３５０—４００％左右，而炉膛内水冷壁面烟气温度则高达 ８４０～９６０￣Ｃ。在循环流化床锅炉底部密相区高度段含有大量的Ｈ ｓ和 ｓＯ ，氧气含量不足，在这种还原性气氛的存在下，加剧了水冷壁管的腐 蚀。总的来说水冷壁管所处的环境是十分恶劣的，既有煤粉颗粒的冲 蚀又有各种气体的腐蚀。磨粒磨损和腐蚀磨损是循环流化床锅炉水冷 壁管的磨损失效机理的主要表现，而在高温的工况下水冷壁管的磨损 变得更加严重。为了达到改善表面性能的目的，现采用热喷涂的方法 （热喷涂是利用热源将喷涂材料加热熔化或软化，靠热源的动力或外加 的压缩气流，将熔滴雾化并推动熔粒成喷射的粒束，以一定的速度喷射 到基体表面形成涂层的工艺方法［５１）将管材喷上一层特殊的涂层，然后 再通过氩弧重熔的方法使涂层能够重熔结晶。 然而因实验室条件的限制，本文只好在大气的环境下，从磨粒磨损 和高温冲蚀磨损的角度对水冷壁管的磨损做定性的分析。 １．熔覆层设计、制备方法、熔覆实验 采用的氩弧熔覆设备为：氩弧熔覆选用时代ＷＳＥ一３１５型数字式电 焊机。基体材料：２０Ｇ管材。涂层化学成分为：熔覆合金粉末为均匀混 合粉末，其名义成分为（ａｔ．％）Ｆｅｓ ｃ 。Ｎｉ Ｔｉ Ｓｉ Ｍｎ，Ｎｂ Ｂ。 ９，粉末粒径 范围１００～４００目，纯度范围９８％～９９．９％。混合粉末用奥氏体不锈钢包 裹，拉拔成直径为１．８ｍｍ的丝材。 为保证喷涂涂层的良好结合，氩弧熔覆前基体材料要做严格的处 理，为重熔创造良好的基础。基材表面处理采用喷砂打磨方式，要求表 面产生足够大而多的毛刺，同时表面无油污，保证涂层能够结合牢固。 ２．熔覆层性能检测及结果 ２．１显微硬度试验及硬度分析 图１硬度测试取点示意图 取涂层断面截面和基体断面为硬度实验面，经过除污、金相抛光等 使样品达到实验要求，测量硬度所加载的载荷为６００ｇ，加载时间为 ２０ｓ。取点为四列矩阵式分布，分别沿涂层外表面向与基材结合面纵向 方向和平行于涂层表面横向方向取点，纵向间隔０．２ｍｍ，横向间隔 ０．５ｍｍ，如图１为取点示意图。 然后横向方向四个点再取平均值，绘出五条硬度曲线，充分验证重 熔前后涂层硬度变化。 ２．２熔覆层的耐磨性能试验及耐磨性能研究 试验设备采用全军装备维修表面工程中心研制垂直气一砂喷射式 高温冲蚀磨损试验装置，该设备为模拟燃煤电站锅炉的省煤器和一级 过热器承受燃气飞灰磨粒冲蚀磨损工况下的垂直气一砂喷射式高温冲 蚀磨损试验装置 。 试验温度为９００℃，选取７０—１１０目的石英砂为磨粒，冲蚀速度为 ６５ｒｎ／ｓ，气压０．１ＭＰａ，分别选用４５。、９０。的冲蚀角度对每个样块冲蚀６次， 每次所使用的白刚玉质量为８０ｇ。本实验主要利用试验机在实验室内 对涂层氩弧重熔前后进行试验，试验结果只能定性的分析涂层和基体 的耐高温冲蚀性能。图２、３分别为８００￣Ｃ的情况下，选用４５。、９（】ｃ冲蚀 角对熔覆层冲蚀的结果。
真空熔覆WC颗粒增强复合涂层中WC溶解行为的研究
５６ 材料工程／２００８年９期
真空熔覆ＷＣ颗粒增强复合涂层中ＷＣ溶解
行为的研究
Ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ＷＣ ｉｎ ＷＣ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ
Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｃｏａｔｉｎｇｓ
王智慧，杨爱弟，张田，贺定勇
（北京工业大学材料科学与工程学院，北京１００１２４）
ＷＡＮＧ Ｚｈｉ—ｈｕｉ，ＹＡＮＧ Ａｉ—ｄｉ，ＺＨＡＮＧ Ｔｉａｎ，ＨＥ Ｄｉｎｇ—ｙｏｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，
Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１２４，Ｃｈｉｎａ）
摘要：研究了真空熔覆条件下三种不同成分镍基ＷＣ复合涂层中ＷＣ颗粒的溶解行为。结果表明：Ｎｉ６０Ａ－ＷＣ复合涂
层中，ＷＣ的溶解从边缘发生，以复合碳化物Ｆｅ ｗｓｃ的析出为主；Ｎｉ２５Ｂ－ＷＣ复合涂层中，ＷＣ溶解方式表现为整体的
“疏松分离”、部分ＷＣ的桥接及团聚；Ｎｉ２２ＡＡ—ＷＣ复合涂层中，ＷＣ仅发生局部的疏松溶解。ＷＣ中ｗ，Ｃ和基体中ｗ，
ｃ含量的浓度差大，基体中ｃｒ，Ｆｅ含量高，都会加速ＷＣ颗粒的溶解行为。
关键词：ＷＣ；镍基；溶解；真空；涂层
中图分类号：ＴＧ４５５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－４３８１（２００８）０９—００５６—０４
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ＷＣ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｎｉｃｋｅｌ ｍａｔｒｉｘ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ
ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｃｃｕｒｓ ａｔ ｔｈｅ ｒｉｍ ｏｆ ＷＣ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｅ６ Ｗ６ Ｃ ｉｎ Ｎｉ６０Ａ—
ＷＣ ｃｏａｔｉｎｇｓ；ＷＣ ａｒｅ ｌｏｏｓｅｌｙ—ｓｅｐａｒａｔｅｄ，ｂｒｉｄｇｅ—ｂｏｎｄｅｄ ａｎｄ ｒｅｕｎｉｔｅｄ ｔｏ ｃｏａｒｓｅ ｃａｒｂｉｄｅ ｇｒｏｕｐｓ ｉｎ