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江蘇激光聯(lián)盟導(dǎo)讀：

本文主要介紹在H13表面進(jìn)行激光重熔、熔覆Stellite6和Stellite 6 + 30 wt% WC后的顯微組織和高溫下的磨料磨損性能。

摘要

研究的目的是分析H13鋼表面激光熔覆Stellite6和Stellite 6 + 30 wt% WC的高溫磨料磨損的對(duì)比行為。三體磨料試驗(yàn)在室溫、450℃、550℃和650℃下進(jìn)行。進(jìn)行了顯微組織演變、顯微硬度，還研究了磨損表面形貌和機(jī)理以及激光表面改性過(guò)程中形成的各種相。H13鋼表面的激光重熔將其室溫顯微硬度增加到750±35 HV 0.01，而Stellite 6粉末的激光熔覆在熔覆層中產(chǎn)生大約600±20 HV 0.01的硬度；Stellite 6/WC復(fù)合鍍層的硬度略高于基體中的Stellite 6涂層在零星分布的WC顆粒處，硬度高達(dá)3000 HV0.01。盡管激光重熔H13表面的室溫顯微硬度最高，但其體積磨損量與Stellite 6熔覆層相當(dāng)。然而，Stellite 6/WC復(fù)合層的體積損失相對(duì)較小，因?yàn)閃C顆粒能抵抗磨粒磨損。隨著溫度的升高，激光重熔表面的磨損量快速增加，而Stellite 6和復(fù)合材料熔覆層的磨損量變化不大，沒(méi)有明確的趨勢(shì)上的差別?？偟膩?lái)說(shuō)，在目前的溫度范圍內(nèi)，Stellite 6/WC復(fù)合材料覆層的性能優(yōu)于其他覆層。

 

1.背景介紹

AISI H13鋼是一種鉻鉬熱加工工具鋼，廣泛用于鍛造、擠壓、壓制和鑄造模具等高溫應(yīng)用，這是由于該合金其固有的特性，如良好的抗熱疲勞性、耐腐蝕性和耐磨性。為了提高使用壽命，防止它們?cè)趷毫拥墓ぷ鳁l件下過(guò)早失效，非常需要對(duì)這些部件進(jìn)行表面改性。在各種表面改性技術(shù)中，H13工具鋼的激光表面改性，包括重熔、合金化、表面硬化或用不同種類(lèi)的材料(包括陶瓷復(fù)合材料)進(jìn)行制備涂覆層，近年來(lái)引起了廣泛關(guān)注。這是因?yàn)榕c其他更常規(guī)的方法相比，它具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，如控制改性層深度的局部處理、低熱輸入和最小熱影響區(qū)的零件變形、快速處理和更好的工藝控制。

激光表面重熔已被報(bào)道在H13工具鋼的顯微硬度、耐磨性、熱疲勞性和耐腐蝕性方面引入了顯著的改進(jìn)。Lee等人使用進(jìn)行激光表面重熔進(jìn)行處理，并報(bào)道重熔區(qū)的硬度增加兩倍。特拉桑等人研究了使用具有矩形光束的二極管激光器對(duì)AISI H13進(jìn)行激光表面改性時(shí)激光功率的影響。他們報(bào)道了屈服強(qiáng)度、顯微硬度、抗滑動(dòng)和抗微動(dòng)磨損性的顯著改善，以及耐腐蝕性的微小增加。最近，使用高速鋼和H13鋼的粉末混合物開(kāi)發(fā)了增材制造工藝來(lái)構(gòu)建H13鋼的高合金元素層，以改善機(jī)械和摩擦性能。有人在最近的另一項(xiàng)工作中比較了H13模具鋼與通過(guò)激光表面熔化(LSM)和激光熔覆(LC)處理的仿生非光滑表面的熱疲勞行為，并報(bào)告了在熱疲勞試驗(yàn)中，LC試樣比LSM試樣具有更好的抗熱循環(huán)軟化性能。

由于激光增材制造或使用不同類(lèi)型的表面硬化材料(例如鈷基合金、鎳基合金和鐵基合金)的表面覆層可以一起改善H13鋼的表面特性，該工藝已經(jīng)廣泛用于改善鍛模的高溫疲勞和磨損特性，并且還用于修理磨損零件。在各種覆層材料中，添加了鉻、碳、鎢和/或鉬的鈷基Stellite 因其優(yōu)異的高溫耐磨性和良好的耐腐蝕性而被廣泛用于表面硬化應(yīng)用。在不同的Stellite 中，Stellite 6非常受歡迎，因?yàn)樗芎芎玫胤塾跉馕g、滑動(dòng)磨損、磨蝕、腐蝕和擦傷性能的場(chǎng)合。各種各樣的方法被用于表面硬化，包括不同的焊接方法，HVOF等，激光輔助冷噴涂，以及激光熔覆。

在這些方法中，激光熔覆工藝對(duì)稀釋度和層厚具有相對(duì)較好的控制，并且具有優(yōu)異的冶金結(jié)合。此外，該方法還適用于沉積梯度組成的多層熔覆中，控制基底和沉積層之間的殘余熱應(yīng)力，這種殘余熱應(yīng)力可能由于它們不同的熱物理性質(zhì)而產(chǎn)生。此外，激光熔覆工藝被廣泛用于沉積金屬基復(fù)合涂層，以定制不同材料的有利性能。有研究報(bào)道了通過(guò)與硬質(zhì)WC顆?；旌蟻?lái)改善Stellite 6的硬度、耐磨性和耐腐蝕性。有學(xué)者研究了Stellite 6復(fù)合材料激光熔覆中WC含量從0%變化到90%的影響報(bào)道了磨料磨損率的急劇下降約至25% WC，然后隨著WC含量的進(jìn)一步增加而逐漸衰減。

Bartkowski等人研究了Stellite 6/WC金屬基復(fù)合材料涂層的激光熔覆，其WC含量在30-60wt %之間變化，并報(bào)道了在最高WC含量下最大硬度高達(dá)1500 HV。雖然顯微硬度和耐磨性隨著WC含量的增加而增加，但熔覆層更容易出現(xiàn)微裂紋和腐蝕。這是由于Stellite 6和碳化鎢的熱物理性質(zhì)有很大的差異，也是因?yàn)闅堄嗬瓚?yīng)力集中在金屬中的碳化鎢顆粒周?chē)⑶译S著WC含量的增加而增加。

圖0 工模具中不同類(lèi)型的損傷（上圖）及激光熔覆示意圖。

盡管H13在高溫下受到關(guān)注和應(yīng)用，但在評(píng)估激光處理H13在這些極端高溫條件下的表面性質(zhì)方面，公開(kāi)報(bào)道的研究工作非常有限。最近，有學(xué)者報(bào)道了在H13鋼上具有不同濃度的12 wt%共涂覆和未涂覆WC顆粒的Stellite 6 MMC涂層的性能，并比較了它們?cè)?00°C溫度下的磨損特性。此外，據(jù)作者報(bào)道以前的工作，有趣的是觀察到激光重熔的H13在室溫下可能比Stellite 6具有更高的硬度，但在熱循環(huán)中可能無(wú)法保持。然而，對(duì)高溫下激光重熔、激光熔覆Stellite 6及其金屬基復(fù)合涂層等各種激光表面處理H13之間的綜合比較研究在文獻(xiàn)中還很少。因此，本研究旨在調(diào)查和比較磨損情況H13鋼經(jīng)激光重熔和Stellite 6及Stellite 6 + WC復(fù)合涂層處理后的高溫性能。

  

圖1 (a)Stellite 6，(b)碳化鎢，(c)Stellite 6和30%碳化鎢(BSE模式)粉末的混合物，以及(d)石英砂磨粒的形態(tài)。

 

圖2 粒度分布(a)Stellite 6和(b)碳化鎢的粒度分布圖 。

圖3.H13基體、Stellite 6和WC粉末的XRD圖

 

2.結(jié)果和討論2.1.激光重熔和熔覆樣品的表征

2.1.1.表面形態(tài)

激光重熔H13、Stellite 6和Stellite 6/WC復(fù)合涂覆層頂面的SEM圖像分別如圖所示圖4(a)、(b)和(c）。激光重熔和Stellite 6熔覆表面沒(méi)有微裂紋，但復(fù)合層中有明顯的微裂紋。圖 4(d)顯示了揭示W(wǎng)C顆粒(亮/白色顆粒)的復(fù)合包覆層的背散射電子圖像。WC復(fù)合熔覆層中的裂紋是由于熔覆層中WC顆粒附近的殘余拉應(yīng)力集中造成的，這是因?yàn)榛w和WC顆粒之間的熱膨脹系數(shù)不匹配。Stellite 6的熱膨脹系數(shù)比WC顆粒的熱膨脹系數(shù)高約3倍。Zhong等人也報(bào)道了類(lèi)似的裂紋，在Stellite 6/WC涂層中WC含量大于27%時(shí)。Qang等人也報(bào)道了WC含量為20和30wt%的Stellite 6/WC覆層中的微裂紋。

然而，Bartkowski等人報(bào)告了在其Stellite 6/WC涂層中的裂紋中，WC含量分別為30%和60%。在所有這些研究中，對(duì)每單位涂層體積的激光能量(即體積能量密度P/vdh，其中h是涂層高度)的估計(jì)似乎表明，隨著其數(shù)量的增加，出現(xiàn)裂紋的可能性趨于降低。隨著體積能量密度的增加，熔池體積趨于增大，溫度梯度和冷卻速率趨于減小，這降低了殘余熱應(yīng)力。但是，在較高的體積能量密度下，WC顆粒的溶解傾向于增加，從而降低了初生WC的含量影響顯微硬度和磨損特性。在目前的研究中，體積激光能量密度約為78 J/mm3，而在Bartkowski等人的工作中，使用的激光為1030 nm波長(zhǎng)和TEM00模式的Yb:YAG圓盤(pán)激光器時(shí)，估計(jì)大于100 J/mm3。

圖４激光 (a) 重熔H13 表面, (b) Stellite 6 和(c) Stellite 6/WC 復(fù)合涂層所得到的表層的SEM照片，其中(d)  為(c)圖的BSE模式

三種激光改性表面的2D表面輪廓如圖所示圖5。因?yàn)樵诩す庵厝壑袥](méi)有添加外粉末，所以與Stellite 6和Stellite 6/WC復(fù)合覆層相比，重熔的表面更光滑，Stellite 6和Stellite 6/WC復(fù)合覆層具有不規(guī)則的波紋，疊加有低振幅尖峰，這是由于部分熔化的粉末顆粒嵌入在表面上造成的。對(duì)應(yīng)于這些涂層的Ra和Rz參數(shù)表示在中圖5。

圖5 激光重熔H13、熔覆Stellite 6和Stellite 6/WC復(fù)合涂層的表面輪廓。  

 

圖6 激光重熔后H13鋼的顯微組織：(a)多道重熔層的橫截面圖像以及(b)重熔區(qū)，(c) HAZ，(d)基體的微觀結(jié)構(gòu)。

  

圖7激光熔覆Stellite 6涂層時(shí)的顯微組織：(a)多道涂層，(b)靠近基底界面的涂覆層，(c)涂覆層的中部，(d)靠近兩個(gè)純Stellite 6涂覆層軌跡之間的界面?！?/p>2.1.2.激光重熔和熔覆表面的微觀結(jié)構(gòu)

由多個(gè)重疊軌跡形成的激光重熔層的不同區(qū)域的橫截面顯微照片如圖 6。重熔層在橫截面上由三個(gè)區(qū)域組成，即頂部重熔區(qū)、熱影響區(qū)(HAZ)和未受影響的基體。在以前對(duì)激光重熔層的顯微組織特征和硬度的研究中，作者報(bào)道了重熔區(qū)具有由針狀或板條狀馬氏體和一些殘余奧氏體相組成的胞狀和樹(shù)枝狀顯微組織冷卻速率，通常在5–10×10exp(3)攝氏度/秒范圍內(nèi)。該區(qū)域有M23C6和M7C3型(M= Cr，F(xiàn)e)碳化物沉淀。發(fā)現(xiàn)重熔區(qū)和HAZ明顯比未處理時(shí)的基體更硬，這將在隨后的章節(jié)中討論。

搭接軌跡沉積形成的激光Stellite 6覆層的橫截面顯微照片如圖7。Stellite 6熔覆層的顯微組織由Co固溶體的枝晶和在Co和Cr基體的枝晶間區(qū)域析出的碳化物組成。但是根據(jù)三個(gè)不同的位置，它們的類(lèi)型、方向和大小有所不同，如所示圖7(b–d)。由于包層是由一個(gè)接一個(gè)沉積的多個(gè)重疊軌跡形成的，所以整個(gè)包層的微結(jié)構(gòu)是不均勻的。在涂層和基底界面附近形成胞狀枝晶(圖7(b))且細(xì)小的柱狀枝晶形成在包覆層的中間(圖7(c))因?yàn)檫@兩個(gè)區(qū)域的溫度梯度和冷卻速率不同。同樣，在兩個(gè)涂層軌跡之間的界面附近，柱狀枝晶的取向存在明顯差異。其他研究人員也報(bào)道了類(lèi)似的微觀結(jié)構(gòu)變化。

一般來(lái)說(shuō)，隨著溫度梯度G隨凝固速率R的降低，熔池中的凝固模式從平面凝固模式變?yōu)榉涓C狀、柱狀和等軸枝晶，即G/R，枝晶微結(jié)構(gòu)和晶粒的特征尺寸與給出冷卻速率的G.R乘積成反比關(guān)系。此外，柱狀樹(shù)枝狀微結(jié)構(gòu)的取向是由熱流的方向決定。在激光重疊軌跡沉積過(guò)程中，原有軌跡的一部分與新軌跡一起經(jīng)歷重熔、熱流導(dǎo)向和冷卻，重疊軌跡不同區(qū)域的速率不同，演變的微結(jié)構(gòu)具有混合的形態(tài)和不同的特征尺寸，如圖中觀察到的圖7。Stellite 6涂覆層微觀結(jié)構(gòu)的變化會(huì)影響其機(jī)械性能，如顯微硬度。在Stellite 6涂覆層的正下方，有一個(gè)薄的重熔基底，接著是熱影響區(qū)，其范圍根據(jù)工藝參數(shù)而變化，導(dǎo)致基底的稀釋程度不同。

Stellite 6/WC復(fù)合熔覆層也顯示出相似的微觀結(jié)構(gòu)，只是在Stellite 6基體中存在球形WC顆粒。在SEM (BSE)圖像中可以清楚地識(shí)別出WC顆粒，圖 8(b–d)。在涂覆過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)WC與Stellite 6粉末不同，是完整的。在WC顆粒的外圍觀察到WC顆粒和金屬基體之間的部分?jǐn)U散，如所示圖8(d)和(e)所示。WC在鈷基Stellite 6合金基體中的周邊部分溶解保證了WC與基體的整體結(jié)合。在沉積純Stellite 6和Stellite 6/ WC粉末混合物的過(guò)程中，它們的質(zhì)量保持恒定，這導(dǎo)致兩種情況下不同的體積流量。由于WC的密度較高，預(yù)計(jì)粉末混合物的體積流量比純Stellite 6小。由于減小的粉末體積流速，流動(dòng)粉末中激光功率的散射和吸收會(huì)更少，并且相對(duì)更多的激光功率會(huì)到達(dá)基底，導(dǎo)致基底的更多加熱/熔化襯底。此外，由于WC顆粒的熱導(dǎo)率(84.02 Wm-1k-1)高于Stellite 6的熱導(dǎo)率(14.82 Wm-1k-1)，在Stellite 6和Stellite 6/WC涂層中，沿深度和橫向的溫度分布預(yù)計(jì)會(huì)發(fā)生變化。

為了確認(rèn)涂覆過(guò)程中包覆層頂面上某一點(diǎn)的溫度，使用紅外高溫計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖 9顯示了熱循環(huán)的三個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)副本數(shù)據(jù)在純Stellite 6和Stellite 6/WC復(fù)合層的激光熔覆過(guò)程中被監(jiān)控?？梢杂^察到，在Stellite 6/WC復(fù)合涂層的情況下，熔池頂部表面的峰值溫度和熱循環(huán)的寬度增加。這可能是由于較高熱含量和熔體體積增加造成的。因?yàn)镾tellite 6/WC粉末混合物的體積流速小于純的體積流速Stellite 粉末。在前一種情況下，增加的熔池體積實(shí)質(zhì)上意味著來(lái)自基體的更高稀釋度。使用EDX分析確定了稀釋的增加。圖 10 給出了在Stellite 6和Stellite 6/WC復(fù)合覆層中穿過(guò)覆層-基體界面的線EDX，顯示了在有和沒(méi)有WC的Stellite 6覆層中Fe的百分比沿深度的變化。Stellite 6熔覆層界面的Fe含量急劇下降，而WC復(fù)合熔覆層界面的Fe含量下降緩慢。在存在WC顆粒地方，觀察到?jīng)]有其它元素峰的高鎢峰。因此，由于相對(duì)增加的稀釋?zhuān)c純Stellite 6合金相比，復(fù)合材料涂層的基體會(huì)有一些差異，尤其是在界面附近。

圖8激光熔覆Stellite 6/WC復(fù)合涂層時(shí)的顯微組織：的(a)多道覆層，(b)BSE模式的多道覆層，(c)和(d)BSE模式下觀察得到的WC顆粒，(e)和(f)包含WC顆粒的激光熔覆 Stellite 6/WC 復(fù)合涂層的區(qū)域?！?/p>

 

圖9在激光熔覆純Stellite 6和Stellite 6/WC復(fù)合涂層的過(guò)程中溫度的升高情況(Ri (i = 1，2，3)表示溫度信號(hào)的三次重復(fù))。

圖9-1 上圖：在不同激光功率和不同掃描速度下進(jìn)行激光重熔得到的溫度信號(hào)：激光功率分別未：(a) 400?W, (b) 600?W and (c) 800?W

下圖：在激光功率未400W的條件下，在不同掃描速度下進(jìn)行激光重熔所得到的顯微組織

2.1.3.激光重熔和熔覆表面的硬度

維氏顯微硬度沿激光重熔H13基體、Stellite 6和碳化鎢復(fù)合涂層深度的變化見(jiàn)圖 11。激光重熔H13鋼的最大顯微硬度為750±35 HV 0.01，而純Stellite 6的最大顯微硬度為750±35 HV 0.01和WC復(fù)合涂層的數(shù)量級(jí)為600±20hv 0.01分別為660 15 HV0.01?？梢钥闯觯畲箫@微硬度不在頂層附近，而是在一定深度處。這可能是因?yàn)槲⒂^結(jié)構(gòu)、金屬碳化物和氧化物的形成、形態(tài)以及由溫度梯度G和凝固速率R決定的沿深度的特征尺寸的變化，以及凝固過(guò)程中的熔池壽命所決定的。在激光熔覆中，這些變化因?yàn)镚在熔體-固體界面處最大，而R和冷卻速率在頂面處最大。

正如早先報(bào)道的那樣并通過(guò)頂部激光重熔表面的XRD結(jié)果揭示(圖12)，顯微硬度的增加是由于硬相的形成，如激光重熔層中的馬氏體和碳化鉻。Stellite 6涂覆層的最大維氏硬度為610 HV0.01，與Kathuria報(bào)道的范圍相同，但明顯高于徐和Kutsuna的報(bào)道和納瓦斯等人的結(jié)果。如XRD分析所示，Stellite 6覆層中的高顯微硬度是由于Co、Cr和W的不同硬質(zhì)碳化物相的沉淀，圖 12 中其他人也報(bào)告了這一情況。而且，增加的顯微硬度似乎取決于激光相互作用時(shí)間以及在包覆過(guò)程中主要由激光掃描速率控制的冷卻速率所影響。

當(dāng)前研究中的激光掃描速度是600毫米/分鐘，而這個(gè)速度是300毫米/分鐘和60毫米/分鐘的冷卻速率，并且在較高的掃描速度下，冷卻速率是比預(yù)期更高，導(dǎo)致更細(xì)的晶粒和沉淀物，從而導(dǎo)致更高的硬度值。在Stellite 6包層中的硬涂層延伸到幾乎1000微米，但是在Stellite 6/WC復(fù)合包層中，它從600微米的深度開(kāi)始逐漸減小。這種變化可能是由于前面討論的復(fù)合涂層中的稀釋增加。Sun等人也報(bào)道了Stellite 6包殼的顯微硬度隨著稀釋度的增加而降低。同時(shí)還觀察到，WC復(fù)合涂覆層的基體區(qū)域具有比純涂覆層稍高的硬度，并且無(wú)論哪里存在WC顆粒，局部顯微硬度都高得多，大約為3000 HV?；w硬度的增加可能是由于WC顆粒的部分溶解和顆粒-基體界面周?chē)蓟锍恋淼脑黾?nbsp;。

圖10 激光熔覆純 Stellite 6 和 Stellite6/WC 復(fù)合涂層時(shí)在近界面處的線掃描分析結(jié)果。

　

圖11沿激光重熔H13、熔覆Stellite 6和Stellite 6/WC復(fù)合涂層沿著深度方向測(cè)量得到的顯微硬度變化。

　

圖12激光重熔H13、Stellite 6和Stellite 6/WC復(fù)合涂層表面的XRD分析結(jié)果　

2.2.磨料磨損試驗(yàn)結(jié)果

Stellite 6和Stellite 6 + 30% WC涂層樣品在室溫和高溫(450?C, 550?C, 650?C)下進(jìn)行三體磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)進(jìn)行了1000轉(zhuǎn)，每隔2個(gè)周期計(jì)算磨損量，即前500轉(zhuǎn)(圖13(b))和后500轉(zhuǎn)(圖13(b))。磨損量是通過(guò)磨損試驗(yàn)后的最終重量減去樣品的初始重量來(lái)計(jì)算的。通過(guò)將質(zhì)量損失除以H13鋼密度(7.8 g/cc)、Stellite 6密度(8.69 g/cc)和Stellite 6/30% WC粉混合物密度(10.77 g/cc)，估算了不同條件下相應(yīng)的體積損失。圖13(a) - (c)顯示了前500圈、后500圈和累積體積損失的結(jié)果。雖然重熔態(tài)和涂覆態(tài)樣品的表面條件不同(重熔態(tài)比包覆態(tài)樣品表面相對(duì)光滑)，但直接比較的體積磨損率的磨損質(zhì)量損失可能不準(zhǔn)確;此外，它提供了它們?cè)谀チ虾透邷丨h(huán)境下性能的廣泛比較。經(jīng)磨料試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，在選定的載荷條件下，部分磨料顆粒被破碎成更小的尺寸。初始磨粒尺寸大于AFS 70，即>210 μm。但是，在進(jìn)行了磨損試驗(yàn)后，對(duì)磨料顆粒進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在所有研究溫度下，相當(dāng)一部分磨料顆粒都更細(xì)。因此，磨損試驗(yàn)屬于高應(yīng)力三體磨損試驗(yàn)范疇。

雖然Stellite和Stellite 6/WC復(fù)合涂覆層的初始表面在第一組磨料試驗(yàn)中比第二組具有較高的粗糙度，但不同表面隨溫度變化的總體趨勢(shì)相似。從圖13可以看出，在室溫溫度下，激光重熔試樣的磨粒磨損性能幾乎與Stellite 6覆層表面相當(dāng)，這可能是由于其硬度較高(圖11)，需要更多的應(yīng)力才能引起表面的壓痕和微切割。在較高的溫度下，Stellite 6包層比激光重熔表面具有更強(qiáng)的耐磨性。除此之外，激光重熔的H13樣品被氧化，變成灰色和黑色(在室溫下幾乎保持了金屬色，在中等溫度下呈灰色，在650?C變黑)。

樣品表面的氧化層預(yù)計(jì)會(huì)被流動(dòng)的磨料去除，并增加凈質(zhì)量損失。用XRD研究了高溫下氧化物的形成，并在隨后的章節(jié)中進(jìn)行了討論。至于Stellite 6，作為一種耐腐蝕材料，在高溫測(cè)試中由于氧化物的形成，預(yù)計(jì)會(huì)損失很少的質(zhì)量。此外，Stellite 6作為一種對(duì)熱處理敏感性最小的固溶強(qiáng)化合金，在高溫磨料磨損試驗(yàn)中表現(xiàn)得比H13鋼更均勻。WC復(fù)合材料熔覆層中，WC顆粒的存在提高了熔覆層的耐磨性。WC顆粒在表面任意點(diǎn)的存在都能抵抗磨粒造成的微劃痕，從而減少材料的損耗。表面存在的多個(gè)WC顆粒通過(guò)限制材料損耗保護(hù)Stellite 6基體。隨著測(cè)試溫度的升高，Stellite 基體的軟化程度與純Stellite 覆層相似，但WC顆粒作為陶瓷材料，不受測(cè)試溫度的影響?？偟膩?lái)說(shuō)，Stellite 6/WC復(fù)合熔覆層在所有溫度下都比激光重熔表面和純Stellite 6熔覆層具有更高的耐磨性在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下的包層。

 

圖13分別在(a) 第一個(gè)500 循環(huán)evolutions, (b) 第二個(gè) 500 次循環(huán)revolutions, (c)總共為 1000循環(huán)，即 ((a) + (b))之后得到的在不同溫度下激光重熔、激光熔覆純 Stellite 6和Stellite 6/WC復(fù)合材料的磨料磨損的失重結(jié)果.

 圖14 (a), (d), (g), (j）激光重熔后的磨損形貌, (b), (e), (h), (k)激光熔覆 Stellite 6后的磨損形貌， (c), (f), (i), (l) 激光熔覆Stellite 6 + 30% WC 后的磨損形貌，其中 (a) – (c)為在室溫條件下進(jìn)行三體磨料磨損后得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果, (d) – (f) 450 °C的實(shí)驗(yàn)條件, (g) - (i) 550 °C和 (j) – (l) 650 °C的實(shí)驗(yàn)條件。

 

圖14為激光重熔、純Stellite 和Stellite 6/WC復(fù)合熔覆層在不同工作溫度下的磨痕中心區(qū)域的SEM圖像。圖像中的垂直方向?yàn)檠心シ较蚧蚰チＡ鞣较?。由于試?yàn)是通過(guò)將樣品壓在旋轉(zhuǎn)的輪子上進(jìn)行的，中間流動(dòng)著磨料顆粒，疤痕包括入口區(qū)，中心其他研究人員在類(lèi)似試驗(yàn)中報(bào)告的區(qū)域和出口區(qū)域，但是入口和出口區(qū)域不是很明顯，因?yàn)榘毯鄣纳疃群軠\。因此，作用載荷最大的中心區(qū)域被認(rèn)為是感興趣的研究區(qū)域。在室溫下，在激光重熔和Stellite 6包覆樣品的情況下，沿摩擦方向的磨損或犁削痕跡是主要的。然而，在Stellite 6/ WC的情況下，主要觀察到微切口。這是由于Stellite 6基體中存在硬質(zhì)WC顆粒。根據(jù)不同研究人員的報(bào)告，磨損損失由基底的不同特性決定，例如成分、微觀結(jié)構(gòu)、形態(tài)、硬度、楊氏模量、硬質(zhì)相、它們的尺寸和分布等。還取決于磨粒的尺寸、形狀和硬度以及施加的載荷。磨損試驗(yàn)過(guò)程中的樣品溫度對(duì)磨損量也有顯著影響。由于材料在高溫下軟化，也由于在試驗(yàn)過(guò)程中容易磨損的氧化層的形成，磨損量往往隨著溫度的升高而增加。在激光重熔H13的情況下，可以清楚地觀察到(圖 14(d)、(g)和(j))隨著溫度的升高，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)形成微坑的點(diǎn)蝕和斷裂。

 

 

圖15在不同溫度下樣品在激光重熔之后得到的磨料磨損區(qū)域的磨痕的XRD分析結(jié)果。

 

此外，在550°C和650°C時(shí)，磨料零件的加載或嵌入如圖所示，如圖 14(g)和(j)項(xiàng)。這是由于在這些高溫下材料的熱軟化。對(duì)于Stellite 6，發(fā)現(xiàn)犁削是主要的磨損機(jī)制在本研究報(bào)告的工作溫度范圍內(nèi)。然而，在Stellite 的情況下，在650℃觀察到微坑的形成6/WC時(shí)，發(fā)現(xiàn)無(wú)論溫度如何，微切削和犁削的組合是主要的磨損機(jī)制。此外，在Stellite 6和Stellite 6/WC涂層中沒(méi)有觀察到磨粒的嵌入，這表明在本研究報(bào)告的溫度下它們的流動(dòng)應(yīng)力保持不變。

 

圖16　在不同溫度下進(jìn)行磨料磨損實(shí)驗(yàn)之后，在Stellite 6和Stellite 6 WC復(fù)合材料樣品中的磨痕的XRD分析結(jié)果。

 

除了SEM分析之外，進(jìn)行XRD以研究存在于磨痕上的各種相。圖15 顯示了激光重熔H13上磨痕的XRD峰。在所有溫度下觀察到四個(gè)鐵素體峰，這表明測(cè)試后所有樣品具有相似的相分布，盡管它們?cè)诓煌瑴囟认碌臏y(cè)試中表現(xiàn)不同。此外，如虛線所示，在高溫下進(jìn)行磨損的樣品上出現(xiàn)鐵的氧化物峰，增加了前面討論的磨損機(jī)制中的氧化磨損。如果是Stellite 6包層(圖 16(a))在磨損試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)鈷、鉻碳化物的峰是相似的。復(fù)合包層(圖 16(b))在不同溫度下測(cè)試后也顯示出類(lèi)似的峰，具有更多數(shù)量的WC和W2C峰。這表明Stellite 6和Stellite 6/WC涂層在高溫下保持了它們的性能。

此外，在磨損測(cè)試的情況下也觀察到這一點(diǎn)，其中它們顯示體積損失沒(méi)有隨溫度的顯著變化。盡管由于高溫下氧化物的形成和試樣中磨粒的嵌入，在估計(jì)絕對(duì)磨損損失率時(shí)可能存在一些不準(zhǔn)確性，但這不應(yīng)影響關(guān)于不同表面在不同溫度下的相對(duì)磨損行為的結(jié)論。此外，從WC復(fù)合包層的磨損表面的圖像中注意到包層中存在的微切割層不會(huì)導(dǎo)致不規(guī)則侵蝕。

3.結(jié)論

從各種實(shí)驗(yàn)中獲得的結(jié)果得出以下結(jié)論:

a.AISI H13工具鋼的激光重熔將表面硬度增加到750±35 HV 0.01，而Stellite 6粉末的激光熔覆在由多個(gè)重疊熔覆軌跡形成的熔覆層中產(chǎn)生大約600±20 HV 0.01的硬度。

b.在本實(shí)驗(yàn)條件下，Stellite 6/30 wt% WC復(fù)合熔覆層中的WC顆粒完整地分布在基體中，與基體形成良好的冶金結(jié)合。然而，復(fù)合材料熔覆層中存在一些微裂紋。

c.Stellite 6/WC復(fù)合熔覆層的硬度略高于純Stellite 6熔覆層。然而，在WC顆粒處，顯微硬度約為3000 HV0.01。

d.根據(jù)激光重熔層和Stellite 6覆層的體積損失，發(fā)現(xiàn)在室溫下抗磨性幾乎相同。隨著溫度的升高，激光重熔表面的磨粒磨損增加，而Stellite-6熔覆表面僅略有增加。

e.復(fù)合Stellite 6/WC涂覆層中WC顆粒的存在提高了在高達(dá)650℃的當(dāng)前溫度范圍內(nèi)的耐磨性，并且復(fù)合覆層中一些微切口的存在對(duì)其磨料磨損沒(méi)有任何不利影響特點(diǎn)。

 

文章來(lái)源：High-temperature abrasive wear characteristics of H13 steel modified by laser remelting and cladded with Stellite 6 and Stellite 6/30% WC，Surface and Coatings Technology，Volume 422, 25 September 2021, ，https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.

參考文獻(xiàn)：Effect of tempering on laser remelted AISI H13 tool steel,Surface and Coatings TechnologyVolume 361, 15 March 2019, Pages 136-149,

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