低合金Cr-Mo-V鋼和Cr-Mo鋼被廣泛用于制造燃機(jī)機(jī)組、燃煤機(jī)組和循環(huán)流化床機(jī)組的關(guān)鍵部件,主要包括15Cr1Mo1V鋼[1-3]、12Cr1MoV鋼[4-5]、15CrMoG鋼[6-7]等。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組高壓蒸汽聯(lián)合閥閥體材料為15Cr1Mo1V鑄鋼件,鍋爐冷灰斗水冷壁材料為15CrMoG鋼,流化床鍋爐屏式過(guò)熱器材料為12Cr1MoV鋼。ZG15Cr1Mo1V鋼是一種珠光體類耐熱鑄造鋼,常用于制作進(jìn)汽溫度不高于540 ℃的燃煤機(jī)組電站閥殼和汽缸,以及進(jìn)汽溫度為565.5 ℃的燃機(jī)高壓聯(lián)合主汽門。該鋼鑄造工藝性差,對(duì)熱處理冷卻速率敏感,易產(chǎn)生裂紋缺陷。燃煤鍋爐冷灰斗水冷壁管和流化床鍋爐屏式過(guò)熱器管均存在沖擊和磨損的問(wèn)題。激光熔覆技術(shù)可起到增強(qiáng)防護(hù)和損傷修復(fù)的作用。強(qiáng)化功能是指通過(guò)涂層（熔覆層）增強(qiáng)基材的性能,在金屬部件表面制備強(qiáng)度大、抗沖擊且耐磨的涂層；修復(fù)功能主要體現(xiàn)在修復(fù)金屬部件的孔洞和裂紋,恢復(fù)已損傷部件的結(jié)構(gòu)尺寸,以提高部件再制造后的服役性能。利用激光熔覆技術(shù)能延長(zhǎng)電站金屬部件的使用壽命。 

激光熔覆技術(shù)相對(duì)于其他傳統(tǒng)表面技術(shù)（如鍍膜、刷鍍、堆焊、焊條電弧焊等）有諸多優(yōu)點(diǎn),如：激光作用時(shí)間短、稀釋率低、熱影響區(qū)小、部件變形??；冷卻速率快,可以細(xì)化晶粒,使組織致密,產(chǎn)生亞穩(wěn)相、非晶相及超彌散相；涂層與基體冶金的結(jié)合強(qiáng)度高；熔覆過(guò)程可控性好,便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,對(duì)環(huán)境無(wú)污染等。激光熔覆技術(shù)可對(duì)燃機(jī)機(jī)組、燃煤機(jī)組、循環(huán)流化床機(jī)組、水電和風(fēng)電機(jī)組等金屬部件進(jìn)行增強(qiáng)耐磨預(yù)防護(hù)或修復(fù)。目前激光熔覆材料主要為Fe基[8-11]、Ni基[12-16]、Co基[17]可熔性合金粉末,其中Fe基合金具有綜合力學(xué)性能良好及成本低等優(yōu)點(diǎn)。WC具有熔點(diǎn)高、硬度高、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),與Fe基、Ni基、Co基涂層結(jié)合具有良好潤(rùn)濕性,可用作涂層增強(qiáng)相的材料。WC增強(qiáng)金屬基復(fù)合涂層制備方法主要有激光熔覆、熱噴涂等。由于WC與金屬基母材相的線膨脹系數(shù)存在一定差異,涂層中WC含量需控制在一定范圍內(nèi),避免涂層出現(xiàn)縱向裂紋等缺陷；同時(shí)為避免WC分解,通常采用鎳包WC作為增強(qiáng)相。申井義等[18]報(bào)道了鎳包WC是一種具有核殼結(jié)構(gòu)的球狀混合粉,WC顆粒被Ni基合金包裹在球狀結(jié)構(gòu)的中心位置,Ni能對(duì)WC顆粒起到保護(hù)作用,因?yàn)槠鋵?duì)激光光波的吸收率和熱導(dǎo)率低。鎳包WC還可以提高WC顆粒的潤(rùn)濕性及其在涂層中的彌散性；鎳包WC增強(qiáng)涂層的組織更細(xì)小、成分分布更均勻,結(jié)構(gòu)完整性優(yōu)于WC增強(qiáng)涂層。 

筆者選取15Cr1Mo1V鋼作為基材,采用激光熔覆技術(shù)在15Cr1Mo1V鋼表面制備含鎳包WC的增強(qiáng)鐵基合金涂層,利用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀(XRD)、顯微硬度計(jì)、拉伸試驗(yàn)機(jī)、沖擊試驗(yàn)機(jī)和摩擦磨損試驗(yàn)臺(tái)等設(shè)備對(duì)涂層的顯微組織、物相組成、顯微硬度、拉伸性能、沖擊性能和摩擦磨損性能等進(jìn)行研究,為15Cr1Mo1V鋼提供高質(zhì)量的激光熔覆增材制造技術(shù)（預(yù)防護(hù)或修復(fù)）提供數(shù)據(jù)支撐。 

1.   試樣制備及試驗(yàn)方法

1.1   試樣制備

選擇15Cr1Mo1V鋼作為基材,其化學(xué)成分如表1所示,尺寸（長(zhǎng)度×寬度×高度）為200 mm×300 mm×20 mm。先用砂紙打磨基體板表面,用無(wú)水乙醇溶液清洗試樣。對(duì)基體試樣進(jìn)行預(yù)熱處理,將基體預(yù)熱至溫度約為100 ℃,以降低熔池的冷卻速率,減少涂層的殘余應(yīng)力。 

選擇鐵基涂層,合金粉末粒徑為40~150 μm,鐵基合金粉末的化學(xué)成分如表2所示。鎳包WC顆粒的粒徑為40~150 μm,其中Ni元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%,WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88%。鎳包WC的添加量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0~30%。 

采用激光熔覆設(shè)備制備涂層,采用同步送粉方式,激光功率為1 400 W,掃描速率為300 mm/s,搭接率為50%,送粉速率為18 g/min,光斑直徑為3 mm。待涂層試樣冷卻后,對(duì)試樣進(jìn)行切割。依次用90,360,600,1 000,1 500,2 000目（1目=25.4 mm）的水砂紙對(duì)試樣進(jìn)行打磨。選用水溶性金剛石研磨膏在磨拋機(jī)上對(duì)試樣進(jìn)行拋光直至鏡面,隨后用無(wú)水乙醇擦拭試樣。待試樣風(fēng)干后放置于干燥箱中備用。 

1.2   試驗(yàn)方法

采用體積分?jǐn)?shù)為3%的硝酸乙醇溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕,然后利用光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)。利用SEM觀察涂層的微觀形貌。采用XRD分析涂層表面的物相,加速電壓為40 kV,電流為20 mA,掃描范圍為20°~90°。采用顯微硬度計(jì)測(cè)試涂層的維氏硬度,載荷為10 N,取涂層表面的5個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域測(cè)量5次,求平均值。根據(jù)GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》,室溫拉伸試樣為全壁厚橫向試樣；根據(jù)GB/T 228.2—2015 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第2部分：高溫試驗(yàn)方法》,高溫拉伸試樣為?圓柱形試樣,采用拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)基材試樣和激光熔覆試樣進(jìn)行室溫和高溫拉伸試驗(yàn)。根據(jù)GB/T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》,制備含有V形缺口的沖擊試樣,尺寸（長(zhǎng)度×寬度×高度）為55 mm×10 mm×10 mm,利用沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。使用高溫摩擦磨損儀進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn),轉(zhuǎn)速為560 r/min,載荷為9.8 N,摩擦磨損時(shí)間為60 min,對(duì)磨材料為Si3N4(直徑為4 mm),試驗(yàn)溫度為室溫和550 ℃。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果

2.1   微觀分析

2.1.1   XRD分析

圖1為不同鎳包WC含量涂層的XRD分析結(jié)果。由圖1可知：鎳包WC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí),涂層析出Fe3W3C、Fe6W6C、WC和Cr23C6等；隨著鎳包WC含量的不斷增多,Fe6W6C和Cr23C6衍射峰增強(qiáng),碳化物數(shù)量顯著增多,尤其當(dāng)鎳包WC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí),Fe6W6C和Cr23C6的衍射峰顯著增強(qiáng),表明碳化物析出量增多。 

圖  1  不同鎳包WC含量涂層的XRD分析結(jié)果

2.1.2   SEM分析

不同鎳包WC含量涂層的SEM形貌如圖2所示。由圖2可知：鐵基合金涂層組織致密；隨著鎳包WC含量的不斷增大,大部分WC顆粒與鐵基合金元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成新的碳化物相,進(jìn)而形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu),晶粒細(xì)化；部分區(qū)域分布有未分解的WC顆粒,WC顆粒保持了原有形貌；WC顆粒周邊發(fā)生熔化分解,熔化后的WC顆粒與Fe、Cr 形成碳化物,將WC顆粒牢牢固定在涂層中。 

圖  2  不同鎳包WC含量涂層的SEM形貌

2.2   力學(xué)性能測(cè)試

2.2.1   顯微硬度測(cè)試

基體和不同鎳包WC含量涂層的顯微硬度分布曲線如圖3所示。由圖3可知：當(dāng)鎳包WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 10%,20%,30%時(shí),涂層的平均顯微硬度分別為720,774,819 HV0.5,隨著鎳包WC含量的增大,涂層顯微硬度顯著增大,結(jié)合界面的硬度也相應(yīng)提高；涂層顯微硬度曲線呈階梯狀分布,由內(nèi)向外硬度逐漸降低,說(shuō)明涂層硬度大,基體硬度最小。 

圖  3  基體和不同鎳包WC含量涂層的顯微硬度分布曲線

隨著鎳包WC含量的增大,涂層顯微硬度顯著增大。激光熔覆過(guò)程中,部分鎳包WC高溫分解成W、C,與涂層合金元素Cr和Fe發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成了Cr23C6、Fe3W3C、Fe6W6C等硬質(zhì)相,發(fā)揮彌散強(qiáng)化作用。析出碳化物作為形核中心,可以促進(jìn)二次枝晶形成、細(xì)化涂層晶粒,起到細(xì)晶強(qiáng)化作用。在彌散強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化的綜合作用下,涂層硬度增大,當(dāng)鎳包WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí),涂層顯微硬度達(dá)到最大值,為819 HV0.5。 

2.2.2   拉伸性能測(cè)試

圖4為基體和不同鎳包WC含量涂層的拉伸性能測(cè)試結(jié)果。由圖4可知：隨著鎳包WC含量的增加,涂層在室溫和高溫條件下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率均略微增大,且均較基體試樣有大幅提升。涂層高溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度顯著提高的原因?yàn)?在激光熔覆制備過(guò)程中,涂層與基體表層形成冶金結(jié)合,使涂層組織致密、晶粒細(xì)化,大量細(xì)小碳化物析出強(qiáng)化,材料的高溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度得到提高。 

圖  4  基材和不同鎳包WC含量涂層的拉伸性能測(cè)試結(jié)果

2.2.3   沖擊性能測(cè)試

基材和不同鎳包WC含量涂層的沖擊性能測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：基體試樣的沖擊吸收能量為34.2 J；不含鎳包WC涂層試樣的沖擊吸收能量為38.6 J；含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%,30%鎳包WC涂層試樣的沖擊吸收能量分別為61.1,62.2 J,均較基體試樣有大幅提升。 

圖  5  基體和不同鎳包WC含量涂層的沖擊性能測(cè)試結(jié)果

涂層晶粒細(xì)化導(dǎo)致晶界處的位錯(cuò)吞噬和釋放能力明顯提高,使涂層的塑性和韌性增大。晶粒越細(xì)小,則晶界面積越大,對(duì)涂層材料性能的影響也越大。對(duì)于涂層材料的室溫力學(xué)性能來(lái)說(shuō),晶粒越細(xì)小,其強(qiáng)度和硬度越大,塑性和韌性也越好。因?yàn)榫Я］^細(xì),可使塑性變形更均勻,內(nèi)應(yīng)力集中較??；還可以使晶界面增多,晶界越曲折,晶粒與晶粒之間交錯(cuò)的機(jī)會(huì)就越多,抑制了裂紋的萌生和擴(kuò)展,使材料的強(qiáng)度和韌性增大。 

2.2.4   摩擦磨損試驗(yàn)

圖6為室溫下基體和不同鎳包WC含量涂層的摩擦因數(shù)曲線。由圖6可知：基體試樣的摩擦因數(shù)約為0.6,不含鎳包WC涂層試樣的摩擦因數(shù)約為0.55,含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%,30%鎳包WC涂層試樣的摩擦因數(shù)分別約為0.52,0.49。 

圖  6  室溫下基體和不同鎳包WC含量涂層的摩擦因數(shù)曲線

圖7為室溫下基體和不同鎳包WC含量涂層的磨損輪廓曲線。由圖7可知：基體試樣的磨損深度約為4.80 µm,磨損寬度約為815 µm；不含鎳包WC涂層試樣的磨損深度約為3.21 µm,磨損寬度約為734 µm；隨著鎳包WC含量增大,涂層的磨損深度和磨損寬度逐漸減小。 

圖  7  室溫下基體和不同鎳包WC含量涂層的磨損輪廓曲線

圖8為高溫下基體和不同鎳包WC含量涂層的摩擦因數(shù)曲線。由圖8可知：基體試樣的摩擦因數(shù)約為0.63,不含鎳包WC涂層試樣的摩擦因數(shù)約為0.55,含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%,30%鎳包WC涂層試樣的摩擦因數(shù)分別約為0.49,0.45。 

圖  8  高溫下基體和不同鎳包WC含量涂層的摩擦因數(shù)曲線

圖9為高溫下基體和不同鎳包WC含量涂層的磨損輪廓曲線。由圖9可知：基體試樣的磨損深度約為43.6 µm,磨損寬度約為996 µm；不含鎳包WC涂層試樣的磨損深度約為37.8 µm,磨損寬度約為993 µm；隨著鎳包WC含量的增大,涂層的磨損深度逐漸減小。 

圖  9  高溫下基體和不同鎳包WC含量涂層的磨損輪廓曲線

對(duì)比磨損深度和磨損寬度,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的鎳包WC涂層耐磨性更高,因?yàn)橥繉又袕浬⒎植加蠪e3W3C、Fe6W6C、WC和Cr23C6等硬質(zhì)相,這些相具有細(xì)化晶粒的作用,使涂層的耐磨性較原始基體顯著提高。材料摩擦磨損性能提高的原因?yàn)椋和繉咏M織致密,使涂層表面粗糙度降低、摩擦因數(shù)減?。晃诲e(cuò)密度增大、晶粒細(xì)化及硬質(zhì)相的產(chǎn)生使涂層組織致密性提高、顯微硬度增大、接觸面積減小,不易發(fā)生黏著磨損；晶粒細(xì)化的涂層更具保護(hù)性和附著力,起到鈍化作用,改善了涂層的摩擦磨損性能。 

3.   結(jié)論

（1）鎳包WC鐵基合金涂層物相為Cr23C6、Fe3W3C、Fe6W6C和WC等；隨著鎳包WC含量的不斷增大,大部分WC顆粒與鐵基合金元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生新的碳化物相,形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu),使材料晶粒細(xì)化。當(dāng)鎳包WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí),Cr23C6和Fe6W6C數(shù)量增多,鐵基合金涂層的組織致密、細(xì)化效果最明顯。 

（2）當(dāng)鎳包WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí),涂層硬度達(dá)到819 HV0.5,室溫和高溫下的抗拉強(qiáng)度分別為531,508 MPa,室溫和高溫下的屈服強(qiáng)度分別為383,342 MPa,沖擊吸收能量為62.2 J,耐摩擦磨損性能最佳。

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