Page 61 - 《摩擦学学报》2021年第6期
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846                                     摩   擦   学   学   报                                 第 41 卷

                                                                                                          [18]
            光功率为1.5 kW, 扫描速度为240 mm/min，送粉率为                   损轨迹进行了表征，磨损体积损失按以下公式计算 ：
            10 g/min，离焦量12.5 mm，光斑直径为2 mm. 采用单                                     V = AL                 (1)
            道熔覆层进行显微组织观察，制备了搭接率50%的多                               A为磨痕的横截面面积，单位mm ；L为磨痕的长
                                                                                               2
            道搭接熔覆层进行各项表征和摩擦磨损测试.
                                                               度，单位mm.
                运用Thermo-Calc软件和商用热化学数据库(铁基                        磨损率按公式(2)计算：
            合金数据库)对M C -WC双相碳化物增强铁基复合                                                  V
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            涂层的热力学(熔覆过程中的相变和凝固过程)进行了                                              W =  S N                (2)
            计算. 商用热计算软件基于温度、压力和结构函数，建                              S为滑动距离，单位m；N为载荷，单位N. 采用光学
            立了合金系统的热力学描述，该系统通过模拟系统中                            电镜观察试样的磨损表面，以揭示磨损机理.

            各相的吉布斯能量. 一旦Gibbs能函数和系统数据库
                                                               2    结果与讨论
            可用，就可以借助计算机技术，根据Gibbs能量最小的

            一般原理，应用标准热力学关系计算相图和其他热力                            2.1    横截面与微观结构
            学性质. 为了得到可行的计算结果，假设熔池在激光                               图2为所有熔覆试样单道的横截面图，由图2可
            熔覆过程中保持均匀. 初始的计算条件如下：体系总                           知，熔覆层横截面的形貌可分为3种区域：熔覆层区域
            量为1 mol时，体系的激光熔覆过程参考态298.15 K和                     (CZ)、基体热影响区(HAZ)和基体(SUB). 所有单道熔
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            1×10  Pa. 在激光熔覆过程中，M C -WC双相碳化物                    覆层的横截面形状均为中间高两边低. 这是因为圆形
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            增强铁基复合涂层中的W和C均来自外部添加，W和                            激光束的能量密度遵循典型的高斯分布模型，在激光
            C的原子比为1:2. 计算了M C -WC双相碳化物增强                       熔覆过程中熔池两侧的温度均低于熔池中心的温度.
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            铁基复合涂层在不同温度下的相分数、组成和相变，                            一般来说，熔池中某处的表面张力大小与该处的温度

            并与试验结果进行了比较.                                       呈反相关关系，因此熔池中心的表面张力低于两端                    [19-20] .
                为了比较M C -WC双相碳化物和外部引入WC                        在表面张力的作用下，液态金属将从熔池两侧聚集到
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            增强熔覆层显微硬度和耐磨性，外部引入质量分数为
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            30%的WC并采用相同熔覆工艺参数制备了WC增强
                                                               其余熔覆层均与基材紧密结合，不存在像气孔和微裂
            铁基复合熔覆层(试样4).
                                                               纹等缺陷. 如图3所示，试样2~3内部中还存在一些块
            1.2    微观结构表征与性能测试                                 状颗粒，形状不规则，一些类似三角形和四边形，还有
                用线切割机切割涂层，获得涂层的截面. 涂层的                         一些呈现核-壳结构，且核-壳结构中的壳是由多个块
            横截面先打磨后抛光，最后用化学腐蚀剂(无水乙醇                            状颗粒连接而成的. 试样4内部存在很多形状完整的
            与硝酸体积比为19:1)涂抹约0.5 min，用光学显微镜
                                                               球形颗粒，该球形颗粒即为初始添加且未熔的WC. 此
            (OM)、扫描电子显微镜(SEM，ZEISS Merlin Compact)
                                                               外，在试样4顶部和边缘还产生了微裂纹.
            观察显微组织. 采用XRD-6 000型X射线衍射仪(XRD)                        图4为所有涂层熔合线处沿A-B方向上的线性元
            分析物相，扫描角度10~90°，扫描速度为5 (°)/min.                    素分布图. 由图4可知，所有熔覆层与基材结合处均存
                用维氏硬度计(MTHV-1MMDTe)在5 N载荷和10 s                 在一定厚度的平面带. 这是熔池凝固过程开始时，熔
            保压下测试了涂层表面到基体的显微硬度分布. 在显                           合线处无成分过冷的结果 . 另外，在熔合线处的合
                                                                                      [21]
            微硬度测试过程中，调整压头以避免与原位合成的                             金元素扩散曲线通过平面带时并未发生突变. 由此可
            WC颗粒接触. 熔覆层的摩擦学性能采用UMT-2摩擦                         知，基材中的部分Fe原子已经渗入到熔覆层中. 为了
            磨损试验机来评估. 摩擦方式采用球-盘接触形式，盘                          进一步证明基材中的Fe元素扩散进熔覆层中，对试样
            片为试样，尺寸为15 mm×15 mm×6 mm；摩擦副为直                     3与基材间熔合线进行了EDS元素点分析，结果在图5
            径10 mm、硬度超过HRC90的氧化铝球. 试验负载为                       中所示. 由图5(b)可知，Fe元素在平面带中的含量要比
            50 N，旋转速度设置为50 mm/s，时间设定为60 min. 另                 合金粉末中Fe元素含量要高，且在平面带中还检测到
            外，每个样品摩擦系数的检测可能存在误差，因此，同                           了Mn元素，这有力地说明了熔覆层与基材之间的合
            一样品的摩擦系数测定3次取平均值. 试验前，对所有                          金元素发生了相互扩散. 因此，可以得出结论：熔合线
            熔覆层被测试的表面打磨和抛光处理. 磨损体积损失                           处平面带的形成是熔覆层与基材呈冶金结合的重要
                                                                          [22]
            和磨损率的测量如先前文献所述. 用三维轮廓仪对磨                           标志. Ding等 也得出同样的结论，在激光束的作用
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