TA2 表面電火花沉積 Zr / WC 復(fù)合涂層特性及界面行為研究
2017-3-22 來源：河南科技大學(xué) 作者：吳公一，張占領(lǐng)，孫凱偉，于華，邱然鋒，石
摘要: 目的通過在 TA2 表面進行電火花沉積改變其表面性能。方法 采用電火花沉積技術(shù)，在基體TA2 表面制備 Zr / WC 復(fù)合涂層，然后分別用掃描電鏡( SEM) 、能譜分析儀( EDX) 、X 射線應(yīng)力分析儀、顯微硬度計和摩擦磨損試驗機分析涂層的微觀組織、化學(xué)成分分布、殘余應(yīng)力、顯微硬度分布以及涂層的耐磨性。結(jié)果 復(fù)合涂層連續(xù)、均勻，厚度約為 50 ～ 80 μm; 涂層表面不平整，存在很多小坑和粘連，涂層內(nèi)部有少量氣孔和裂紋; 復(fù)合涂層與基體的主要元素 Ti、Zr、W 之間發(fā)生相互擴散，并發(fā)生冶金反應(yīng); 經(jīng)過電火花沉積后 TA2 表面存在較大的殘余應(yīng)力，通過改變工藝參數(shù)可有效控制殘余應(yīng)力; 復(fù)合涂層表面顯微硬度值最高能達到 960． 5HV200g，約為基體的 4 倍; 經(jīng)過電火花沉積 Zr/WC 復(fù)合涂層的試樣磨損量遠遠小于 TA2 試樣，εw= 4．1，沉積層的耐磨性比基體材料提高了3．1倍，經(jīng)電火花沉積制備復(fù)合涂層后表面的耐磨性顯著提高。結(jié)論 在 TA2 表面電火花沉積 Zr/WC 復(fù)合涂層可以改善其表面性能。
關(guān)鍵詞: TA2; Zr; WC; 電火花沉積; 復(fù)合涂層; 界面行為
電火花沉積( ESD) 是利用高電流使旋轉(zhuǎn)的焊材與被焊工件產(chǎn)生動態(tài)短路，通過在工件上堆積產(chǎn)生冶金結(jié)合點，對工件表面進行強化處理的一種表面工程技術(shù)。電極材料與工件金屬接觸放電產(chǎn)生高能量脈沖，電極熔化過渡到工件表面微熔的熔池中，從而形成合金化的表面強化層，改變了工件表面的耐磨性、耐蝕性、疲勞強度等，大大提升了工件的壽命［1］。與其它涂層技術(shù)相比，電火花沉積技術(shù)具有獨特的優(yōu)點，例如沉積工藝過程簡單、基本不變形、沉積層結(jié)合強度高、修復(fù)工件的成本低、熱輸入量低、設(shè)備小巧便于攜帶、維修方便等［1］，近年來越來越多地應(yīng)用到航空航天、核工業(yè)、軍事、醫(yī)療機械等各個領(lǐng)域。鈦的比強度高而密度小，機械性、韌性和抗蝕性能好，在高溫下仍具有較好的力學(xué)性能，對人體無任何輻射，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)、核能發(fā)電、海洋科學(xué)、汽車工業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。但是鈦的硬度較低、導(dǎo)熱系數(shù)小、不易導(dǎo)熱，很容易與對磨材料發(fā)生粘著磨損，導(dǎo)致零件的磨損失效［2—3］。為了改善其耐磨性，本文研究 TA2 表面電火花沉積 Zr/WC 復(fù)合涂層的微觀特征及性能。
1.試驗
采用 DZ-4000 Ⅱ型電火花堆焊機，輸出電壓為AC 220 V、單相 50 /60 Hz，輸入功率為 4000 W，放電頻率為 1400 Hz。電極夾緊在沉積槍上，處于中心位置繞電極軸線旋轉(zhuǎn)，電極伸出長度在 20 mm 以內(nèi)，電極材料為 Zr、WC 電極。沉積基體 TA2 樣尺寸(長、寬、高) 為: 15 mm × 15 mm × 10 mm。先分別用 400#、600#、1000#砂紙打磨試樣，再用丙酮和酒精清洗待沉積表面，然后按表 1 中的工藝進行沉積。
表 1 電火花沉積工藝
用日本 JSM-560LV 型掃描電鏡觀察涂層形貌; 用美國 EDX 型能譜分析儀分析復(fù)合涂層元素; 用日本理學(xué) MSF-3M 新型 X 射線應(yīng)力分析儀檢測分析復(fù)合涂層的殘余應(yīng)力; 用 HV-1000 型顯微硬度計檢測涂層、過渡層、基體的顯微硬度，加載 200 g，15 s; 在 MH-600 型摩擦磨損試驗機上進行室溫干摩擦磨損試驗，對磨試樣為直徑 6 mm 的 YG8 硬質(zhì)合金球，轉(zhuǎn)速為1200 r / min，載荷為 10 N，時間為 30 min，再用精確到0． 1 mg 的 AEL-200 型電子分析天平稱量試樣。
2.結(jié)果分析
2．1 涂層形貌分析
2．1．1 表面形貌
圖 1 為涂層的表面 SEM 形貌。涂層表面有很多凹坑( A 點) ，是由沉積脈沖產(chǎn)生的強放電力使合金化的熔滴飛濺形成，電火花沉積時產(chǎn)生很大的放電力，使加工表面產(chǎn)生凹坑輪廓。同時在涂層表面還存在粘連現(xiàn)象( B 點) ，這是由于在火花放電過程中電極和基體材料同時熔化，熔化的電極材料向基體過渡，熔化的基體材料也向電極過渡，在電極與基體不斷分離與接觸的過程中兩者熔為一體，隨著放電次數(shù)的增加，粘連的形貌遍布涂層的表面。強化時間較短時，熱輸入量低，電極與基體粘連現(xiàn)象不明顯，粘連層比較薄; 隨著強化時間增加，熱輸入量的增加，粘連現(xiàn)象變得嚴重，會形成具有一定厚度的粘連層［4—5］。
圖 1 涂層表面形貌
2．1．2 斷面形貌
圖 2 為涂層的斷面 SEM 形貌。涂層厚度約 50 ～80 μm。涂層與基體相互熔合，二者之間存在一個熔滲擴散區(qū)，有利于提高涂層與基體的結(jié)合強度。涂層內(nèi)有氣孔( A 點) 與裂紋( B 點) 。產(chǎn)生氣孔的原因可能是受電極和基體表面不潔凈和周圍環(huán)境的影響，氣孔使強化層變得疏松。產(chǎn)生裂紋的原因，一方面是受電極材料和基體材料成分以及強化環(huán)境的影響，使強化層中存在夾雜物和氣孔，降低了強化層的機械強度; 另一方面是由于沉積過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致，沉積過程中熔化的金屬材料遇冷急劇冷卻而凝固，沉積層內(nèi)存在著熱應(yīng)力作用，在無數(shù)次放電作用下，沉積層反復(fù)受到熱沖擊，最終產(chǎn)生顯微裂紋［6—7］。
圖 2 涂層斷面形貌
2．2 元素分析
圖 3 為涂層的元素分布，可以看出，涂層與基體結(jié)合面處有一個很窄的成分熔滲擴散區(qū)，基體與涂層之間發(fā)生了元素的相互擴散，基體中的 Ti 由基體向涂層擴散，涂層中的 Zr、W、C 由涂層向基體擴散。但由于沉積過程中高溫時間短，元素擴散不充分。C 和Zr 的含量在沉積層和靠近沉積層的基體中含量較均勻，說明 C 和 Zr 容易擴散。Ti 元素在基體中含量較多，由基體到涂層 Ti 元素含量呈下降趨勢［8—9］。從基體到涂層，W 元素含量逐漸增加，而在涂層中某些部位 W 元素含量較多，可能是沉積過程中硬質(zhì)合金WC 隨著電極的旋轉(zhuǎn)作用直接進入了涂層內(nèi)部所致，對于 W 元素在涂層內(nèi)部部分區(qū)域大量聚集的原因有待做進一步的研究。涂層與基體之間發(fā)生了元素的擴散，基體 TA2 中的 Ti 元素進入復(fù)合涂層內(nèi)部，電極材料中的 Zr、W 元素也進入涂層內(nèi)部，說明電火花沉積是電極與基體材料的相互熔滲過程［10］。
圖 3 涂層到基體元素分布
2． 3 試樣殘余應(yīng)力分析
由表 2 可知，電火花沉積后的試樣表面有較大的殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是一個非常復(fù)雜的過程，主要有兩方面的原因: 一方面，在電火花沉積過程中，熔化的工件材料在空氣中遇冷而凝固，工件表面溫度分布不均勻，存在溫度梯度，形成了熱應(yīng)力，熱應(yīng)力的存在使涂層表面有產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的趨勢; 另一方面，在工件材料急熱、急冷過程中，工件材料的組織發(fā)生相變會產(chǎn)生相變應(yīng)力，這會松弛電火花沉積過程中產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，并可能向壓應(yīng)力產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)［11］。
電火花沉積是一個多次重復(fù)的過程，對于某一個加工點來說，它的應(yīng)力情況是多次放電作用的最終結(jié)果，這取決于哪個影響因素占主導(dǎo)地位［12］。若熱應(yīng)力占主導(dǎo)地位，則產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，若相變應(yīng)力占主導(dǎo)地位，則產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。而通過改變電火花沉積規(guī)范可以控制殘余應(yīng)力的性質(zhì)，如試樣 1 表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力，試樣 2 表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力。
表 2 涂層殘余應(yīng)力
2.4 涂層的耐磨性能
圖 4 是同一個涂層斷面處不同位置的 3 條顯微硬度分布曲線。可以看出，3 條線走勢大致相同，涂層表面的顯微硬度值遠高于基體材料 TA2，最高處可達 965HV200 g; 隨著與涂層表面距離的增加，即由涂層到過渡層，顯微硬度值逐漸下降，而基體的顯微硬度約為 220HV200 g; 涂層表面的顯微硬度約是基體的 4 倍。沉積層之所以有這么高的顯微硬度主要是由于經(jīng)過電火花沉積后表層組織得到了細化，又引入了較高的殘余壓應(yīng)力，同時由于沉積層具有高硬度的碳化物 W2C 所致［13］。
圖 4 距涂層表面的顯微硬度分布曲線
表 3 磨損失重結(jié)果
3.結(jié)論
1) 利用電火花沉積技術(shù)，分別以 Zr、WC 棒為電極，在 TA2 基體表面電火花沉積制備出了連續(xù)、均勻的 Zr/WC 復(fù)合涂層，復(fù)合涂層厚度約為 50 ～ 80 μm，涂層表面較平整，存在較多凹坑和粘連，涂層斷面有少量氣孔和裂紋。
2) Zr / WC 復(fù)合涂層與基體間各主要元素發(fā)生了相互擴散，涂層中的 Zr、W 主要向基體擴散，基體中的 Ti 元素向復(fù)合涂層擴散，過渡層中存在 Zr、W 與 Ti的相互擴散，部分區(qū)域硬質(zhì)合金 WC 大量進入涂層內(nèi)部。
3) 電火花沉積表面的殘余應(yīng)力隨加工工藝的不同，可能產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力或殘余壓應(yīng)力，改變工藝參數(shù)可控制殘余應(yīng)力。4) Zr / WC 復(fù)合涂層的表面顯微硬度值最高達965HV200 g，約為基體的 4 倍，沉積層的相對耐磨性比基體增加 3．1 倍，基體表面性能已經(jīng)發(fā)生改變。
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