Résumé : Afin de préparer un revêtement composite WC à base de nickel avec une excellente qualité de formage et des propriétés mécaniques sur 42CrMo, la méthode expérimentale de conception de Taguchi a été utilisée pour explorer l'influence des paramètres de processus sur les performances des revêtements composites WC à base de nickel, avec la puissance laser, le taux d'alimentation en poudre et la vitesse de balayage comme facteurs d'influence, et le taux de dilution et la microdureté comme indicateurs de réponse. Les résultats montrent que la puissance laser a la plus grande influence sur le taux de dilution et la microdureté du revêtement composite, suivie du taux d'alimentation en poudre, et la vitesse de balayage est la plus faible. Lorsque la puissance laser est de 2000 W, la vitesse de balayage est de 10 mm·s-1 et le taux d'alimentation en poudre est de 1.4 r·min-1, la microstructure du revêtement est uniforme et dense, et les éléments W, C et Nb sont séparés entre les grains, et une grande quantité d'éléments W sont précipités à proximité des particules de WC. La formation d'autres carbures à phase dure tels que WC, W2C et NbC rend la microdureté du revêtement composite environ 1.7 fois supérieure à celle du substrat. Son mécanisme d'usure évolue de l'usure adhésive à l'usure abrasive. Le coefficient de frottement est environ 0.12 inférieur à celui du substrat, ce qui améliore considérablement les propriétés mécaniques du 42CrMo.
Mots clés: revêtement laser; optimisation des procédés ; revêtement composite ; microstructure ; propriétés mécaniques
Le revêtement laser est une technologie émergente pour améliorer les propriétés de surface des métaux. Son principe est de fusionner la poudre et les matériaux de substrat ensemble grâce à des sources de chaleur laser à haute énergie. Le bain de fusion se solidifie rapidement à la surface des pièces pour former un revêtement en alliage dense et solide, améliorant ainsi les performances globales des pièces telles que la résistance à l'usure. Par rapport à la technologie traditionnelle de renforcement de surface, elle présente les avantages d'une faible déformation, d'un faible taux de dilution et d'une bonne morphologie, et est largement utilisée dans le domaine de la réparation et de la remise à neuf au laser. Le 42CrMo, qui présente une excellente dureté, ténacité et trempabilité, est souvent utilisé dans les pièces d'ingénierie telles que les joints de tiges de forage pétrolier, les arbres de transmission, les engrenages de boîte de vitesses, les cylindres de moteur, etc. Cependant, les matériaux 42CrMo souffrent souvent d'usure et de fractures de fatigue dans des conditions de travail difficiles. En raison du coût élevé du traitement et du remplacement des pièces endommagées, il est d'une grande importance pour la recherche de renforcer et de réparer la surface des pièces grâce à la technologie de revêtement laser.

Français Des paramètres de processus appropriés peuvent préparer des revêtements composites avec une forte liaison, une structure dense, une excellente qualité de formage et des performances. Hulka et al. ont étudié l'effet de la vitesse de balayage du revêtement laser sur la microstructure et la résistance à l'usure du revêtement, et ont obtenu un revêtement dense et sans fissures avec une bonne distribution de carbure. Yang Kaixin et al. ont combiné la méthode Taguchi avec la théorie des gris pour l'analyse et ont amélioré la morphologie et la microstructure du revêtement en contrôlant les paramètres du processus. Wang Tao et al. [4] ont constaté que le revêtement IN718 avait la meilleure qualité de formage et la meilleure résistance à l'usure lorsque la vitesse de balayage était de 14 mm/s, et que la microstructure était dense et la distribution de la croissance des grains était uniforme. Shi Xiaoshuai et al. [5-6] ont étudié les effets de la puissance laser, du diamètre du spot et de la vitesse de balayage sur la morphologie et la qualité des revêtements en alliage à base de Fe sur la base de la méthode de surface de réponse, et ont obtenu une prédiction précise du modèle de morphologie géométrique.

Dans cet article, un revêtement composite à base de nickel WC en phase dure a été préparé sur de l'acier 42CrMo. La méthode Taguchi a été utilisée pour analyser les effets de la puissance laser, du taux d'alimentation en poudre et de la vitesse de balayage sur l'optimisation du processus du revêtement composite. Le revêtement composite a été soumis à une analyse de phase et de microstructure et à des tests de propriétés mécaniques, fournissant des références théoriques pertinentes pour l'application technique des revêtements composites WC à base de nickel.

1 Plan expérimental
1.1 Équipement et matériel expérimental
L'équipement de revêtement laser utilise un laser à disque TruDisk, une tête de revêtement laser circulaire TRUMPF avec une taille de spot de 3 mm, un alimentateur de poudre coaxial continu RC-PGF, un bras robotisé KUKA et d'autres établis associés. Le substrat est en acier 150CrMo de 80 mm × 10 mm × 42 mm et la poudre de revêtement est une poudre mixte de 15 % en poids de WC et d'IN625. La morphologie de la poudre est illustrée à la figure 1 et la composition chimique du substrat et de la poudre d'IN625 est indiquée dans le tableau 1.

1.2 Méthodes expérimentales et d'essai
Français La méthode expérimentale de conception Taguchi est utilisée. Avec la puissance laser P, la vitesse de balayage Vs et le débit d'alimentation en poudre Vf comme objets de recherche, et le taux de dilution du revêtement et la microdureté comme indicateurs de réponse, une expérience orthogonale à trois facteurs et cinq niveaux est conçue pour optimiser les paramètres du processus de revêtement laser. Les résultats de mesure expérimentale sont présentés dans le tableau 2. Les paramètres de formation du revêtement en un seul passage sont mesurés à l'aide d'un microscope stéréo et le taux de dilution est calculé à l'aide de la formule simplifiée (1). Le testeur de dureté Vickers est utilisé pour tester la dureté de la section transversale de la couche de revêtement contournant les particules de WC. Le revêtement composite optimisé est analysé pour la phase et la microstructure à l'aide d'un diffractomètre à rayons X et d'un microscope électronique SEM, et le substrat et la couche de revêtement sont soumis à des tests de frottement. Formule (1) η=h/(h+H), où : η est le taux de dilution ; h est la hauteur de fusion ; H est la profondeur de fusion.

2 Résultats expérimentaux et analyse
2.1 Analyse de la morphologie macroscopique de la couche de revêtement
Comme le montre la figure 2, une énergie laser plus faible ne peut pas faire fondre complètement la poudre métallique et la surface du revêtement présente une mauvaise fusion locale, un collage de la poudre et d'autres problèmes de qualité de moulage ; une énergie laser trop élevée provoque une contrainte thermique importante dans le bain de fusion, des microfissures apparaissent sur la surface du revêtement et le substrat fond davantage. La vitesse de balayage plus faible augmente considérablement l'énergie d'irradiation laser par unité de temps et la surface du revêtement brûle ; une vitesse de balayage trop élevée réduit l'énergie laser et le revêtement présente une fusion incomplète de la poudre et une brillance réduite. L'augmentation du taux d'alimentation en poudre augmente la densité de la poudre de revêtement et améliore la hauteur du revêtement ; un taux d'alimentation en poudre excessif réduit l'absorption d'énergie du substrat et la diminution de la fluidité du bain de fusion entraîne un revêtement irrégulier et irrégulier.

2.2 Analyse des facteurs affectant le taux de dilution de la couche de revêtement
2.2.1 Analyse des facteurs principaux et secondaires affectant le taux de dilution
Français Le taux de dilution est une base importante pour juger de la liaison du revêtement. Le revêtement avec un taux de dilution plus faible a de mauvaises performances de liaison et est sujet au glissement ; le taux de dilution plus élevé est sujet à des défauts tels que des inclusions, des pores et des fissures. Le taux de dilution du revêtement a été analysé par analyse de minimisation, et ses réponses moyennes et de rapport signal/bruit sont présentées dans les tableaux 3 et 4. La valeur de plage Delta de chaque facteur représente le poids de la fluctuation horizontale du facteur sur la réponse du taux de dilution du revêtement. Le rapport signal/bruit est le rapport entre la moyenne de la réponse et la fluctuation moyenne, et est souvent utilisé pour mesurer la robustesse des performances expérimentales. Plus la valeur est élevée, mieux c'est. Grâce à une analyse complète, il s'avère que le facteur le plus important affectant le taux de dilution du revêtement composite à base de nickel est la puissance du laser, suivie du taux d'alimentation en poudre, et la vitesse de balayage a le plus petit poids sur le taux de dilution du revêtement.

2.2.2 Analyse de l’effet principal du taux de dilution
Comme le montre la figure 3, l'augmentation progressive de la puissance laser entraîne une augmentation rapide du taux de dilution de la couche de revêtement, l'augmentation de la profondeur de fusion du revêtement est supérieure à l'augmentation de la hauteur de fusion et la zone de fusion du substrat et de la couche de revêtement déposée augmente. L'augmentation de la vitesse de balayage réduit l'énergie laser effective et la masse de poudre par unité de temps, la hauteur et la profondeur du revêtement diminuent et le taux de dilution montre une lente tendance à la hausse. L'augmentation du taux d'alimentation en poudre entraîne l'accumulation continue de la hauteur de fusion du revêtement, l'augmentation de l'énergie d'absorption de fusion de la poudre, la zone de fusion du substrat correspondante diminue et le taux de dilution du revêtement montre une tendance globale à la baisse. Comme le montre la figure 4, lorsque la puissance laser est de 2000 W, le taux de dilution du revêtement est relativement faible et son taux de dilution moyen est de 32.64 % ; lorsque la puissance laser augmente de 2100 W à 2200 W, le taux de dilution moyen du revêtement augmente considérablement et son taux de dilution moyen augmente de 35.94 % à 45.53 % ; lorsque la puissance laser dépasse 2200 XNUMX W, le taux de dilution du revêtement a tendance à être plat.

2.2.3 Analyse interactive des facteurs affectant le taux de dilution
Comme le montre la figure 5 (figure couleur dans la version électronique, la même ci-dessous), lorsque le taux de dilution du revêtement composite à base de nickel est de 20 % à 30 %, la plage raisonnable de puissance laser, de vitesse de balayage et de vitesse d'alimentation en poudre doit être contrôlée dans la plage de 2000 2200 à 9 12 W, 1 à 1.2 mm·s-1.4 et 1 à 2200 r·min-2400 ; lorsque la puissance laser est de 1.0 1.2 à 1 XNUMX W et que la vitesse d'alimentation en poudre est de XNUMX à XNUMX r·min-XNUMX, le revêtement composite
Le taux de dilution est relativement élevé et la qualité du moulage est médiocre. Une analyse complète montre que lorsque la puissance du laser est de 2000 W, la vitesse de balayage est de 10 mm·s-1 et la vitesse d'alimentation en poudre est de 1.4 r·min-1, le taux de dilution du revêtement est relativement faible.

2.3 Analyse des facteurs affectant la microdureté de la couche de revêtement
2.3.1 Analyse des facteurs affectant la microdureté
Afin d'obtenir une forte résistance à l'usure, la microdureté du revêtement est analysée par l'analyse de la valeur maximale, et sa réponse moyenne et son rapport signal/bruit sont présentés dans les tableaux 5 et 6. Le classement des valeurs extrêmes de chaque facteur montre que la puissance laser a la plus grande influence sur la microdureté du revêtement, suivie de la vitesse d'alimentation en poudre, et la vitesse de balayage a le plus petit poids d'influence. La réponse moyenne est cohérente avec la réponse du rapport signal/bruit. En combinant le tableau de réponse du rapport signal/bruit, on peut juger que la puissance laser est à la fois un facteur de divergence et un facteur de position, c'est-à-dire que la puissance laser détermine dans une large mesure la direction de la microdureté du revêtement composite.

2.3.2 Analyse des principaux effets de la microdureté
Français La valeur moyenne de la microdureté sur la Figure 6 montre que l'augmentation de la puissance laser conduit à une diminution rapide de la microdureté de la couche de revêtement. Une énergie laser excessive affecte la vitesse de nucléation et la fluidité du bain de fusion, permettant à davantage de substrats de participer à la réaction de fusion, affectant ainsi le nombre et le type de grains de revêtement. L'augmentation de la vitesse de balayage entraîne d'abord une diminution de la microdureté globale du revêtement composite, puis une augmentation, puis une diminution. En effet, la vitesse de balayage a une grande influence sur la vitesse de refroidissement du bain de fusion. Le gradient de température généré à différentes vitesses de refroidissement pendant le processus de revêtement conduit à une surfusion différente lorsque la poudre et le substrat sont fusionnés et cristallisés, ce qui affecte l'état de nucléation des cristaux de revêtement et la vitesse et la direction de croissance des grains, provoquant une fluctuation de la microdureté du revêtement. L'augmentation de la quantité de poudre alimentée par unité de temps réduit la surfusion du bain de fusion, et la densité et les propriétés mécaniques de la couche de revêtement sont considérablement améliorées [7]. Comme le montre la figure 7, lorsque la puissance laser est comprise entre 2000 et 2100 W, la microdureté du revêtement est relativement importante, et la microdureté la plus élevée d'un seul échantillon est de 436.71 HV0.2 ; lorsque la puissance laser est de 2400 W, la microdureté du revêtement est la plus faible, qui est de 308.01 HV0.2.

2.3.3 Analyse interactive des facteurs affectant la microdureté
Comme le montre la figure 8, lorsque la microdureté du revêtement est comprise entre 380 et 450 HV0.2, la plage raisonnable de puissance laser, de vitesse de balayage et de vitesse d'alimentation en poudre doit être contrôlée dans la plage de 2000 à 2200 W, de 10 à 12 mm·s-1 et de 1.2 à 1.4 r·min-1. Une analyse complète montre que lorsque la puissance laser est de 2000 W, la vitesse de balayage est de 10 mm·s-1 et la vitesse d'alimentation en poudre est de 1.4 r·min-1, la microdureté du revêtement est relativement importante.

3 Vérification et analyse expérimentales
3.1 Analyse de la microstructure et des phases
La figure 9 montre les résultats de balayage de ligne depuis le haut du revêtement composite optimisé jusqu'au substrat. On peut voir que Fe, Cr, Ni, Mo, Nb, W et C sont répartis uniformément dans la zone de revêtement, la teneur en Ni est relativement élevée et la teneur en C est la plus faible. La forte fluidité au fond du bain de fusion entraîne un changement radical de la teneur en éléments au fond du revêtement. La teneur en Fe montre une tendance à l'augmentation spectaculaire vers le substrat, l'élément C augmente fortement puis diminue, et les éléments restants diminuent tous rapidement. D'après le spectre de DRX de la figure 10, on constate que la phase de revêtement composite contient du γ-Ni, du WC, du W2C, du NbC, du M6C et du M23C6, où M représente le Fe, le Cr et d'autres éléments. Une partie du WC réagit avec l'IN625 pour générer des carbures tels que le W2C, et le W2C réagit avec la poudre à base de nickel et le substrat pour générer de nouveaux carbures. Le processus de réaction est illustré par les équations (2) à (4).

La figure 11 montre la microstructure des régions supérieure, médiane et inférieure du revêtement composite. En raison du faible gradient de température G au sommet du revêtement et du taux de solidification R élevé, un grand nombre de cristaux fins équiaxes et de cristaux cellulaires apparaissent au sommet du revêtement, et il y a un petit nombre de dendrites irrégulières qui sont disposées de manière aléatoire. À mesure que le gradient de température G augmente, l'accumulation de chaleur augmente le taux de nucléation des dendrites et le taux de croissance des grains. Dans le même temps, la diminution du taux de cristallisation augmente le rapport G/R, et les dendrites fines et les structures eutectiques évoluent progressivement vers des structures de dendrites grossières densément disposées. Des cristaux cellulaires et des dendrites régulièrement disposés se trouvent au milieu du revêtement, la tendance de croissance des grains est croisée verticalement, les particules de WC sont relativement complètes et des précipités en blocs existent à la surface et autour du WC. Des dendrites fines et des cristaux cellulaires qui poussent perpendiculairement à la ligne de liaison apparaissent au bas du revêtement.

Le tableau 7 montre les résultats de l'analyse EDS des précipités intracristallins, des joints de grains et du WC au milieu du revêtement. En comparant l'intracristallin A avec le joint de grains B, on constate que le joint de grains contient des éléments Cr, Mo, Nb, C et W élevés, et l'intracristallin est riche en éléments Fe et Ni. De plus, la teneur en C dans le joint de grains et l'intracristallin est bien plus élevée que l'élément W, et les teneurs en C et W dans le joint de grains sont plus élevées que celles de l'intracristallin. La teneur en W dans les précipités contenant du carbone est considérablement augmentée, et les teneurs en Cr, Mo et Nb sont quelque peu augmentées par rapport à celles éloignées du WC. D'après les résultats de numérisation de la figure 12, on peut voir que des éléments tels que C, W et Nb sont ségrégués au joint de grains, et les éléments C, Fe, Ni et Cr représentent une proportion élevée, tandis que les éléments restants sont relativement uniformément répartis.

3.2 Analyse de microdureté
Comme le montre la figure 13, la dureté moyenne de la zone de placage est de 441.6 HV0.2 et sa microdureté la plus élevée est de 471.2 HV0.2, ce qui représente environ 1.7 fois la dureté de la matrice. Étant donné que la transformation de la phase de solidification est continuellement poussée du bas du bain de fusion vers le haut de la couche de placage pendant le processus de placage, le temps de croissance cristalline au bas du bain de fusion est supérieur à celui au sommet du revêtement. La structure granulaire fine et dense sur le dessus du revêtement favorise l'amélioration de la microdureté du revêtement, de sorte que la dureté de la couche de placage diminue progressivement dans son ensemble [11]. L'amélioration substantielle de la microdureté de la zone affectée par la chaleur est due au refroidissement rapide du laser, qui produit de la martensite dure et cassante trempée en forme d'aiguille près de la zone de fusion du substrat. Une grande quantité d'éléments d'alliage sursaturés précipite sur la martensite sous forme de carbures métalliques, ce qui améliore considérablement la microdureté de la zone affectée thermiquement. Dans les mesures réelles, on constate que la dureté de la zone proche des particules de WC est supérieure à celle de la zone éloignée des particules de WC, et la dureté des particules de WC peut atteindre 2804.3~3324.2HV0.2, ce qui améliore considérablement les propriétés mécaniques globales de la couche de revêtement.

3.3 Analyse du frottement et de l'usure
La figure 14 est une courbe de coefficient de frottement du substrat et du revêtement composite. On peut voir que lorsque le temps de frottement est de 300 s, le coefficient de frottement du substrat augmente lentement jusqu'à 0.73. En raison de la résistance élevée à l'usure de la phase dure WC, le coefficient de frottement du revêtement composite atteint un maximum de 0.90 au stade initial, et il tend à 0.61 de manière relativement constante après 800 s. En observant la morphologie de frottement et d'usure de la figure 15, on peut voir que le mécanisme d'usure du substrat est principalement l'usure adhésive et l'usure abrasive, accompagnées d'un grand nombre de débris et de piqûres. L'usure adhésive du revêtement composite est considérablement réduite, et son mécanisme d'usure est principalement l'usure abrasive. Les particules de phase dure WC uniformément réparties produisent un décollement de bloc le long de la direction de la cicatrice d'usure sous l'action de glissement de cisaillement continu de la paire de frottement. Combiné au spectre XRD, on peut voir que sous l'action de phases dures telles que WC, W2C et NbC, le revêtement composite améliore considérablement la résistance à l'usure du substrat.

4 Conclusions
Dans cet article, la méthode expérimentale de conception Taguchi a été utilisée pour revêtir le revêtement composite WC à base de nickel sur la surface du 42CrMo. La puissance du laser, le taux d'alimentation en poudre et la vitesse de balayage ont été utilisés comme facteurs d'influence, et le taux de dilution du revêtement et la microdureté ont été utilisés comme indicateurs de réponse. L'influence des paramètres du processus sur la qualité de formage et la mécanique du revêtement composite à base de nickel a été étudiée, et les conclusions suivantes ont été tirées :
(1) En combinant la réponse moyenne et l'analyse du rapport signal/bruit, il a été constaté que la puissance laser et le taux d'alimentation en poudre avaient une plus grande influence sur le taux de dilution et la microdureté du revêtement composite WC à base de nickel, et que la vitesse de balayage avait la plus faible influence. L'augmentation de la puissance laser a entraîné une augmentation significative du taux de dilution du revêtement, ce qui était dans la tendance opposée à la microdureté. Lorsque la puissance laser était de 2000 W, la vitesse de balayage était de 10 mm·s-1 et le taux d'alimentation en poudre était de 1.4 r·min-1, les performances globales du revêtement composite étaient meilleures.
(2) L'analyse de la composition de phase et de la microstructure du revêtement composite WC à base de nickel a révélé la présence de carbures de phase dure tels que WC, W2C et NbC à l'intérieur du revêtement. Le WC était bien combiné à la poudre d'alliage à base de nickel. Des structures eutectiques denses telles que des cristaux équiaxes irréguliers et des cristaux cellulaires étaient présentes sur la partie supérieure du revêtement. L'analyse du spectre énergétique de la partie médiane du revêtement a révélé la présence de précipités en blocs à forte teneur en W autour des particules de WC. Les teneurs en C et W dans les joints de grains étaient supérieures à celles des grains, et une ségrégation des éléments C, W et Nb s'est produite.
(3) La microdureté moyenne du revêtement composite était de 441.6 HV0.2 et la microdureté maximale était de 471.2 HV0.2, ce qui correspondait à environ 1.7 fois la dureté du substrat. La dureté de surface du WC pouvait atteindre un maximum de 3324.2 HV0.2. En observant la morphologie de l'usure du revêtement composite, il a été constaté que son mécanisme d'usure était l'usure abrasive et que le coefficient de frottement diminuait d'environ 0.12 par rapport au substrat, c'est-à-dire que la formation de particules de WC et de carbures de phase dure pouvait jouer un bon rôle dans l'amélioration des propriétés mécaniques.