W celu zbadania wpływu cząstek WC na mikrostrukturę i właściwości powłoki elewacyjne, FeCoCrNiMn-xWC wysoka entropia powłoki stopowe zostały przygotowane na powierzchni stali NM450 przy użyciu mocy lasera 1 200 W i prędkości skanowania 6 mm/s. Fazę, mikrostrukturę, właściwości mechaniczne i odporność na zużycie powłok badano za pomocą dyfraktometru rentgenowskiego (XRD), skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM), mikrotwardościomierza Vickersa oraz testera tarcia i zużycia. Wyniki pokazują, że gdy do powłoki stopu o wysokiej entropii FeCoCrNiMn dodano cząstki WC, mikrostruktura powłoki kompozytowej stopu o wysokiej entropii składa się głównie z faz FCC i BCC, zawierających niewielką ilość faz WC, W2C i Cr7C3, a mikrostruktura ma strukturę kryształu kolumnowego i komórkowego. Powłoka kompozytowa z 10% WC ma najlepszą kompleksową wydajność, a mikrotwardość osiąga maksymalną wartość 484.5 HV0.3; współczynnik tarcia wynosi 0.58, a strata zużycia i szybkość zużycia są najniższe i wynoszą odpowiednio 0.011 4 g i 0.857×10-5 g/(N·m). Tryb zużycia powłoki kompozytowej to głównie zużycie ścierne i zużycie utleniające, którym towarzyszy zużycie adhezyjne.

Stopy o wysokiej entropii stały się przedmiotem badań nowych materiałów ze względu na ich zalety wysokiej wytrzymałości, wysokiej twardości, odporności na zużycie, odporności na korozję i odporności na wysoką temperaturę. Godną uwagi cechą stopów o wysokiej entropii jest różnorodność ich pierwiastków. W przeciwieństwie do tradycyjnych stopów, które zwykle mają tylko jeden lub dwa główne pierwiastki metalowe, stopy o wysokiej entropii mają dużą liczbę pierwiastków składowych, a proporcja atomowa każdego pierwiastka jest wysoka, zwykle 5%~35%. Chociaż stopy o wysokiej entropii zawierają wiele pierwiastków metalicznych, mogą tworzyć prostą fazę stałego roztworu i mają lepsze parametry niż tradycyjne stopy. Stopy o wysokiej entropii mają wiele doskonałych właściwości, takich jak wysoka wytrzymałość, wysoka twardość, dobra odporność na zużycie, odporność na wysoką temperaturę oraz doskonała odporność na korozję i utlenianie. Te cechy sprawiają, że stopy o wysokiej entropii mają szerokie perspektywy zastosowania w przemyśle lotniczym, samochodowym, petrochemicznym, elektroenergetycznym, biomedycynie i innych dziedzinach. Poprzez nakładanie laserowe przygotowuje się powłoki stopowe o wysokiej entropii, które są dobrze związane z podłożem, a zalety obu są łączone w celu promowania dalszego stosowania stopów o wysokiej entropii w produkcji przemysłowej. Na przykład w dziedzinie lotnictwa i kosmonautyki stopy o wysokiej entropii mogą być używane do produkcji komponentów wysokotemperaturowych i odpornych na korozję; w dziedzinie petrochemii mogą być używane do produkcji rur i urządzeń odpornych na korozję; w dziedzinie maszyn górniczych węgla mogą być używane do produkcji części z powłokami odpornymi na zużycie o wysokiej wytrzymałości.

Technologia napawania laserowego umożliwia szybkie lokalne nagrzewanie i topienie, co zmniejsza ilość odpadów surowców i upraszcza przebieg procesu; technologia napawania laserowego charakteryzuje się szybkim chłodzeniem, dzięki czemu przygotowana struktura ziarna powłoki jest drobna i równomiernie rozłożona, co pomaga poprawić gęstość i parametry powłoki, takie jak twardość, odporność na zużycie, odporność na korozję itp.; w trakcie procesu napawania laserowego pomiędzy powłoką a podłożem tworzy się wiązanie metalurgiczne, co znacznie poprawia wytrzymałość wiązania pomiędzy powłoką a podłożem, pomaga wydłużyć żywotność powłoki i zmniejszyć zjawisko zrzucania i pękania powłoki; technologia napawania laserowego może naprawiać i modyfikować powierzchnię uszkodzonych części, co pomaga zmniejszyć marnotrawstwo zasobów i zanieczyszczenie środowiska oraz osiągnąć zrównoważony rozwój.

W ostatnich latach wzmocnienie powłoki kompozytowej stopów o wysokiej entropii poprzez dodanie twardych cząstek stało się gorącym tematem badań. Typowe twarde cząstki obejmują WC, TiC i SiC. Wśród nich WC ma zalety wysokiej twardości, dobrej stabilności termicznej i dobrego zwilżania metalami. Cząsteczki WC mogą skutecznie zwiększać wytrzymałość, twardość i odporność na zużycie powłok kompozytowych stopów o wysokiej entropii. W tym artykule technologia napawania laserowego jest wykorzystywana do badania stopu FeCoCrNiMn o wysokiej entropii. Badany jest wpływ dodawania różnych zawartości WC na skład fazowy, mikrostrukturę, mikrotwardość i odporność na zużycie powłoki stopu o wysokiej entropii. Poprzez dostosowanie ilości dodanego WC, przygotowywana jest powłoka kompozytowa stopu FeCoCrNiMn-xWC o wysokiej entropii o dobrych parametrach, która jest stosowana do przygotowania powłoki odpornej na zużycie na powierzchni środkowego koryta przenośnika zgrzebłowego kopalni węgla.

1 Materiały i metody doświadczalne
(1) Podłoże testowe Podłoże testowe stanowiła stal NM450. Aby mieć pewność, że powierzchnia próbki jest wolna od zanieczyszczeń, najpierw wypolerowano ją papierem ściernym, następnie wyczyszczono ultradźwiękowo i na koniec wysuszono przed badaniem.
(2) Materiał proszkowy W teście wybrano proszek stopu FeCoCrNiMn o wysokiej entropii jako materiał podłoża powłoki. Skład chemiczny przedstawiono w tabeli 1. Wielkość cząstek proszku wynosi 45~105 μm. Ceramika WC została wybrana jako cząstki fazy wzmacniającej. W teście powłoki zastosowano dwukanałowy podajnik proszku, aby regulować ilość dodawanej ceramiki WC w czasie rzeczywistym, aby zapewnić płynny przebieg testu. Stopy FeCoCrNiMn-xWC o ułamkach masowych WC wynoszących 0, 5%, 10%, 15% i 20% zaprojektowano zgodnie z wybranymi proszkami. Skład przedstawiono w tabeli 2.
(3) Przygotowanie powłoki okładziny laserowe parametry procesu użyte w eksperymencie to: moc lasera 1 200 W, defocus 15 mm, prędkość skanowania 6 mm/s, 99.99% ochrony argonowej podczas procesu napawania i natężenie przepływu argonu 15 l/min. Eksperyment jest zaprojektowany tak, aby mieć 5 grup próbek, a 5 grup próbek jest testowanych oddzielnie. Grubość powłoki każdej grupy próbek wynosi 1 mm.
(4) Charakterystyka powłoki Po zakończeniu nakładania powłoki próbka testowa jest cięta prostopadle do kierunku nakładania powłoki za pomocą cięcia drutem. Po cięciu powierzchnia próbki jest lekko polerowana w celu usunięcia plam oleju pozostawionych podczas cięcia, a zanieczyszczenia powierzchni próbki są czyszczone ultradźwiękowo w urządzeniu ultradźwiękowym, aby próbka była całkowicie czysta i wyeliminowała zakłócenia w kolejnych testach. Makroskopową morfologię powłoki obserwowano za pomocą mikroskopu stereoskopowego RY-7045. Próbkę korodowano wodą królewską (stosunek molowy HCl do HNO3 wynosił 3:1) przez 10-20 s. Mikrostrukturę powłoki obserwowano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) JSM-5610LM. Fazę powłoki analizowano za pomocą dyfraktometru rentgenowskiego (XRD) D/max2500. Kąt skanowania wynosił 20°-100°, krok skanowania wynosił 0.05°, a prędkość skanowania wynosiła 4°/min. Twardość próbki sprawdzono za pomocą mikroskopowego twardościomierza Vickersa PCHVT-1000Z. Obciążenie wynosiło 300 g, a czas utrzymywania 10 s.

Charakterystykę tarcia i zużycia powłoki mierzono za pomocą testera tarcia i zużycia GHT-1000EM. Próbki tarcia i zużycia były wstępnie szlifowane na płasko i polerowane, aż nie było widocznych zarysowań. Materiałem pary ciernej była hartowana i odpuszczana stal GCr15. Obciążenie ustalono na 300 g, czas testu wynosił 1 s, prędkość silnika wynosiła 800 obr./min, średnica tarcia wynosiła φ450 mm, a częstotliwość silnika wynosiła 6 Hz. Po teście obserwowano trójwymiarową morfologię śladów zużycia na powierzchni próbki za pomocą mikroskopu stereoskopowego.
Powłoka jest charakteryzowana przez stosunek ilości zużycia do pracy wykonanej przez obciążenie, ω = M/FS (1)
Gdzie M to stopień zużycia, g; F to obciążenie testowe, N; S to całkowita droga tarcia, S = 169 646 mm.

2 Wyniki eksperymentów i analizy
(1) Makromorfologia powłoki okładzinowej
Makromorfologia powierzchni powłoki okładzinowej jest pokazana na rysunku 1. Morfologia powierzchni powłoki okładzinowej jest dobrze uformowana, a powierzchnia jest płaska. Nie stwierdzono żadnych defektów, takich jak pęknięcia i dziury. Wraz ze wzrostem zawartości WC na powierzchni występuje przywieranie i aglomeracja proszku. Analiza pokazuje, że wraz ze wzrostem zawartości WC zmniejsza się płynność proszku, a temperatura powierzchni powłoki. Inna część jest spowodowana rozpryskiwaniem się roztopionego jeziorka.
(2) Analiza fazowa powłoki okładzinowej
Widmo XRD powłoki okładzinowej pokazano na rysunku 2. Jak pokazano na rysunku 2, powłoka kompozytowa FeCoCrNiMn-xWC składa się głównie ze struktury fazy FCC i fazy BCC. Można wyraźnie zobaczyć, że wraz ze wzrostem dodatku WC pik dyfrakcyjny fazy FCC wzrasta, a pik dyfrakcyjny fazy BCC maleje. Gdy dodatek WC osiągnie 10% WC, pik dyfrakcyjny fazy BCC prawie całkowicie zanika. Cząsteczki WC mogą wytrącać się z matrycy powłoki w postaci osadów. Te wytrącone cząstki WC utworzą dodatkowe fazy wzmacniające w powłoce, poprawiając twardość i odporność na zużycie powłoki. Wzmocnienie wydzieleniowe zmieni skład i rozkład struktury fazy powłoki, wpływając tym samym na ogólną wydajność powłoki. Zwiększenie WC zmieni mikrostrukturę i skład faz strefy wpływu ciepła, ponieważ wysoka temperatura topnienia i stabilność termiczna WC wpłyną na powstawanie i ewolucję strefy wpływu ciepła. Ta zmiana w strefie wpływu ciepła będzie miała dalszy wpływ na formowanie i działanie struktury fazy powłoki. Po drugie, cząstki WC rozpuszczą się w sieci matrycy powłoki, tworząc stały roztwór, co poprawi twardość i wytrzymałość matrycy.
(3) Analiza mikrostruktury powłoki okładzinowej
Mikrostruktura powłoki okładzinowej jest pokazana na Rysunku 3. Jak pokazano na Rysunku 3 (a), gdy nie dodaje się cząstek WC, powłoka składa się głównie z kryształów równoosiowych, długości kryształów we wszystkich kierunkach są mniej więcej równe, a odstępy między kryształami są niewielkie; jak pokazano na Rysunkach 3 (b) i 3 (c), gdy dodaje się 5% WC i 10% WC, w kryształach powłoki kompozytowej zaczyna pojawiać się niewielka ilość niestopionych cząstek WC. Gdy kryształy równoosiowe stają się drobniejsze, przekształcają się w dendryty kolumnowe, a ziarna mikrostruktury stają się drobniejsze. Po dodaniu 10% WC powłoka kompozytowa ulega znacznemu udoskonaleniu; jak pokazano na Rysunkach 3 (d) i 3 (e), gdy dodaje się 15% WC i 20% WC, kryształy kolumnowe powłoki kompozytowej zmniejszają się, a mikrostruktura składa się głównie z kryształów komórkowych. Pokazuje to, że zwiększenie liczby cząstek WC sprzyja rafinacji struktury stopu, a interakcja między cząstkami WC a matrycą będzie również sprzyjać wzmocnieniu drobnoziarnistemu.
(4) Analiza twardości powłoki okładzinowej Mikrotwardość przekroju powłoki okładzinowej pokazano na rysunku 4. Twardość powłoki kompozytowej FeCoCrNiMn-xWC została znacznie poprawiona po dodaniu cząstek WC. Gdy nie dodano cząstek WC, średnia mikrotwardość powłoki wynosi 393.8 HV0.3; gdy zawartość WC wynosi 5%, 10%, 15% i 20%, średnia mikrotwardość powłoki kompozytowej wynosi 431.9 HV0.3, 484.5 HV0.3, 450.6 HV0.3 i 430.1 HV0.3. Dzieje się tak, ponieważ wysoka twardość samego WC może skutecznie poprawić twardość powłoki kompozytowej stopu o wysokiej entropii. Po drugie, podczas powlekania niektóre cząstki WC będą generować pierwiastki C na skutek pękania w wysokiej temperaturze, a węgliki (Fe3C, Cr7C3, W2C) generowane przez pierwiastki C oraz Fe, Cr, W i inne pierwiastki również sprzyjają poprawie mikrotwardości powłoki.
(5) Analiza tribologiczna powłoki okładzinowej Wykres zależności współczynnika tarcia od czasu pokazano na rysunku 5. Gdy do powłoki okładzinowej nie dodano WC, średni współczynnik tarcia powłoki kompozytowej wynosi 0.69; gdy dodano cząstki WC o ułamku masowym 5%, współczynnik tarcia powłoki kompozytowej wynosi 0.72; gdy dodano cząstki WC o ułamku masowym 10%, średni współczynnik tarcia powłoki kompozytowej jest najmniejszy i wynosi 0.58; gdy dodano cząstki WC o ułamku masowym 15%, średni współczynnik tarcia powłoki kompozytowej wynosi 0.86; gdy dodano cząstki WC o ułamku masowym 20%, średni współczynnik tarcia powłoki kompozytowej wynosi 0.59.

Gdy WC jest dodawane do powłoki, może znacznie zwiększyć twardość powłoki. Poddana zewnętrznemu zużyciu powłoka o wysokiej twardości może skuteczniej opierać się przecinaniu i zarysowywaniu cząstek ściernych, tym samym poprawiając odporność na zużycie. Dodanie WC może również udoskonalić wielkość ziarna powłoki, tym samym poprawiając wytrzymałość i twardość powłoki. Udoskonalone ziarna mogą zwiększyć odporność na ślizganie dyslokacyjne i poprawić odporność powłoki na zużycie. Wraz ze wzrostem zawartości WC współczynnik tarcia ma tendencję do wzrostu. Dzieje się tak, ponieważ zbyt wiele cząstek WC może osłabić siłę wiązania między powłoką a podłożem. Poddana zewnętrznemu zużyciu powłoka jest bardziej podatna na odklejanie się od podłoża, tym samym zmniejszając odporność na zużycie.
Szybkość zużycia każdej warstwy okładziny oblicza się według wzoru (1), a wykres słupkowy ilości zużycia i szybkości zużycia powłok kompozytowych FeCoCrNiMn-xWC o różnej zawartości WC przedstawiono na rysunku 6. Szybkość zużycia powłoki okładzinowej FeCoCrNiMn bez cząstek WC wynosi 1.308×10-5 g/(N·m), szybkość zużycia powłoki kompozytowej 5% WC wynosi 1.278×10-5 g/(N·m), szybkość zużycia powłoki kompozytowej 10% WC wynosi 0.857×10-5 g/(N·m), szybkość zużycia powłoki kompozytowej 15% WC wynosi 0.917×10-5 g/(N·m), a szybkość zużycia powłoki kompozytowej 20% WC wynosi 0.910×10-5 g/(N·m). Spośród nich, stopień zużycia i szybkość zużycia powłoki kompozytowej o zawartości WC 10% są najniższe, a odporność na zużycie jest najlepsza.
Mikromorfologia śladu zużycia powłoki po teście tarcia i zużycia jest pokazana na Rysunku 7. Rysunek 7 (a) pokazuje, że bez dodawania WC, morfologia śladu zużycia powłoki kompozytowej wykazuje silną przyczepność, materiał klejący powierzchni jest oczywisty i głównie przyczepność, a głównym trybem zużycia jest zużycie adhezyjne; Rysunek 7 (b) pokazuje morfologię śladu zużycia powłoki kompozytowej 5% WC. Dodanie śladowych ilości WC ma oczywisty wpływ redukujący zużycie powłoki kompozytowej, redukując łuszczenie się powłoki, a w obszarze zużycia widoczne są wyraźne strugi i tlenki metali; Rysunek 7 (c) pokazuje morfologię zużycia powłoki kompozytowej 10% WC, w której strugi są zmniejszone, a łuszczenie zwiększone; Rysunek 7 (d) pokazuje morfologię zużycia powłoki kompozytowej 15% WC, w której widoczne są łuszczenie się i tarcie, a tlenek metalu na powierzchni powłoki kompozytowej wzrasta; Rysunek 7 (e) przedstawia morfologię blizny zużycia powłoki kompozytowej 20% WC. Gdy doda się więcej cząstek WC, zjawisko delaminacji i złuszczania w obszarze zużycia powłoki ulega znacznemu zmniejszeniu, a objętość wżerów również ulega zmniejszeniu. Cr może tworzyć węgliki, takie jak Cr7C3 i Fe3C z pierwiastkami takimi jak Fe i C, i tworzyć Cr2O3 przy stałym smarowaniu z O. WC utworzy stały roztwór W2C po rozkładzie, co poprawia odporność na zużycie warstwy okładziny. Podsumowując, w połączeniu z analizą teorii tribologicznej, forma zużycia powłoki kompozytowej to głównie zużycie ścierne i zużycie oksydacyjne, którym towarzyszy zużycie adhezyjne.

Aplikacja 3
Wyniki tego artykułu zostały wykorzystane w produkcji powłoki powierzchniowej środkowego rowka przenośnika zgrzebłowego typu SGZ800/1710 do transportu węgla w kopalni Xi'an Heavy Equipment Pubai Coal Mine Machinery Co., Ltd., a grubość powłoki osiągnęła 3 mm. Po 240-dniowym teście przemysłowym w kopalni węgla grubość zużycia środkowego rowka wynosiła 3~5 mm, podczas gdy grubość zużycia odpornej na zużycie płyty NM450 wynosiła 5~10 mm, a jej odporność na zużycie znacznie się poprawiła.

Wnioski 4
(1) Dodanie cząstek WC znacząco zmieniło mikrostrukturę powłoki. Mikrostruktura powłoki FeCoCrNiMn-xWC składa się głównie z kryształów równoosiowych i dendrytów kolumnowych. Wraz ze wzrostem zawartości WC, cząstki WC i fazy BCC również wzrastają, a mikrostruktura powłoki ulega znacznemu udoskonaleniu. Mikrostruktura składa się głównie z fazy FCC i fazy BCC i zawiera niewielką ilość fazy WC, W2C i Cr7C3.
(2) Ilość dodanych cząstek WC ma istotny wpływ na właściwości mechaniczne powłoki. Wraz ze wzrostem zawartości WC mikrotwardość warstwy okładzinowej znacznie wzrasta. Średnia mikrotwardość powłoki okładzinowej z 10% WC jest najwyższa i osiąga maksymalną wartość 484.5 HV0.3.
(3) Strata zużycia i szybkość zużycia powłoki okładzinowej 10% WC są najniższe i wynoszą odpowiednio 0.011 4 g i 0.857×10-5 g/(N·m). Odporność na zużycie jest najlepsza. Tryby zużycia to głównie zużycie ścierne i zużycie utleniające, którym towarzyszy zużycie adhezyjne.