研究论文
RESEARCH
Inconel617合金作为镍基高温合金中的一种，在1100℃高温下具有很好的瞬时和长期机械性能。该合金在热腐蚀领域中如硫化环境，尤其是在高达1100℃循环的氧化和碳化环境中具有极好的耐腐蚀能力。这些耐腐蚀性加上出的机械性能，使这种合金特别适用于高温领域，主要应用于工业和航空汽轮机部件、管道和陆用燃气涡轮的转换衬垫等[1]。 研究表明，Inconel617合金材料在实际应用中以耐腐蚀性、高温抗氧化性能和耐磨性为主。但是其本身耐磨性比较低，不利于汽轮机持久工作。提高这种合金的性能和寿命，取决于其材料中气体含量、显微组织、表面的致密化等。Inconel617材料的显微组织细化、成分均匀化能提高其耐腐蚀性、高温抗氧化性和耐磨性等[2-3]。Inconel617合金工作时工作面主要在其表面，为了大幅度提高其耐磨性，在合金表面涂覆一层陶瓷粉末WC-CoCr。WC-CoCr的耐磨性极好，可采用热喷涂或高能束处理形成一定厚度的涂层。 WC-CoCr涂层中WC是硬质合金，工业上常用来提高耐磨性；Co元素可以与WC很好地相润湿；Cr元素可提高合金的高温抗氧化能力。所以用WC-CoCr合金来提高Inconel617的耐磨性，从而改善基体的高温抗
Inconel617合金表面电子束熔覆WC-CoCr显微组织 和耐磨性研究*
刘海浪，王 波，李 行，黄以平
（桂林电子科技大学机电工程学院, 桂林541004）
[摘要] Inconel617合金材料在实际应用中以耐腐蚀性、高温抗氧化性能和耐磨性为主。但是，其本身耐磨性比较低。为了提高Inconel617合金表面耐磨性，采用高速火焰喷涂与电子束表面改性技术在Inconel617合金表面制备了WC–CoCr陶瓷涂层。分析了合金层的微观组织结构和元素分布情况，测试了合金层的硬度与耐磨性。结果表明，在电子束熔覆处理过程中，涂层重熔与基体形成冶金结合，使其耐磨性能大大提高。熔覆层硬度相比Inconel617合金硬度高出620HV0.3。
关键词： Inconel617合金；电子束熔覆；WC–CoCr涂层；微观组织
Investigation on Microstructures and Wear Properties of Electron Beam Cladding
WC–CoCr on Inconel617
LIU Hailang, WANG Bo, LI Hang, HUANG Yiping
(School of Electromechanical Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China) [ABSTRACT] The material of Inconel617 alloy has the properties of corrosion resistance, high temperature oxidation resistance and wear resistance in the practical application. But, its wear resistance is poor. In order to improve the wear re-sistance of Inconel617 alloy, HVOF (high velocity oxygen fuel) and electron beam surface modification technology were used to prepare WC-CoCr ceramic coating on Inconel617 alloy. The microstructure and element distribution of the alloy layer were analyzed. Hardness and wear resistance of the alloy layer were tested. The results show that in the process of electron beam processing, the forming metallurgical bond of coating remelting and matrix could increase wear resistance significantly. Compared with the substrate, hardness of the cladding layer improves significantly.
Keywords: Inconel617 alloy; Electron beam cladding; WC-CoCr coating; Microstructure
DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2017.21.102
*基金项目：桂林电子科技大学研究生教育创新计划资助项目
（YJCXS201507）；广西制造系统与先进制造技术重点实验室主任基
金项目（14-045-15-011Z）。
研究论文
RESEARCH
氧化能力，弥补了Inconel617合金在工业应用中耐磨性不足的问题。相对于Cr 3C 2、TiC、SiC 等，WC-CoCr 更具性能上的优势：（1）WC-CoCr 的密度大，在电子束熔覆过程中不会出现上浮与高温氧化等问题；（2）在高温环境下WC-CoCr 硬度和弹性模量较高，并且具有较小的膨胀系数；（3）WC-CoCr 的耐热冲击性、耐腐蚀性和耐磨性优良；（4）在高温环境中Inconel617中的Fe、Co、Ni 等元素可以和WC-CoCr 很好地相润湿。因此熔覆粉末选用WC-CoCr 能很好地起到弥散强化覆层的作用，使试件表面的机械性能、耐腐蚀性以及抗氧化性能大大提高[4]。
本文利用高能电子束技术在Inconel617合金表面熔覆WC-CoCr 涂层，研究改性层的显微组织、硬度及耐磨性。
1 试验方法
1.1 试样制备
选取Inconel617合金作为基体材料，化学成分原子百分含量为：22% Cr、12.5% Co、9% Mo、1.2% Al、0.07% C、1.5% Fe、0.5% Mn、0.5% Si、0.008% S、0.3% Ti、0.2% Cu，余量为Ni。试样尺寸
为Φ30mm×6mm。
首先，对尺寸规格为Φ30mm×6mm 的Inconel617合金表面进行打磨，消除线切割带来的切削加工痕迹。涂层要与基体结合良好，基体表面需要有一定的粗糙度，因此要对其表面进行喷砂处理，最后用丙酮对试样浸泡、刷洗，以清除试样表面的油污、锈蚀及其他污染物[5]。其次，再进行高速火焰喷涂，涂层厚度约为肽链内切酶
200μm。热喷涂工艺流程如图1所示[6]
。本次试验所用设备为桂林电子科技大学高能束装备及工艺研究室的SEB(J)6/60/40/30型电子束加工集成系统。该集成系统装备4把电子束发射，集电子束熔炼、提纯、焊接、悬浮区熔、表面扫描处理于一体，是复合型多功能高能电子束装备。采用线扫描方式对表面喷WC-CoCr 的Inconel617合金试样进行单道熔覆处理，焊室真空度为3×10-2Pa，室真空度为1×10-3Pa。加速电压50kV，聚焦电流350mA，束流60mA，扫描速度1000mm/min。
1.2 试验方法
采用电火花线切割机床将试件割成小块金相试样和磨损试样，并且对金相试样进行打磨、抛光、腐蚀处理，采用扫描电子显微镜对熔覆层组织进行观察，用显微硬度计对试样显微硬度进行测试，采用磨损试验机对磨损试样进行耐磨性试验[7-8]。
2 试验结果与讨论
2.1 微观组织分析
Inconel617合金喷WC-CoCr 涂层截面形貌如图2所示，左边白区域为WC-CoCr 涂层，右边灰区域为Inconel617合金基体。高速火焰喷涂的WC-CoCr 涂层与基体明显为典型的机械结合，容易剥落。涂层中不可避免地存在细小孔隙和裂纹，严重影响其使用性能。
图3为WC-CoCr 涂层经电子束熔覆处理后的截面形貌。在电子束处理过程中，涂层全部熔化的同时基体表面微熔，然后迅速冷却，形成了合金层，实现了冶金结合。WC-CoCr 涂层经电子束熔覆处理后，截面形貌致密均匀，没有气孔和裂纹，和基体很好地结合在一起，如图3（a）所示。在冷却过程中，WC-CoCr 涂层中WC 形成了特殊的枝状晶体，均匀分布在CoCr 基体中，如图3（b）所示。
2.2 熔覆层显微硬度分析
由图4可见，电子束熔覆层的显微硬度在1090~1110HV 0.3之间，约为Inconel617合金基体显微硬
40μm
图2 Inconel617喷WC-CoCr涂层截面形貌
Fig.2 Cross-section morphologies of spraying WC-CoCr
coating of Inconel617
日落黄
（a）截面涂层/基体
（b）冷却过程中截面形貌
图3 电子束熔覆处理后截面形貌
Fig.3 Backscattered electron SEM micrographs showing details of
the coating microstructure after EB-remelting
图1 热喷涂工艺流程
Fig.1 Thermal spraying process
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RESEARCH
度（480~490HV 0.3）的2.2~2.3倍，未处理前WC-CoCr 涂层硬度约为895~910HV 0.3。由于熔覆层的显微组织比较均匀细小，作为硬化相的WC 和W 2C 分布也比较均匀，所以熔覆层整体显微硬度没有大的波动。由于在熔覆层和基体界面附近组织中WC 和W 2C 很少，试样的显微硬度在接近界面处时快速下降至基体的显微硬度。熔覆层表面硬度的显著提高，有利于耐磨性能的改善。2.3 熔覆层耐磨性分析
图5展示了基体表面和电子束熔覆处理后材料表面的耐磨性能，试样经过电子束熔覆处理后，耐磨性能相对于基体而言提高了7倍有余，熔覆层耐磨性的提高也是熔覆层整体性能改善的有效保证。熔覆层硬度、强度等综合性能的提高是改善复合涂层性能的必然途径与基本保证，同时促进 WC 颗粒与Inconel617镍基材间的结合强度，即提高了镍基合金对 WC 颗粒的支承能力，这对提高熔覆层的整体耐磨性非常有利[9]。
适销对路在摩擦磨损过程中，主要是SiC 砂纸中的硬质SiC 磨粒对较软的CrCo 基材产生严重的犁削作用，在表面磨划出较深的划沟。随着摩擦磨损的进行，包覆在WC 颗粒表面的CrCo 材料被大量磨削掉，使硬质的WC 颗粒凸露出来，在随后的摩擦过程中，WC 颗粒最先接触
到SiC 磨粒，阻碍着SiC 磨粒继续对软基体的磨削，起
到一定的缓和作用。在循环的法向载荷挤压和剪切应力作用下，枝状WC 颗粒边缘材料出现了少量的脱落，这些脱落的硬质磨屑在随后摩擦中又起着磨粒的作用，对CrCo 基体进行磨削，这是典型的磨粒磨损形式。
3 结论
（1）采用高速火焰喷涂和高能电子束表面熔覆方法相结合制备合金层。涂层与基体结合良好，为冶
金结合。熔覆层WC 和W 2C 为枝状晶体，均匀分布在CoCr 中。（2）Inconel617合金表面电子束熔覆WC-CoCr 涂层可使显微硬度由基体的480~490HV 0.3提高到1090~1110HV 0.3。（3）电子束熔覆陶瓷涂层WC-CoCr，可使基体耐磨性能提高7倍有余。
参 考 文 献
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1600
1400120010008006004002000
磨损速率/（10-7m m 3·N -1·m -1）
Inconel617
熔覆层
材料
图5 熔覆层和基体磨损速率
Fig.5 Sliding wear rate of the WC-CoCr coating after
EB-alloying
图4 熔覆层试样横截面的显微硬度分布
Fig.4 Microhardness distribution of the depth along the
coating 硬度（H V 0.3）
12001000800600400200
0 50 100 150 200 250 300
距表面的距离/μm （下转第109页）
研究论文
RESEARCH
舌下腺囊肿口外型5 结论
针对飞机发动机传统安装方法的效率低、精度差等问题，本文提出了基于视觉的发动机数字化安装系统设计方案。对系统的数控调姿平台进行了运动学分析，给出了飞机发动机安装的离线轨迹和在线轨迹的规划方法，其中离线轨迹是自动安装的基础，但由于校准过程带来的偏差，发动机很难按照离线轨迹完成安装，这就需要实时对离线轨迹进行在线修正，将在线规划的轨迹作为发动机的安装路径。通过数字化安装系统对两种轨迹规划方法进行了验证，实现了飞机发动机的自动化安装。试验结果表明，这种新型的数字化安装技术能够稳定、高效地完成飞机发动机的安装工作，与传统方法相比，提高了安装精度、缩短了工作周期、减小了人力成本，具有一定的应用前景。
参 考 文 献
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通讯作者：盛贤君，博士、教授，研究方向为数控及数字化制造系统，E-mail: sxianjun@dlut.edu。
（责编 古京 铃兰）
706050403020100
500 1000 1500 2000 2500 3000
X 轴坐标/mm 离线轨迹规划在线轨迹规划实时位置偏差
Z 轴坐标/m m
图7 规划轨迹在X -Y 平面上的映射
Fig.7 Planned trajectory mapping upon X -Y
X 轴坐标/mm
Y 轴坐标/mm Z 轴坐标/m m
65
6055504540353025200 500 1000 1500 2000 2500 3000
500400
300
200100
离线轨迹规划在线轨迹规划图8 发动机安装的轨迹
Fig.8 Trajectory of engine installation
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通讯作者：刘海浪，硕士、副教授，研究方向为高能束加工工艺及材料表面改性研究，E-mail：123529746@qq。
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