摘要：为解决65 Mn钢旋耕刀耐磨性不足、使用寿命短的问题，采用激光熔覆技术在其表面制备Ni 60/WC复合涂层。研究了扫描速度（400、800、1200 mm/min）对涂层微观结构、硬度、耐磨性及耐腐蚀性能的影响。试验结果表明，激光功率1500 W、扫描速度800 mm/min为优化工艺参数，此时涂层稀释率28%适中，组织致密均匀，主要由细晶γ-Ni固溶体、枝晶间共晶及弥散分布的硬质碳化物组成，表面硬度高达1086 HV，约为基体的3.5倍；摩擦磨损试验结果表明，涂层的平均摩擦系数为0.0771，磨损体积较基体减少86%，耐磨性显著提升。在3.5 wt%NaCl溶液中，涂层的腐蚀电流密度较基体降低一个数量级，表现出优异的耐腐蚀性能。研究结果证实了激光熔覆Ni 60/WC涂层是一种有效提升旋耕刀表面性能的技术途径。

　　关键词：激光熔覆；旋耕刀；Ni 60/WC涂层；显微组织；耐磨性；耐腐蚀性

　　1.引言

　　在现代农业生产体系中，农业机械的可靠性与耐久性是保障作业效率与降低生产成本的核心因素。旋耕刀作为旋耕机的关键触土工作部件，负责切割、破碎和翻转土壤，其工作环境恶劣，长期承受土壤颗粒、砂石等的磨料磨损、冲击载荷以及土壤中水分、肥料、农药等介质的化学与电化学腐蚀[1-3]。传统旋耕刀多采用65Mn等中高碳钢制造，虽经热处理后具备一定的强度和韧性，但表面硬度和耐磨性不足，导致刀口易钝化、磨损快，使用寿命有限。频繁更换刀具不仅增加了农资消耗和维修成本，也影响了耕作时效与作业质量。因此，对旋耕刀表面进行强化改性，提升其耐磨与耐腐蚀性能，是农机装备领域亟待解决的重要课题。

　　表面改性技术是提升材料表面性能的有效途径。近年来，激光熔覆（Laser Cladding）作为一种先进的增材制造与表面工程技术，在机械零部件修复与强化领域展现出巨大潜力[4-6]。该技术利用高能量密度激光束将同步或预置的合金粉末与基体表面薄层瞬间熔融，经快速凝固后形成与基体呈冶金结合的熔覆层。激光熔覆具有热输入集中、热影响区小、熔覆层组织致密、成分与厚度可控性强等优点，能够在不改变基体整体力学性能的前提下，显著提升其表面的硬度、耐磨、耐蚀、耐高温等特性[7-9]。

　　目前，激光熔覆技术已在航空航天、模具、能源装备等领域得到成功应用，但在农业机械领域中类似旋耕刀量大、面广易损件上的规模化应用研究尚待深化。已有学者尝试将激光熔覆应用于农机部件，例如向南鑫等研究了高速激光熔覆铁基非晶合金涂层，获得了耐磨性优异的表面层[1]；赵阳等探讨了激光熔覆高熵合金涂层的组织与性能[10]；吴腾则聚焦于利用激光熔覆提升旋耕刀片表面性能[2]。这些研究为激光熔覆技术在农业装备领域的应用提供了有益借鉴，但针对旋耕刀特定工况（如复合磨损、泥水腐蚀）的系统性工艺-组织-性能关联研究，特别是采用成本效益较高的镍基复合涂层体系的研究仍需进一步深入。

　　基于此，以农机领域广泛应用的65Mn钢旋耕刀为研究对象，选用成本适中、耐磨性良好的镍基合金Ni60为基体材料，引入高硬度WC颗粒作为增强相，采用气动输送粉末法进行激光熔覆。研究重点围绕激光工艺参数特别是扫描速度对Ni60/WC复合涂层的成形质量、微观组织结构、硬度分布、摩擦磨损性能及耐腐蚀性能的影响规律，旨在确定适用于旋耕刀表面强化的优化工艺参数组合，阐明涂层的强化机理，为激光熔覆技术在农业机械耐磨耐蚀部件上的推广应用提供实验依据与参考。

　　2.实验材料与方法

　　2.1实验材料与预处理

　　采用为国产65Mn钢板（尺寸：60mm×30mm×10mm）作为模拟旋耕刀基体，其化学成分符合标准C 0.62%—0.70%，Mn0.90%—1.20%的。材料经淬火+中温回火处理，具有较高的强度和韧性。

　　熔覆材料选用镍基自熔性合金粉末Ni60为基材，粒度100—200μm，并添加碳化钨（WC）粉末（粒度100—150μm）作为增强相。实验前将两者机械混合2小时，并于200℃下干燥2小时以去除水分。

　　基体试样表面经400目砂纸打磨至金属光泽，随后置于丙酮中超声清洗5分钟以去除油污，最后烘干备用。

　　2.2激光熔覆实验

　　实验在多功能激光熔覆设备（光纤激光器，最大功率3000W）上进行，光斑直径固定为4mm。使用的固定激光功率为1500W，重点考察激光扫描速度（V）对涂层质量的影响，实验设置了400、800、1200mm/min三种扫描速度。实验全程采用氩气（流量15L/min）进行保护。

　　2.3涂层表征与性能测试

　　组织与形貌分析：采用光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）观察涂层横截面的微观组织、熔合线及磨损/腐蚀形貌，并利用能谱仪（EDS）进行微区成分分析。金相试样经王水腐蚀。

　　硬度测试：采用显微硬度计，沿涂层截面至基体方向以200gf载荷和15s保载时间连续测量维氏硬度，获得硬度分布曲线。

　　摩擦磨损测试：在往复式试验机上以GCr15钢球为对磨副（载荷6N，频率5Hz，时间20min）进行测试。记录摩擦系数，并使用白光干涉仪测量磨损体积，通过SEM分析磨损机制。

　　电化学腐蚀测试：采用电化学工作站，在3.5 wt.%NaCl溶液中进行测试。通过电化学阻抗谱（EIS）和动电位极化曲线测量，获取腐蚀电位、腐蚀电流密度等参数，评价涂层耐蚀性。

　　静态浸泡实验：将试样浸泡于3.5 wt.%NaCl溶液中不同时间（1,2,3 h），取出后观察表面腐蚀形貌。

　　3.结果与讨论

　　3.1微观组织与稀释率

　　试验结果表明，涂层与基体呈现良好的冶金结合。激光扫描速度显著影响热输入与冷却速率，当速度从400 mm/min增至1200mm/min时，激光线能量密度由1.041降至0.781W·min/mm2，稀释率相应从42%降至22%（表1）。适中的扫描速度（800 mm/min）对应约28%的稀释率，既能保证界面结合强度，又可避免基体元素对涂层的过度稀释。

　　SEM观察表明，涂层组织由镍基γ固溶体枝晶和枝晶间共晶组成。WC颗粒部分溶解，边缘形成反应层，并在基体中弥散分布细小的硬质相。800 mm/min速度下获得的组织最为均匀细密。

　　3.2硬度分布

　　所有熔覆层的硬度均远高于65Mn基体（~312 HV），且沿深度呈梯度分布。表面硬度随扫描速度增加先升后降，在800 mm/min时达到峰值1086 HV（表2）。高硬度源于快速冷却形成的细晶强化、WC及其衍生物的弥散强化以及合金元素的固溶强化。

　　3.3摩擦磨损性能

　　激光熔覆大幅提升了材料的耐磨性（表2）。优化工艺（800 mm/min）下的涂层表现出最低的摩擦系数（0.0771）和最小的磨损体积（0.0109 mm3），耐磨性较基体提升86%。磨损机制由基体的严重磨料磨损和黏着磨损转变为涂层的轻微磨粒磨损和氧化磨损。高硬度与均匀分布的硬质相有效抵抗了材料的塑性变形与移除。

　　3.4耐腐蚀性能

　　电化学测试表明（图1，表3），激光熔覆显著改善了材料在NaCl溶液中的耐腐蚀性。优化工艺涂层具有最正的自腐蚀电位（-0.398 V vs.SCE）和最小的腐蚀电流密度（2.05×10-6 A/cm2）。其电荷转移电阻远高于基体。这归因于涂层中富集的Cr、Ni等元素形成了致密稳定的钝化膜（如Cr2O3），且细密组织减少了微观电偶腐蚀。浸泡实验观察结果与电化学数据一致，熔覆试样表面腐蚀产物层薄而致密，对基体保护作用明显。

　　4.结论

　　4.1采用预置粉末激光熔覆技术，在65Mn钢表面成功制备了冶金结合良好的Ni60/WC复合涂层。

　　4.2扫描速度是调控涂层性能的关键参数。激光功率1500W、扫描速度800mm/min时，熔覆层组织细密均匀，硬度达1086HV；磨损体积较基体减少86%，耐磨性显著提升；在3.5%NaCl溶液中的腐蚀电流密度最低，耐腐蚀性能最佳。

　　4.3涂层性能的提升主要源于激光快速凝固形成的细晶组织、硬质碳化物相的弥散强化以及富含Cr/Ni合金层形成的优异钝化膜。

　　研究结果为利用激光熔覆技术强化农业机械触土部件提供了有效的工艺参考。未来研究可向多参数协同优化、新型低成本涂层材料开发及模拟实际工况的服役性能评价等方向深入进行。

参考文献:

　　[1]向南鑫，周后明，王宇豪，等.高速激光熔覆铁基非晶合金涂层的组织及性能研究[J].激光与光电子学进展，2024,61(17):272-281.

　　[2]吴腾.基于激光熔覆技术的旋耕刀片表面性能提升研究[D].广东海洋大学,2023.

　　[3]李勇，刘春华，王秋林，等.钛合金表面激光熔覆Ti-Al的涂层组织和性能研究[J].应用激光，2024,44(10):84-91.

　　[4]Toyserkani E,Khajepour A,Corbin S.Laser Cladding[M].Boca Raton:CRC Press,2004.

　　[5]龙海洋，董真，卢冰文，等.WC含量对激光熔覆FeCoNiCr高熵合金涂层组织结构及性能的影响规律研究[J].中国激光，2023,50(24):107-116.

　　[6]吴敬权，李德荣，安芬菊，等.WC对316L钢表面的镍基激光熔覆涂层的性能影响研究[J].激光技术，2024,48(5):677-683.

　　[7]卢青天.激光熔覆CoCrNi-FeNi涂层的热疲劳性能和磨损性能研究[D].长春工业大学,2024.

　　[8]吴银虎.激光熔覆FeCoCrNiAlxVy涂层组织与性能研究[D].内蒙古科技大学,2024.

　　[9]孔令辉，张雷，吴岗权，等.激光熔覆制备Fe90/WC复合涂层组织及性能研究[J].热加工工艺，2024,53(18):127-130.

　　[10]赵阳，许秋敬，纪薇，等.激光熔覆(FeCr)70Co10Ni10Mn10高熵合金的组织和性能研究[J].热加工工艺，2024,53(19):143-146,151.