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现代机械加工正不断向超精密、超高速、高智能方向发展,在这种趋势下只有不断提升机械零件的表面性能,保证各零件精度及耐用度,才能确保在工作中不会轻易失效或破损。42CrMo钢齿轮、后轴及连杆等零件都要在载荷极大环境中工作,这导致其容易产生磨损和疲劳从而失去精度或破损。为了提高这些零件的硬度和耐磨性能,增加其有效寿命,降低成本,并使其可以在更多苛刻环境中工作,采用激光熔覆技术对零部件表面进行强化与修复,具有显著的经济效益。本文以42CrMo钢材料表面改性为研究对象,采用半导体激光熔覆的方法,在其表面分别制备了 Ni60合金涂层、Ni60+nano-WC和Ni60+nano-WC+CeO2复合增强涂层,系统地研究了以Ni60为基础粉末的三种涂层的组织物相及相关力学性能,深入探究了陶瓷粉末nano-WC和稀土氧化物CeO2对涂层组织和性能的影响。对不同工艺参数下的Ni60熔覆层成形质量、组织成分、显微硬度及耐磨性能研究,结果表明Ni基复合粉末的最优工艺参数为:激光功率为1800 W、扫描速度为2 mm/s、光斑为圆形且直径为5 mm、预置粉末厚度2 mm、保护气体流速为10L/min、搭接率为45%。这些工艺参数能获得面积较大,与基体材料结合良好,裂纹、气孔等缺陷极少且性能良好的熔覆层。Ni60熔覆层显微组织主要由树枝晶、块状、长条状和短棒状等组织结构组成。涂层物相主要以γ-Ni(Fe)固溶体为主,此外还生成有FeNi3、M23C6和(Fe,Ni)3B等化合物。涂层的硬度值可达780 HV0.2,较基体的硬度提高1.8倍,同时表现出良好的耐磨性能,其在20min内的摩擦质量损失为71.2 mg,摩擦系数曲线平均值为0.506,相比基体磨损量和摩擦系数,均有大幅改善。为增强Ni60合金熔覆层硬度及耐磨性,在基体表面制备了含0%、10%、20%、30%及40%nano-WC粉末的Ni60增强涂层。实验结果表明纳米WC增强Ni60涂层表面成形良好。增强涂层的组织形貌呈条状、树枝状、鱼骨状、块状和粒状。物相以Ni-Fe相为主,nano-WC一部分保留下来,一部分形成了 W2C新相,此外涂层中还生成有Fe3C、Cr23C6、M6C、SiC、Cr7C3等复合碳化物,CrB、Fe3B等硼化物以及Si2W、NiW等钨化物。nano-WC增强涂层的显微硬度最大可达1256 HV0.2,比Ni60合金涂层提高约50%。增强涂层的最小平均摩损量为10.2 mg,仅为Ni60合金涂层的1/7;增强涂层平均摩擦因数可低至0.275,Ni60合金涂层平均摩擦因数为0.530,降低了约48%。纳米WC增强涂层磨损机制主要为粘着磨损,同时还伴有轻微的磨粒磨损。为了进一步研究稀土掺杂复合改性纳米WC增强镍基涂层的组织及性能,在42CrMo钢表面分别制备了掺杂0%、0.5%、1.0%、1.5%及2.0%CeO2复合增强nano-WC/Ni基涂层。结果表明添加稀土 CeO2可以使涂层表面无裂纹产生,并能有效减少涂层中的气孔数量。经稀土 CeO2复合改性的涂层物相以γ-Ni(Fe)固熔体为基体相,涂层中有部分WC残留和新相W2C产生,此外涂层中还生成Fe3C、Cr23C6、M6C(M=W,Fe,Ni)、SiC、Cr7C3复合碳化物,Si2W、NiW 钨化物以及含有Ce元素的CeFe2和CeNi2等一系列复杂化合物。稀土 CeO2复合改性涂层组织主要有树枝晶、胞状晶、条状以及块状组织构成,稀土 CeO2添加量为1.0%时,复合改性涂层增强相均匀弥散分布,组织得到显著细化,涂层组织更为致密,同时,涂层硬度达到最大值1560 HV0.2,比未添加稀土CeO2涂层最大硬度提高约20%。适量CeO2复合改性的涂层最小磨损量为6.1 mg,最小摩擦因数约为0.23,较未加CeO2复合改性的涂层均有所降低。稀土CeO2复合改性涂层的磨损机制以磨粒磨损为主,粘着磨损为辅的复合磨损机制。