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送粉式激光熔覆Co基WC陶瓷层的研究 |
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作者：长春工程学院 范希梅 王海东 连建设 |
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摘要：40Cr 表面激光熔覆Co 基WC 陶瓷，Co 基自熔合金后，在基体和熔覆层之间形成冶金过渡层。本文采用SEM、TEM 、X 射线能谱仪及显微硬度计分析两种熔覆层的组织、成分、界面的组织特征及界面的硬度梯度。
关键词：激光熔覆层 波形界面 硬度梯度
前言
金属表面激光熔覆金属陶瓷是材料表面改性的一种有效手段。作为金属陶瓷中的重要组成相，WC 因具有优异的高温强度，抗氧化性强、硬度高、耐磨耐蚀性好以及热膨胀系数小等特点，日益受到人们重视。但由于WC 烧结性差，易断裂。因此我们采用Co 基合金作为粘结基体，研究Co 基WC 熔覆层的组织、性能。
1 实验材料和方法
基体材料为40Cr，其成分如下表1。选用Co 基自熔合金作为黏结金属，其成分如下表2。硬质陶瓷相为小于100μm 的铸造WC。试验过程中先将钴基自熔合金与一定量的WC 粉末混合均匀后，进行单道送粉式激光熔覆，混合后成分如下表3。
1.1 实验设备、工艺参数
(1) 激光器相关参数：横流CO2 激光器，JKF-6 型激光器，宽带熔覆送粉器光斑尺寸25mm×2mm，光束模式为多模，工作台为X-Y 两坐标机密机床（单片机自动控制）。
(2) 金相显微镜型号：MM6 大型卧式金相显微镜，显微硬度计型号：HXD-1000。
(3) 扫描电子显微镜型号JSA840。
(4) X 射线衍射仪：日本理光公司产的D/max-ⅡB 型X 射线仪，辐射源CuKα，X 射线管压40kV，管流2Ma，扫描速度4°/ min，步长2Q=0.02。
2 试验结果与分析
2.1 熔覆层和基体结合界面显微组织特征
如图1、2 所示界面形态为波浪型同时界面附近均出现黑色组织： 熔覆过程中熔池内液体产生扰动，使基体表面活化部分强制卷入熔池。熔池形成时沿熔池横断面加热温度不均，造成熔池内各处液体的表面张力和密度的差别，产生使液体向一定方向流动的力偶[1]。表面张力随温度升高而降低，密度随温度升高而减小，激光束能量密度在横断面上分布具有不均匀性。以基模激光理论，光束边缘的能量密度比光束中心低得多。因此熔覆材料和基体表面形成熔池后，熔池边缘处表面张力大、密度大，熔池中心处表面张力小、密度小。
上述两个力偶方向相同，使液体流动起来，形成波形界面[2]。 波形界面形成的另一个因素是送粉式激光熔覆加热过程中基体表面与熔覆材料同时被加热到熔化状态，在熔覆层形成时，熔覆材料液滴与熔化的基体表面在重力、风压、光压的作用下撞合，此时可将基体熔化部分掀起，使熔覆材料与基体材料强制混融[3]，从而形成波形界面。由于纯Co 合金粉末的熔点较低、在熔覆工艺相同的情况下基体熔化速度相对较快、熔化量较多、温度较高，利于波形界面形成，同理，Co 基WC 熔点较高基体熔化较慢、熔化量少、温度低，形成微波界面。
图1 Co 基自熔合金界面金相照片×150 图2 Co 基自熔合金+WC 界面金相照片×150
在送粉率较小、扫描速度较低时，基体吸收透光能量线密度较大，因此基体熔化深度大，基体侧原子扩散区宽，结晶时相对冷却较慢，原子有足够能力扩散到界面附近，同时由于前述的强制液体混流作用，使其在界面附近出现波形分布的黑色组织区域。
2.2 覆层显微组织特征
如图3、4 所示均呈现硬质相大致均匀分布，所不同的是粘接硬质相的显微组织的形态和分布有所不同，从照片中可以明显看出，白色块状的硬质相均匀分布在粘接相金属中，硬质相的大小和形状各不相同。
大块的硬质相在熔覆过程中没有熔解或烧熔而被保留下来，小块的硬质相部分被溶解或烧熔而使其颗粒变小，尖角变圆，但它们的共同之处就是硬质相均牢固地镶嵌在金属基体当中，被粘接相包裹，并通过粘接相将多个硬质相颗粒连成一体。粘接金属开始结晶时，是靠硬质相颗粒联生长大。这种结晶状态较为理想，这可以对硬质相颗粒起钉锚作用[4]，使之在服役过程中不至于脱落，在熔覆层中没有观察到明显的孔隙、疏松和裂纹。从图2 可以看到Co-WC 为熔覆材料的熔覆层组织为表层细晶粒区，该区一般为等轴晶，中部为硬质相均匀分布区，熔覆材料与基体界面附近为柱状晶区，该柱状晶较粗。以Co 基自熔合金为熔覆材料的熔覆层组织为硬质相均匀分布区、树枝晶区、平面胞状晶区、同时界面处也有柱状晶区，柱状晶较大。表面等轴晶区是由于高温辐射散热，在各个方向上的散热速度大致相当，在加上合金元素的作用，而另外形核生长出新的晶体，其组织形态为等轴状、短棒状。对于熔覆材料与基体界面附近的柱状晶和胞状晶的形成是由于成分过冷和定向凝固造成的，成分过冷易于形成胞状晶[5]，定向凝固易于形成柱状晶。基体对熔覆层的冷却作用极大，相当于定向凝固。
图3 Co 基自熔合金熔覆层金相照片×150 图4 Co 基自熔合金+WC 熔覆层金相照片×150
2.3 熔覆层的硬度
对熔覆层与基体结合界面两侧硬度检测，其结果如图5，此结果与图1、2 金相显微组织相对应。从图中可见两种熔覆材料形成的熔覆层的硬度均高于基体硬度，两者硬度相差很大，这说明熔覆层的性能大大优于基体材料的性能，达到了表面改性的目的。
图5 不同熔覆层与基体间界面两侧硬度分布曲线
2.4 熔覆层的化学成分及物相评估
从电子探针对熔覆层内各元素的面扫描和线扫描结果及X 射线物相分析可以看出，熔覆层主要有三类：
（1）合金元素较均匀分布于基体当中，可能以固溶体的形式存在，，其构成的主要元素有（Co,Fe,Ni,C,Si），根据熔覆材料的种类不同，其合金元素的相对含量有一定差别，这种相分布于各种化合物的间隙中起到连接相的作用。
（2）熔覆层中有两类较细小的合金化合物，这两种化合物是在熔覆层结晶过程中析出来的，其成分分别为（Cr,Fe,C）和（Cr,W,C）。在（Cr,Fe,C）中Fe 的相对含量较少，其形状为规则的六边形，估计是M7C3 型化合物。在（Cr,W,C）中，W的相对含量比较高，其形状为细长杆状。
（3）熔覆层中的大块化合物，成分分析结果表明，该化合物为W0.89C0.11，这种化合物是在熔覆材料中加入的WC 相，在熔覆过程中被保留下来。
3 结论
（1） 在熔覆层中硬质相均能大致均匀分布，硬质相起到强化作用。
（2） 在基体材料相同的情况下，熔覆材料的熔点越低，熔覆层与基体间的界面波浪形越明显，同时有黑色组织卷入。熔覆材料熔点较高时，熔覆层与基体间的界面为不明显的波浪型，界面附近也有黑色组织产生。
（3） 熔覆材料中加入的WC 在熔覆结晶过程中与基体相达到冶金结合。
（4） 熔覆层中有三类物相，基体固溶体相、析出合金化合物相、加入的WC 相。
参考文献
1 刘喜明. 送粉式激光熔覆基础理论研究. 中国科学院长春光机所博士论文，1998
2 关振中. 激光加工工艺手册. 北京：中国计量出版社，1998
3 扬永强等. 送粉式激光熔覆时激光与粉末的交互作用. 中国激光. 1998, A25（3）：565~570
4 邓启光等. 铝合金激光熔覆Ni-WC 涂层的组织及耐磨性. 中国激光. A20(10)，1998
5 史华忠等. 激光熔覆含SiC 金属陶瓷涂层显微组织特征. 金属热处理. 1997.10
6 高家诚等. 稀土对激光涂覆陶瓷涂层性能的影响. 材料研究学报. 12（1），1998(end)
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(5/13/2005) |
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