送粉式激光熔覆Co基WC陶瓷層的研究
摘要：40Cr表面激光熔覆Co基WC陶瓷，Co基自熔合金后，在基體和熔覆層之間形成冶金過渡層。本文采用SEM、TEM、X射線能譜儀及顯微硬度計分析兩種熔覆層的組織、成分、界面的組織特征及界面的硬度梯度。
關鍵詞：激光熔覆層波形界面硬度梯度
前言
金屬表面激光熔覆金屬陶瓷是材料表面改性的一種有效手段。作為金屬陶瓷中的重要組成相，WC因具有優異的高溫強度，抗氧化性強、硬度高、耐磨耐蝕性好以及熱膨脹系數小等特點，日益受到人們重視。但由于WC燒結性差，易斷裂。因此我們采用Co基合金作為粘結基體，研究Co基WC熔覆層的組織、性能。
1實驗材料和方法
基體材料為40Cr，其成分如下表1。選用Co基自熔合金作為黏結金屬，其成分如下表2。硬質陶瓷相為小于100μm的鑄造WC。試驗過程中先將鈷基自熔合金與一定量的WC粉末混合均勻后，進行單道送粉式激光熔覆，混合后成分如下表3。1.1實驗設備、工藝參數
(1)激光器相關參數：橫流CO2激光器，JKF-6型激光器，寬帶熔覆送粉器光斑尺寸25mm×2mm，光束模式為多模，工作臺為X-Y兩坐標機密機床（單片機自動控制）。
(2)金相顯微鏡型號：MM6大型臥式金相顯微鏡，顯微硬度計型號：HXD-1000。
(3)掃描電子顯微鏡型號JSA840。
(4)X射線衍射儀：日本理光公司產的D/max-ⅡB型X射線儀，輻射源CuKα，X射線管壓40kV，管流2Ma，掃描速度4°/min，步長2Q=0.02。
2試驗結果與分析
2.1熔覆層和基體結合界面顯微組織特征
如圖1、2所示界面形態為波浪型同時界面附近均出現黑色組織：熔覆過程中熔池內液體產生擾動，使基體表面活化部分強制卷入熔池。熔池形成時沿熔池橫斷面加熱溫度不均，造成熔池內各處液體的表面張力和密度的差別，產生使液體向一定方向流動的力偶[1]。表面張力隨溫度升高而降低，密度隨溫度升高而減小，激光束能量密度在橫斷面上分布具有不均勻性。以基模激光理論，光束邊緣的能量密度比光束中心低得多。因此熔覆材料和基體表面形成熔池后，熔池邊緣處表面張力大、密度大，熔池中心處表面張力小、密度小。
上述兩個力偶方向相同，使液體流動起來，形成波形界面[2]。波形界面形成的另一個因素是送粉式激光熔覆加熱過程中基體表面與熔覆材料同時被加熱到熔化狀態，在熔覆層形成時，熔覆材料液滴與熔化的基體表面在重力、風壓、光壓的作用下撞合，此時可將基體熔化部分掀起，使熔覆材料與基體材料強制混融[3]，從而形成波形界面。由于純Co合金粉末的熔點較低、在熔覆工藝相同的情況下基體熔化速度相對較快、熔化量較多、溫度較高，利于波形界面形成，同理，Co基WC熔點較高基體熔化較慢、熔化量少、溫度低，形成微波界面。
圖1Co基自熔合金界面金相照片×150圖2Co基自熔合金 WC界面金相照片×150在送粉率較小、掃描速度較低時，基體吸收透光能量線密度較大，因此基體熔化深度大，基體側原子擴散區寬，結晶時相對冷卻較慢，原子有足夠能力擴散到界面附近，同時由于前述的強制液體混流作用，使其在界面附近出現波形分布的黑色組織區域。
2.2覆層顯微組織特征
如圖3、4所示均呈現硬質相大致均勻分布，所不同的是粘接硬質相的顯微組織的形態和分布有所不同，從照片中可以明顯看出，白色塊狀的硬質相均勻分布在粘接相金屬中，硬質相的大小和形狀各不相同。
大塊的硬質相在熔覆過程中沒有熔解或燒熔而被保留下來，小塊的硬質相部分被溶解或燒熔而使其顆粒變小，尖角變圓，但它們的共同之處就是硬質相均牢固地鑲嵌在金屬基體當中，被粘接相包裹，并通過粘接相將多個硬質相顆粒連成一體。粘接金屬開始結晶時，是靠硬質相顆粒聯生長大。這種結晶狀態較為理想，這可以對硬質相顆粒起釘錨作用[4]，使之在服役過程中不至于脫落，在熔覆層中沒有觀察到明顯的孔隙、疏松和裂紋。從圖2可以看到Co-WC為熔覆材料的熔覆層組織為表層細晶粒區，該區一般為等軸晶，中部為硬質相均勻分布區，熔覆材料與基體界面附近為柱狀晶區，該柱狀晶較粗。以Co基自熔合金為熔覆材料的熔覆層組織為硬質相均勻分布區、樹枝晶區、平面胞狀晶區、同時界面處也有柱狀晶區，柱狀晶較大。表面等軸晶區是由于高溫輻射散熱，在各個方向上的散熱速度大致相當，在加上合金元素的作用，而另外形核生長出新的晶體，其組織形態為等軸狀、短棒狀。對于熔覆材料與基體界面附近的柱狀晶和胞狀晶的形成是由于成分過冷和定向凝固造成的，成分過冷易于形成胞狀晶[5]，定向凝固易于形成柱狀晶。基體對熔覆層的冷卻作用極大，相當于定向凝固。
關鍵詞：激光熔覆層波形界面硬度梯度
前言
金屬表面激光熔覆金屬陶瓷是材料表面改性的一種有效手段。作為金屬陶瓷中的重要組成相，WC因具有優異的高溫強度，抗氧化性強、硬度高、耐磨耐蝕性好以及熱膨脹系數小等特點，日益受到人們重視。但由于WC燒結性差，易斷裂。因此我們采用Co基合金作為粘結基體，研究Co基WC熔覆層的組織、性能。
1實驗材料和方法
基體材料為40Cr，其成分如下表1。選用Co基自熔合金作為黏結金屬，其成分如下表2。硬質陶瓷相為小于100μm的鑄造WC。試驗過程中先將鈷基自熔合金與一定量的WC粉末混合均勻后，進行單道送粉式激光熔覆，混合后成分如下表3。
(1)激光器相關參數：橫流CO2激光器，JKF-6型激光器，寬帶熔覆送粉器光斑尺寸25mm×2mm，光束模式為多模，工作臺為X-Y兩坐標機密機床（單片機自動控制）。
(2)金相顯微鏡型號：MM6大型臥式金相顯微鏡，顯微硬度計型號：HXD-1000。
(3)掃描電子顯微鏡型號JSA840。
(4)X射線衍射儀：日本理光公司產的D/max-ⅡB型X射線儀，輻射源CuKα，X射線管壓40kV，管流2Ma，掃描速度4°/min，步長2Q=0.02。
2試驗結果與分析
2.1熔覆層和基體結合界面顯微組織特征
如圖1、2所示界面形態為波浪型同時界面附近均出現黑色組織：熔覆過程中熔池內液體產生擾動，使基體表面活化部分強制卷入熔池。熔池形成時沿熔池橫斷面加熱溫度不均，造成熔池內各處液體的表面張力和密度的差別，產生使液體向一定方向流動的力偶[1]。表面張力隨溫度升高而降低，密度隨溫度升高而減小，激光束能量密度在橫斷面上分布具有不均勻性。以基模激光理論，光束邊緣的能量密度比光束中心低得多。因此熔覆材料和基體表面形成熔池后，熔池邊緣處表面張力大、密度大，熔池中心處表面張力小、密度小。
上述兩個力偶方向相同，使液體流動起來，形成波形界面[2]。波形界面形成的另一個因素是送粉式激光熔覆加熱過程中基體表面與熔覆材料同時被加熱到熔化狀態，在熔覆層形成時，熔覆材料液滴與熔化的基體表面在重力、風壓、光壓的作用下撞合，此時可將基體熔化部分掀起，使熔覆材料與基體材料強制混融[3]，從而形成波形界面。由于純Co合金粉末的熔點較低、在熔覆工藝相同的情況下基體熔化速度相對較快、熔化量較多、溫度較高，利于波形界面形成，同理，Co基WC熔點較高基體熔化較慢、熔化量少、溫度低，形成微波界面。
圖1Co基自熔合金界面金相照片×150圖2Co基自熔合金 WC界面金相照片×150在送粉率較小、掃描速度較低時，基體吸收透光能量線密度較大，因此基體熔化深度大，基體側原子擴散區寬，結晶時相對冷卻較慢，原子有足夠能力擴散到界面附近，同時由于前述的強制液體混流作用，使其在界面附近出現波形分布的黑色組織區域。
2.2覆層顯微組織特征
如圖3、4所示均呈現硬質相大致均勻分布，所不同的是粘接硬質相的顯微組織的形態和分布有所不同，從照片中可以明顯看出，白色塊狀的硬質相均勻分布在粘接相金屬中，硬質相的大小和形狀各不相同。
大塊的硬質相在熔覆過程中沒有熔解或燒熔而被保留下來，小塊的硬質相部分被溶解或燒熔而使其顆粒變小，尖角變圓，但它們的共同之處就是硬質相均牢固地鑲嵌在金屬基體當中，被粘接相包裹，并通過粘接相將多個硬質相顆粒連成一體。粘接金屬開始結晶時，是靠硬質相顆粒聯生長大。這種結晶狀態較為理想，這可以對硬質相顆粒起釘錨作用[4]，使之在服役過程中不至于脫落，在熔覆層中沒有觀察到明顯的孔隙、疏松和裂紋。從圖2可以看到Co-WC為熔覆材料的熔覆層組織為表層細晶粒區，該區一般為等軸晶，中部為硬質相均勻分布區，熔覆材料與基體界面附近為柱狀晶區，該柱狀晶較粗。以Co基自熔合金為熔覆材料的熔覆層組織為硬質相均勻分布區、樹枝晶區、平面胞狀晶區、同時界面處也有柱狀晶區，柱狀晶較大。表面等軸晶區是由于高溫輻射散熱，在各個方向上的散熱速度大致相當，在加上合金元素的作用，而另外形核生長出新的晶體，其組織形態為等軸狀、短棒狀。對于熔覆材料與基體界面附近的柱狀晶和胞狀晶的形成是由于成分過冷和定向凝固造成的，成分過冷易于形成胞狀晶[5]，定向凝固易于形成柱狀晶。基體對熔覆層的冷卻作用極大，相當于定向凝固。
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