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送粉式激光熔覆Co基WC陶瓷層的研究
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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，在基體和熔覆層之間形成冶金過(guò)渡層。本文采用SEM、TEM、X射線能譜儀及顯微硬度計(jì)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(guān)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(yōu)異的高溫強(qiáng)度，抗氧化性強(qiáng)、硬度高、耐磨耐蝕性好以及熱膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，日益受到人們重視。但由于WC燒結(jié)性差，易斷裂。因此我們采用Co基合金作為粘結(jié)基體，研究Co基WC熔覆層的組織、性能。

1實(shí)驗(yàn)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(jié)金屬，其成分如下表2。硬質(zhì)陶瓷相為小于100μm的鑄造WC。試驗(yàn)過(guò)程中先將鈷基自熔合金與一定量的WC粉末混合均勻后，進(jìn)行單道送粉式激光熔覆，混合后成分如下表3。1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備、工藝參數(shù)

(1)激光器相關(guān)參數(shù)：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(tái)為X-Y兩坐標(biāo)機(jī)密機(jī)床（單片機(jī)自動(dòng)控制）。
(2)金相顯微鏡型號(hào)：MM6大型臥式金相顯微鏡，顯微硬度計(jì)型號(hào)：HXD-1000。
(3)掃描電子顯微鏡型號(hào)JSA840。
(4)X射線衍射儀：日本理光公司產(chǎn)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(zhǎng)2Q=0.02。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1熔覆層和基體結(jié)合界面顯微組織特征

如圖1、2所示界面形態(tài)為波浪型同時(shí)界面附近均出現(xiàn)黑色組織：熔覆過(guò)程中熔池內(nèi)液體產(chǎn)生擾動(dòng)，使基體表面活化部分強(qiáng)制卷入熔池。熔池形成時(shí)沿熔池橫斷面加熱溫度不均，造成熔池內(nèi)各處液體的表面張力和密度的差別，產(chǎn)生使液體向一定方向流動(dòng)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(gè)力偶方向相同，使液體流動(dòng)起來(lái)，形成波形界面[2]。波形界面形成的另一個(gè)因素是送粉式激光熔覆加熱過(guò)程中基體表面與熔覆材料同時(shí)被加熱到熔化狀態(tài)，在熔覆層形成時(shí)，熔覆材料液滴與熔化的基體表面在重力、風(fēng)壓、光壓的作用下撞合，此時(shí)可將基體熔化部分掀起，使熔覆材料與基體材料強(qiáng)制混融[3]，從而形成波形界面。由于純Co合金粉末的熔點(diǎn)較低、在熔覆工藝相同的情況下基體熔化速度相對(duì)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(diǎn)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(shí)，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(cè)原子擴(kuò)散區(qū)寬，結(jié)晶時(shí)相對(duì)冷卻較慢，原子有足夠能力擴(kuò)散到界面附近，同時(shí)由于前述的強(qiáng)制液體混流作用，使其在界面附近出現(xiàn)波形分布的黑色組織區(qū)域。

2.2覆層顯微組織特征

如圖3、4所示均呈現(xiàn)硬質(zhì)相大致均勻分布，所不同的是粘接硬質(zhì)相的顯微組織的形態(tài)和分布有所不同，從照片中可以明顯看出，白色塊狀的硬質(zhì)相均勻分布在粘接相金屬中，硬質(zhì)相的大小和形狀各不相同。

大塊的硬質(zhì)相在熔覆過(guò)程中沒(méi)有熔解或燒熔而被保留下來(lái)，小塊的硬質(zhì)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(zhì)相均牢固地鑲嵌在金屬基體當(dāng)中，被粘接相包裹，并通過(guò)粘接相將多個(gè)硬質(zhì)相顆粒連成一體。粘接金屬開始結(jié)晶時(shí)，是靠硬質(zhì)相顆粒聯(lián)生長(zhǎng)大。這種結(jié)晶狀態(tài)較為理想，這可以對(duì)硬質(zhì)相顆粒起釘錨作用[4]，使之在服役過(guò)程中不至于脫落，在熔覆層中沒(méi)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(xì)晶粒區(qū)，該區(qū)一般為等軸晶，中部為硬質(zhì)相均勻分布區(qū)，熔覆材料與基體界面附近為柱狀晶區(qū)，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(zhì)相均勻分布區(qū)、樹枝晶區(qū)、平面胞狀晶區(qū)、同時(shí)界面處也有柱狀晶區(qū)，柱狀晶較大。表面等軸晶區(qū)是由于高溫輻射散熱，在各個(gè)方向上的散熱速度大致相當(dāng)，在加上合金元素的作用，而另外形核生長(zhǎng)出新的晶體，其組織形態(tài)為等軸狀、短棒狀。對(duì)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(guò)冷和定向凝固造成的，成分過(guò)冷易于形成胞狀晶[5]，定向凝固易于形成柱狀晶?；w對(duì)熔覆層的冷卻作用極大，相當(dāng)于定向凝固。