送粉式激光熔覆Co基WC陶瓷层的研究

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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1Co基自熔合金界面金相照片×150图2Co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。