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? ⒚芏刃 ? 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1 Co 基自熔合金界面金相照片×150 圖2 Co 基自熔合金+WC 界面金相照片×150在送粉率較? ⑸杷俁冉系褪保邐脹腹餑芰肯咼芏冉洗螅虼嘶迦芻疃卻螅宀嘣永┥⑶恚峋畢嘍岳淙唇下佑兇愎荒芰┥⒌澆緱娓澆庇捎誶笆齙那恐埔禾寤熗髯饔茫蠱湓誚緱娓澆魷植ㄐ畏植嫉暮諫櫓頡? 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。基體對(duì)熔覆層的冷卻作用極大，相當(dāng)于定向凝固。 圖3 Co 基自熔合金熔覆層金相照片×150 圖4 Co 基自熔合金+WC 熔覆層金相照片×1502.3 熔覆層的硬度 對(duì)熔覆層與基體結(jié)合界面兩側(cè)硬度檢測(cè)，其結(jié)果如圖5，此結(jié)果與圖1、2 金相顯微組織相對(duì)應(yīng)。從圖中可見兩種熔覆材料形成的熔覆層的硬度均高于基體硬度，兩者硬度相差很大，這說(shuō)明熔覆層的性能大大優(yōu)于基體材料的性能，達(dá)到了表面改性的目的。 圖5 不同熔覆層與基體間界面兩側(cè)硬度分布曲線2.4 熔覆層的化學(xué)成分及物相評(píng)估 從電子探針對(duì)熔覆層內(nèi)各元素的面掃描和線掃描結(jié)果及X 射線物相分析可以看出，熔覆層主要有三類： （1）合金元素較均勻分布于基體當(dāng)中，可能以固溶體的形式存在，，其構(gòu)成的主要元素有（Co,Fe,Ni,C,Si），根據(jù)熔覆材料的種類不同，其合金元素的相對(duì)含量有一定差別，這種相分布于各種化合物的間隙中起到連接相的作用。 （2）熔覆層中有兩類較細(xì)小的合金化合物，這兩種化合物是在熔覆層結(jié)晶過(guò)程中析出來(lái)的，其成分分別為（Cr,Fe,C）和（Cr,W,C）。在（Cr,Fe,C）中Fe 的相對(duì)含量較少，其形狀為規(guī)則的六邊形，估計(jì)是M7C3 型化合物。在（Cr,W,C）中，W的相對(duì)含量比較高，其形狀為細(xì)長(zhǎng)桿狀。 （3）熔覆層中的大塊化合物，成分分析結(jié)果表明，該化合物為W0.89C0.11，這種化合物是在熔覆材料中加入的WC 相，在熔覆過(guò)程中被保留下來(lái)。 3 結(jié)論 （1） 在熔覆層中硬質(zhì)相均能大致均勻分布，硬質(zhì)相起到強(qiáng)化作用。 （2） 在基體材料相同的情況下，熔覆材料的熔點(diǎn)越低，熔覆層與基體間的界面波浪形越明顯，同時(shí)有黑色組織卷入。熔覆材料熔點(diǎn)較高時(shí)，熔覆層與基體間的界面為不明顯的波浪型，界面附近也有黑色組織產(chǎn)生。 （3） 熔覆材料中加入的WC 在熔覆結(jié)晶過(guò)程中與基體相達(dá)到冶金結(jié)合。 （4） 熔覆層中有三類物相，基體固溶體相、析出合金化合物相、加入的WC 相。 參考文獻(xiàn) 1 劉喜明. 送粉式激光熔覆基礎(chǔ)理論研究. 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所博士論文，1998 2 關(guān)振中. 激光加工工藝手冊(cè). 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1998 3 揚(yáng)永強(qiáng)等. 送粉式激光熔覆時(shí)激光與粉末的交互作用. 中國(guó)激光. 1998, A25（3）：565~570 4 鄧啟光等. 鋁合金激光熔覆Ni-WC 涂層的組織及耐磨性. 中國(guó)激光. A20(10)，1998 5 史華忠等. 激光熔覆含SiC 金屬陶瓷涂層顯微組織特征. 金屬熱處理. 1997.10 6 高家誠(chéng)等. 稀土對(duì)激光涂覆陶瓷涂層性能的影響. 材料研究學(xué)報(bào). 12（1），1998