鈷基多元合金粉末等離子弧堆焊層的組織結(jié)構(gòu)

鈷基多元合金粉末等離子弧堆焊層的組織結(jié)構(gòu)

0離子弧堆焊試驗(yàn)及應(yīng)用由聚鉻合金粉末制成的亞穩(wěn)態(tài)合金在其獨(dú)特的耐候性、耐腐蝕性和耐候性方面引起了人們的注意。其中，鈷合金粉末電鉻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有良好的應(yīng)用前景。已有工作主要集中在對(duì)堆焊合金粉末和工藝方面的設(shè)計(jì)和研究,對(duì)于合金層組織結(jié)構(gòu)的研究也僅限于結(jié)合區(qū),而對(duì)于整個(gè)堆焊合金層各部分組織結(jié)構(gòu)的研究,特別是微觀結(jié)構(gòu)的研究尚未見報(bào)導(dǎo)。本文旨在揭示鈷基多元合金粉末等離子弧堆焊合金層的組織結(jié)構(gòu)特征,為粉末等離子弧堆焊鈷基合金層的應(yīng)用提供一定的組織準(zhǔn)備。1現(xiàn)代村梨酒的粒度和粒度堆焊基材為200mm×35mm×20mm的Q235A低碳鋼板狀試樣,以Co-Cr-W系鈷基自熔性合金粉末作為堆焊材料,化學(xué)成分見表1。鈷基合金粉末的粒度為-80～+200目,堆焊層厚度約為3.5mm。用型號(hào)為L(zhǎng)4-400PC型等離子弧噴焊機(jī)進(jìn)行堆焊實(shí)驗(yàn),工藝參數(shù)見表2。用OLYMPUS-PME3型金相顯微鏡和帶有能譜儀的PHILIPS掃描電鏡(SEM)對(duì)堆焊合金層顯微組織進(jìn)行觀察分析,利用XD-3A型X射線衍射儀對(duì)堆焊合金層進(jìn)行物相分析,并利用H-800透射電子顯微鏡對(duì)堆焊合金層的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察研究。2結(jié)果與討論2.1晶面擇優(yōu)取向的判斷對(duì)于鈷基合金粉末等離子弧堆焊合金層而言,平板試樣和粉末試樣的X射線衍射存在很大差異,見圖1所示。通過對(duì)平板試樣X射線衍射圖譜(圖1a)進(jìn)行分析,結(jié)果無法找到任何一種與衍射圖譜相對(duì)應(yīng)的物相,對(duì)于鈷基堆焊合金層而言,至少存在以鈷為基的固溶體,但是通過物相分析卻不能得出直接的證明,因此懷疑對(duì)于本次試驗(yàn)所得的鈷基合金層有可能存在明顯的擇優(yōu)取向。同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)可知,鈷基合金在快速加熱和快速冷卻條件下,容易形成鑄態(tài)生長(zhǎng)織構(gòu),即容易出現(xiàn)擇優(yōu)取向。因此在等離子弧快速加熱和快速冷卻實(shí)驗(yàn)條件下,鈷基合金堆焊層有可能存在擇優(yōu)取向。對(duì)照平板試樣衍射圖譜可以看出,(111)Co所在的峰值嚴(yán)重弱化,而(200)Co所在峰值大大增強(qiáng)。根據(jù)JCPDS標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)資料,考慮到各相的相對(duì)衍射強(qiáng)度可以判斷,這種強(qiáng)度變化與堆焊試樣在堆焊后冷卻過程中方向性生長(zhǎng)從而形成了織構(gòu)效應(yīng)有關(guān),從而驗(yàn)證了前述假設(shè)的正確性,即在本次試驗(yàn)的鈷基合金堆焊合金層中存在著晶面的擇優(yōu)取向。通過對(duì)粉末試樣的X射線衍射圖譜(圖1b)的分析可以證明這一點(diǎn)。衍射圖譜的標(biāo)定結(jié)果表明,d值為1.79衍射峰是γ(Co)基固溶體的(200)晶面,這也說明了在合金層中存在明顯的鑄態(tài)生長(zhǎng)織構(gòu)。通過以上分析,并結(jié)合X射線衍射圖譜所對(duì)應(yīng)的PDF卡片檢索可以得出這樣的結(jié)論:即在平板試樣中存在明顯的晶面擇優(yōu)取向,對(duì)于本次試驗(yàn)而言,這個(gè)擇優(yōu)取向是由衍射角度約為51°,晶面間距約為1.79所對(duì)應(yīng)的(200)晶面。這可以從金屬學(xué)的有關(guān)公式得到進(jìn)一步驗(yàn)證。根據(jù)晶面間距公式dhkl=a/h2+k2+l2??????????√dhkl=a/h2+k2+l2(適合于不存在附加原子面的立方晶系),并結(jié)合衍射圖譜的PDF檢索可知,鈷基固溶體屬于面心立方晶系,a=3.55×10-10m,所以根據(jù)上述公式,對(duì)于面心立方晶系的(200)晶面而言,不存在附加的原子面,所以其晶面間距為d200=1.775×10-10m。將儀器測(cè)量誤差考慮在內(nèi)可知,d200=1.775×10-10m與衍射圖譜中的擇優(yōu)取向的峰值d=1.79×10-10m是一致的,從而進(jìn)一步驗(yàn)證了上述假設(shè)的正確性,也就說明了在本次試驗(yàn)的工藝條件下,在堆焊合金層中存在明顯的(200)晶面的擇優(yōu)取向。對(duì)粉末試樣的X射線衍射進(jìn)一步分析可知,在合金層中除了γ(Co)基固溶體外,還存在有(Cr,Fe)7C3物相。2.2晶體結(jié)構(gòu)及組織特點(diǎn)粉末等離子弧堆焊合金層的顯微組織特征如圖2所示。從圖2a中可以看出,堆焊合金層可以分為三個(gè)不同的亞層,熔合區(qū)(結(jié)合區(qū))亞層(A)、近熔合區(qū)的細(xì)等軸狀枝晶亞層(B)以及堆焊層表面和近熔合區(qū)之間具有一定方向性的粗枝晶亞層(C)。在合金層和基材之間存在的明顯白亮帶就是熔合區(qū)。從圖2a中可以看出,這條白亮帶比較曲折,有部分呈齒牙狀態(tài),說明在等離子弧高能熱源作用下,堆焊合金層中的元素和基材之間的元素濃度梯度大,擴(kuò)散作用強(qiáng),在形成熔池的過程中,元素互相強(qiáng)烈擴(kuò)散,在凝固后形成了非常優(yōu)良的冶金結(jié)合。由于熔合區(qū)是等離子弧熔化時(shí)的液固界面,再加上基體溫度低,液固界面溫度梯度很大,成分過冷最小,因此凝固時(shí)液固界面推進(jìn)的速度較慢,呈平面晶的方式凝固。近熔合區(qū)亞層和枝晶亞層的組織由于在等離子弧高能熱源作用下,液態(tài)成分起伏較大,局部微區(qū)冷卻速度不同,從而使各亞層組織呈現(xiàn)出明顯的不均勻性。隨著凝固界面的推移,液相溫度梯度逐漸減小,成分過冷加大,晶核迅速長(zhǎng)大,從而形成了近熔合區(qū)寬度約300μm的細(xì)等軸狀枝晶亞層以及堆焊層表面和近熔合區(qū)之間具有一定方向性的粗枝晶亞層。粗枝晶亞層的寬度約為3.5mm,枝晶主干大體上垂直于熔合區(qū)方向分布,也就是說枝晶主干的生長(zhǎng)方向與熱流基本一致。從圖2還可以看出,堆焊合金層顯微組織具有快速凝固時(shí)亞共晶的枝晶生長(zhǎng)特征,堆焊合金層在冷卻過程中先析出γ枝狀晶,在繼續(xù)冷卻過程中,由于已形成的枝晶主干之間存在溫度梯度和濃度起伏,所以又沿枝晶主干生成二次晶。由于近熔合區(qū)溫度梯度較大,所以形成的一次晶主干很短,表現(xiàn)出等軸狀枝晶特征。近熔合區(qū)前方的粗枝晶亞層的組織由于溫度梯度小于近熔合區(qū),所以一次晶主干較發(fā)達(dá),表現(xiàn)出較粗的枝晶生長(zhǎng)特征。另一方面,當(dāng)合金層繼續(xù)冷卻到共晶轉(zhuǎn)變溫度時(shí),在枝晶之間開始生成共晶組織。共晶組織中的共晶化合物具有不同的形態(tài),主要有平行短棒狀及球狀或花瓣?duì)?它們各自聯(lián)合成網(wǎng)狀分布,見圖3和圖4所示。圖中呈白色平行短棒狀及球狀或花瓣?duì)畹慕M織為共晶碳化物相(Cr,Fe)7C3,黑色的為基體相γ(Co)。相應(yīng)的能譜分析結(jié)果見表3所示。由表可知,共晶化合物的形態(tài)不同,其元素含量也不相同。2.3滑移面的碳化物與X射線衍射結(jié)果相同,大量電子衍射分析證實(shí)合金層中的Co基固溶體為面心立方點(diǎn)陣(圖5)。由TEM觀察晶內(nèi)和共晶體內(nèi)的固溶體中皆存在堆積層錯(cuò)(圖6)。由于面心立方晶體的滑移系較多,Co的層錯(cuò)能較低,故常見到排列在滑移面上的堆積層錯(cuò),它們受阻于碳化物附近(圖6b)。大量的TEM工作表明,大部分大塊狀(或長(zhǎng)條狀)碳化物和一部分骨架狀碳化物皆為六方晶體點(diǎn)陣的(Cr,Fe)7C3,其特征是明場(chǎng)和暗場(chǎng)像上常見到有平行排列的細(xì)條紋,而衍射花樣上則常見有與之垂直的細(xì)長(zhǎng)或短小的衍射條紋(圖7a,7b),這表明在晶體中存在著面缺陷?？紤]到合金鋼及高溫合金中的(Cr,Fe)7C3常含有孿晶,高分辨率點(diǎn)陣更證實(shí)(Cr,Fe)7C3中存在許多孿晶疇,故可認(rèn)為圖7a,7b中的細(xì)條紋即薄片狀孿晶的像,薄片的形狀效應(yīng)導(dǎo)致了圖7c中的條痕。大量衍射花樣上的條痕皆沿(1ˉ5ˉ0)(1ˉ5ˉ0)方向,這表明孿晶面大多為(1ˉ5ˉ0)(1ˉ5ˉ0)晶面,如圖7d所示。3國(guó)鐵為基堆焊合金層(1)鈷基合金粉末等離子弧堆焊合金層是由熔合區(qū)、近熔合區(qū)的細(xì)等軸狀枝晶亞層和其前方的粗