激光熔覆對(duì)co基wc-ic-ac組織性能的影響

激光熔覆對(duì)co基wc-ic-ac組織性能的影響

1測(cè)試方法1.1球磨干混法co在本試驗(yàn)中，選擇了一系列含有30ml的混合粉末作為燃料，包括w（co）=5%20%、w（wc）=45%60%、w（tic）=20%40%，w（tac）=5%10%。Co、WC、TiC的粉末粒度分別為1～2μm、0.5～3μm、0.5～3μm。不同粉末材料一起混合并在球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行球磨干混,以使合金粉中各組分充分混勻。試驗(yàn)基材為55Si2Mn彈簧鋼,尺寸為135mm×20mm×2mm,用細(xì)砂紙去除待熔覆表面氧化膜,并用丙酮清洗試樣上的油污。預(yù)置涂層前向混合粉加入總量2%左右的專用無(wú)機(jī)粘結(jié)劑、熔渣劑和其它輔助組元并混勻,采用壓力模具將其預(yù)置在熔覆面上并烘干,涂層厚度為1.0～1.5mm。1.2熔池保護(hù)氣體激光器激光熔覆所用激光器為HGL-895型5kW橫流CO2氣體激光器,激光輸出功率1.5～2.5kW,光斑直徑2～3mm,掃描速度3～8mm/s,選用氮?dú)庾鳛槿鄢乇Ｗo(hù)氣體。1.3組織形貌及分析方法用20%NaOH水溶液和20%K3Fe(CH)6水溶液等體積混合試劑腐蝕磨拋好的典型樣,在JSM-35C型掃描電鏡(SEM)下觀察熔覆層組織形貌;同時(shí)采用JXA-8800R型電子探針對(duì)熔覆層中有代表性的部位及典型組織進(jìn)行面分析;用HVA-10A型維氏硬度計(jì)測(cè)得熔覆層的顯微硬度為HV1250～1450。2試驗(yàn)結(jié)果的分析與討論2.1化學(xué)成分分析圖1為激光熔覆后波紋表面試樣斷面的宏觀SEM照片。圖2a～圖2c為從熔覆層頂部A到底部C各局部的顯微組織SEM照片。在先前研究中,我們發(fā)現(xiàn)圖中“1”所標(biāo)示的塊狀黑色芯部,主要為TiC硬質(zhì)合金相;“2”所標(biāo)示的在黑色芯部四周的淺白色環(huán)形相,主要為Ti(W、Ta)C相復(fù)合碳化物;“3”所標(biāo)示淺白色顆粒相,主要為碎化了的WC顆粒;“4”所標(biāo)示“魚骨狀”組織,主要為結(jié)合區(qū)中含有W、Ti、Ta的萊氏體共晶組織;“5”所標(biāo)示灰色相為粘結(jié)相Co、基體Fe及其復(fù)合相。采用電子探針面掃描分析圖1中A、B、C三微區(qū)化學(xué)成分,結(jié)果見表1。從以上試驗(yàn)分析可看出,雖然此熔覆層也分為熔覆區(qū)、結(jié)合區(qū)和基體三部分,但熔覆區(qū)成分嚴(yán)重偏析,又可分為兩個(gè)亞層,最表層為富TiC亞層,次表層為富WC、TaC亞層。2.2復(fù)相金屬液的密度和熔珠表2為本研究所用多元硬質(zhì)合金各相的物理性能參數(shù)。當(dāng)激光輻照預(yù)置涂層時(shí),涂層粉末熔化形成熔池,由于WC、TiC和TaC熔點(diǎn)高,加之激光作用于熔池時(shí)間很短,熔化開始時(shí)它們固溶于粘結(jié)液Co及稀釋金屬Fe的復(fù)相金屬液中或以熔珠及碎塊狀存在于熔池中,由于熔池表面存在一定的張力梯度和溫度梯度,這些熔珠和碎塊在熔池中漂移擴(kuò)散,漂移擴(kuò)散速度為ve=29ρ1?ρ2ηr2ve=29ρ1-ρ2ηr2式中,ρ1為粘結(jié)液Co及稀釋金屬Fe的復(fù)相金屬液的密度;ρ2為熔珠狀和碎塊狀碳化物硬質(zhì)合金顆粒的密度;r為碳化物硬質(zhì)合金顆粒的直徑;η為液體金屬的粘度。從上式可看出在張力和密度差導(dǎo)致的浮力作用下,混在一起的各組相發(fā)生重排,由于TiC密度低,因此上浮位于熔覆區(qū)最表層,WC和TaC密度相近且較大,下沉到次表層。冷卻過(guò)程中一部分過(guò)飽和的C、W、Ti、Ta重新析出,由于結(jié)合區(qū)的冷卻速度極快,它們以枝晶形式生長(zhǎng)。2.3熱應(yīng)力計(jì)算及分析圖3為所示熔覆層裂紋的SEM照片,裂紋起源于熔覆區(qū)亞表層,穿過(guò)熔覆層,終止于熔覆層與基體結(jié)合區(qū),裂紋多垂直于激光掃描方向并擴(kuò)散成網(wǎng)狀,說(shuō)明此裂紋主要為熱裂紋,可看出裂紋的產(chǎn)生與熔覆區(qū)的亞層結(jié)構(gòu)最表層及次表層有一定的關(guān)系。對(duì)于不同的Co基碳化物多元硬質(zhì)合金復(fù)合層,其熱膨脹系數(shù)可由材料中不同組元熱膨脹系數(shù)按混合定律組合而計(jì)算得到。從表2可看出WC、TaC熱膨脹系數(shù)相近,兩者與TiC相差較大,因此亞層最外表與亞層次外表之間必存在一定的熱膨脹系數(shù)差異及其它物性的差別,在激光加熱及冷卻過(guò)程中亞層之間不可避免地要產(chǎn)生殘余應(yīng)力。參照整個(gè)熔覆層相對(duì)于基材的殘余熱應(yīng)力計(jì)算式,可得出亞層最表層相對(duì)亞層次表層的殘余熱應(yīng)力為δ=EΔαΔT(1-ν)式中,E為亞層最表面彈性模量;Δα為亞層最表層與亞層次表層熱膨脹系數(shù)之差;ΔT為熔化溫度與室溫之差;ν為泊松比。同時(shí)整個(gè)熔覆層與基體之間存在熱應(yīng)力,因此由于熱膨脹系數(shù)差別使整個(gè)熔覆層中殘余熱應(yīng)力分布不均。另外在冷卻過(guò)程中還存在相變引起的組織應(yīng)力,由于熔池冷卻速率差異很大,熱應(yīng)力的影響占主導(dǎo)地位,故在此可不考慮。當(dāng)應(yīng)力不均勻地傳遞產(chǎn)生應(yīng)力集中,熔覆區(qū)的兩亞層主要由硬質(zhì)相及其在粘結(jié)相中的飽和固溶體組成,因此塑性較差,當(dāng)熔覆層局部的塑性不足以承受殘余熱應(yīng)力時(shí),就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變,由于兩亞層之間殘余熱應(yīng)力較大,故裂紋往往起源于兩亞層之間的界面處。2.4在熔池及熔覆過(guò)程中的作用當(dāng)激光束作用于預(yù)置涂層時(shí),溶池中存在由中心到邊緣的張力梯度和溫度梯度,存在自對(duì)流傳質(zhì),促使合金元素及硬質(zhì)相在熔池中均勻分布。但對(duì)這種自攪拌作用的效果并未定量研究,本研究在WC-TiC-Co合金中加入Ta除了細(xì)化晶粒、強(qiáng)化合金以改善熔覆層機(jī)械性能之外,主要是改善Co對(duì)碳化物相的潤(rùn)濕性,有利于合金元素及硬質(zhì)相在熔池中流動(dòng),雖然如此,從試驗(yàn)分析看,仍然不能使硬質(zhì)相在覆層中較均勻分布,因此這種自攪拌作用對(duì)實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)相在覆層中較均勻分布能力非常有限,除上述優(yōu)化激光熔覆工藝參數(shù)及合金成分來(lái)改善合金及硬質(zhì)相在覆層中分布外,我們可采用外力作用人為地控制硬質(zhì)相在熔池中的行為。對(duì)于本研究的Co基多元硬質(zhì)合金,硬質(zhì)相的分布取決于硬質(zhì)相、粘結(jié)相與熔體的相互作用結(jié)果,硬質(zhì)相與界面接觸后將保證液相在顆粒上的鋪展,保證顆粒間獲得更強(qiáng)的相互吸引力,有利于液相在顆粒之間毛細(xì)管中運(yùn)動(dòng),有利于粒子在基體中的均勻分布。有關(guān)研究表明電磁攪拌能通過(guò)電磁力作用于金屬熔體產(chǎn)生強(qiáng)烈的混合對(duì)流,從而改變?nèi)垠w的傳熱和傳質(zhì)過(guò)程。考慮到采用此技術(shù)可能改變激光熔池?zé)崃W(xué)條件和動(dòng)力學(xué)條件,使硬質(zhì)合金顆粒在熔覆層均勻分布并細(xì)化晶粒,使殘?jiān)细√岣呷鄹矊訌?qiáng)韌性等作用,我們?cè)O(shè)計(jì)了一臺(tái)激光熔覆專用電磁攪拌裝置。3熔覆層亞層結(jié)構(gòu)的形成原因(1)在多元復(fù)合硬質(zhì)合金的激光熔覆過(guò)程中,由于熔池表面張力引起的熔池自攪拌能力有限,熔池中各組份元素密度不一致及其它