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渡層。本文采用SEM、TEM 、X 射線能譜儀及顯微硬度計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 因具有優異的高溫強度，抗氧化性強、硬度高、耐磨耐蝕性好以及熱膨脹系數小等特點，日益受到人們重視。但由于WC 燒結性差，易斷裂。因此我們采用Co 基合金作為粘結基體，研究Co 基WC 熔覆層的組織、性能。 1 實驗材料和方法 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金屬，其成分如下表2。硬質陶瓷相為小于100μm 的鑄造WC。試驗過程中先將鈷基自熔合金與一定量的WC 粉末混合均勻后，進行單道送粉式激光熔覆，混合后成分如下表3。1.1 實驗設備、工藝參數 (1) 激光器相關參數：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，工作臺為X-Y 兩坐標機密機床（單片機自動控制）。 (2) 金相顯微鏡型號：MM6 大型臥式金相顯微鏡，顯微硬度計型號：HXD-1000。 (3) 掃描電子顯微鏡型號JSA840。 (4) X 射線衍射儀：日本理光公司產的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2Q=0.02。 2 試驗結果與分析 2.1 熔覆層和基體結合界面顯微組織特征 如圖1、2 所示界面形態為波浪型同時界面附近均出現黑色組織： 熔覆過程中熔池內液體產生擾動，使基體表面活化部分強制卷入熔池。熔池形成時沿熔池橫斷面加熱溫度不均，造成熔池內各處液體的表面張力和密度的差別，產生使液體向一定方向流動的力偶[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 ? 上述兩個力偶方向相同，使液體流動起來，形成波形界面[2]。 波形界面形成的另一個因素是送粉式激光熔覆加熱過程中基體表面與熔覆材料同時被加熱到熔化狀態，在熔覆層形成時，熔覆材料液滴與熔化的基體表面在重力、風壓、光壓的作用下撞合，此時可將基體熔化部分掀起，使熔覆材料與基體材料強制混融[3]，從而形成波形界面。由于純Co 合金粉末的熔點較低、在熔覆工藝相同的情況下基體熔化速度相對較快、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 所示均呈現硬質相大致均勻分布，所不同的是粘接硬質相的顯微組織的形態和分布有所不同，從照片中可以明顯看出，白色塊狀的硬質相均勻分布在粘接相金屬中，硬質相的大小和形狀各不相同。 大塊的硬質相在熔覆過程中沒有熔解或燒熔而被保留下來，小塊的硬質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相均牢固地鑲嵌在金屬基體當中，被粘接相包裹，并通過粘接相將多個硬質相顆粒連成一體。粘接金屬開始結晶時，是靠硬質相顆粒聯生長大。這種結晶狀態較為理想，這可以對硬質相顆粒起釘錨作用[4]，使之在服役過程中不至于脫落，在熔覆層中沒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晶粒區，該區一般為等軸晶，中部為硬質相均勻分布區，熔覆材料與基體界面附近為柱狀晶區，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相均勻分布區、樹枝晶區、平面胞狀晶區、同時界面處也有柱狀晶區，柱狀晶較大。表面等軸晶區是由于高溫輻射散熱，在各個方向上的散熱速度大致相當，在加上合金元素的作用，而另外形核生長出新的晶體，其組織形態為等軸狀、短棒狀。對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冷和定向凝固造成的，成分過冷易于形成胞狀晶[5]，定向凝固易于形成柱狀晶。基體對熔覆層的冷卻作用極大，相當于定向凝固。 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 對熔覆層與基體結合界面兩側硬度檢測，其結果如圖5，此結果與圖1、2 金相顯微組織相對應。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，這說明熔覆層的性能大大優于基體材料的性能，達到了表面改性的目的。 圖5 不同熔覆層與基體間界面兩側硬度分布曲線2.4 熔覆層的化學成分及物相評估 從電子探針對熔覆層內各元素的面掃描和線掃描結果及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中，可能以固溶體的形式存在，，其構成的主要元素有（Co,Fe,Ni,C,Si），根據熔覆材料的種類不同，其合金元素的相對含量有一定差別，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小的合金化合物，這兩種化合物是在熔覆層結晶過程中析出來的，其成分分別為（Cr,Fe,C）和（Cr,W,C）。在（Cr,Fe,C）中Fe 的相對含量較少，其形狀為規則的六邊形，估計是M7C3 型化合物。在（Cr,W,C）中，W的相對含量比較高，其形狀為細長桿狀。 （3）熔覆層中的大塊化合物，成分分析結果表明，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，在熔覆過程中被保留下來。 3 結論 （1） 在熔覆層中硬質相均能大致均勻分布，硬質相起到強化作用。 （2） 在基體材料相同的情況下，熔覆材料的熔點越低，熔覆層與基體間的界面波浪形越明顯，同時有黑色組織卷入。熔覆材料熔點較高時，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生。 （3） 熔覆材料中加入的WC 在熔覆結晶過程中與基體相達到冶金結合。 （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 1 劉喜明. 送粉式激光熔覆基礎理論研究. 中國科學院長春光機所博士論文，1998 2 關振中. 激光加工工藝手冊. 北京：中國計量出版社，1998 3 揚永強等. 送粉式激光熔覆時激光與粉末的交互作用. 中國激光. 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 高家誠等. 稀土對激光涂覆陶瓷涂層性能的影響. 材料研究學報. 12（1），1998