稀有金属 2006,(06),740-745 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.06.005
钼对等离子堆焊钴基合金组织结构及性能的影响
黄贞益
安徽工业大学材料科学与工程学院金属材料与加工重点实验室,安徽工业大学材料科学与工程学院金属材料与加工重点实验室 安徽马鞍山243002,安徽马鞍山243002
摘 要:
采用光学显微镜, 扫描电镜 (SEM) , X射线衍射 (XRD) , 透射电镜 (TEM) 和磨粒磨损试验, 研究了8%Mo对等离子堆焊钴基合金组织结构和性能的影响。结果表明, 堆焊合金层主要是由面心立方的γ (Co) 和六方结构的M7C3构成, 并且在钴基固溶体中存在着许多堆垛层错。8%Mo的加入, 没有改变合金层的相结构, 但其亚结构却发生了变化, 堆垛层错消失, 在钴基固溶体中出现了大量的位错。8%Mo的加入, 不但可以细化钴基固溶体和共晶体组织, 还可以提高合金层中富Cr碳化物相的相对含量, 有助于提高合金层的硬度和耐磨性能。
关键词:
等离子堆焊 ;钴基合金 ;钼 ;组织结构 ;耐磨性 ;
中图分类号: TG455
收稿日期: 2006-03-08
基金: 安徽省高校青年教师科研资助项目 (2006jql082);
Effect of Molybdenum on Microstructure and Properties of Cobalt-Based Alloy Coating Deposited by Plasma Transferred Arc Process
Abstract:
The effects of 8% Mo on the microstructure and properties of the cobalt-based alloy coating were investigated using optical microscope, scanning electron microscope (SEM) , X-ray diffraction (XRD) , transmission electron microscope (TEM) , and abrasive wear test.It was found that a cobalt-based solid solution with a face-centered cubic crystal structure is presented accompanied by the secondary phase M7 C3 with a hexagonal crystal structure in the cobalt-based alloy coating.There are lots of stacking faults existing in this coating.The addition of 8% Mo does not change the phase composition, but the substructure changes from sacking faults into dislocations.The addition of 8% Mo can refine the Co-rich dendrites and Cr-rich carbides formed in interdendritic region.The mass fraction of Cr-rich carbides slightly increases.All these results are beneficial to increasing the hardness and the wear resistance of the deposited coating.
Keyword:
plasma transferred arc (PTA) process;cobalt-based alloy;molybdenum;microstructure;wear resistance;
Received: 2006-03-08
为了提高构件的表面耐磨、 耐蚀以及抗氧化性能, 人们采用了诸如电弧和激光等表面改性技术
[1 ,2 ,3 ]
。 在这些表面改性技术当中, 等离子堆焊技术作为材料表面强化手段之一, 同传统的堆焊方法相比, 具有堆焊熔覆率高、 稀释率低、 粉末适用范围广等突出优点。 而钴基合金因具有良好的高温性能和耐磨耐性能, 受到了人们的广泛关注
[4 ,5 ]
。
钴基合金堆焊合金层的性能取决于堆焊层的化学成分、 组织结构、 以及加工处理方式。 一般来说, 粗大的组织, 其耐磨性较低
[6 ]
。 最近, Shin等
[7 ]
在钴基斯太利合金中添加不同质量分数的Mo, 并采用等离子堆焊的方式获得复合结构涂层。 该研究发现, 在钴基合金中添加Mo元素以后, 位于枝晶间的富Cr碳化物相的尺寸减小, 含量略有增加, 并且细化了富Co固溶体的枝晶组织, 同时在组织中形成了M6 C型化合物, 所有这些改变都有利于堆焊层表面耐磨性能的提高。 可以预见的是, 在钴基合金中添加Mo元素, 并采用等离子堆焊的方式制备复合结构涂层, 必将对涂层的组织结构及性能产生影响。 本文主要研究8%Mo对钴基合金等离子堆焊层的组织结构和耐磨性能的影响, 为提高钴基合金等离子堆焊层的表面性能提供新的途径。
1 实 验
将Q235A钢加工成200 mm×35 mm×20 mm作为堆焊母材试样。 将钴基合金粉末 (粒度为75~180 μm) 与钼元素 (纯度为99.5%, 粒度约为80 μm) 按照质量分数为92∶8比例进行配置, 并放入玛瑙研钵中, 充分搅拌, 待均匀后放入120 ℃的烘干箱中烘烤2 h, 取出待用。 钴基合金粉末的化学成分见表1所示。
等离子堆焊试验是在型号为L4-400PC型的等离子堆焊机上进行的。 工艺规范为: 转移弧电流210~220 A, 转移弧电压38~40 V, 主气压力0.3 MPa, 离子气流量0.5 m3 ·h-1 , 送粉气流量0.2 m3 ·h-1 , 送粉电压11~13 V, 摆动电压25 V, 行走电压17 V, 冷却水压力3 MPa, 喷距7 mm, 焊枪摆幅15 mm。
采用OLYMPUS-PME3型金相显微镜和带有能谱仪的PHILIPS扫描电镜 (SEM) 对堆焊合金层显微组织进行观察分析。 采用Rigaku D/max-IIIC型X射线衍射仪对堆焊层进行物相分析, 加速电压为45 kV, 管流100 mA, Cu kα靶。 采用HV-1000型显微硬度计测量堆焊层的剖面显微硬度, 载荷为1 kg。 磨粒磨损实验是在自制的三体磨粒磨损试验机上进行的, 载荷为0.5 kg, 转速为40 r·min-1 。
表1 钴基合金粉末的化学成分 (%, 质量分数)
Table 1 Composition of cobalt-based alloy powder
C
Si
Cr
Fe
Ni
W
Mo
Co
1.4
1.45
29.5
3
3
8.25
1
余量
评定耐磨性的高低采用失重法, 称重是在感量为0.1 mg的FN2004电子天平上进行的, 每种材料取3块试样磨损的平均值作为该材料的磨损值。
2 结果与分析
2.1 X射线衍射结果
图1为堆焊合金层的X射线衍射谱。 由图可知, 堆焊合金层主要是由面心立方的γ (Co) 和六方结构的M7 C3 构成 (M=Cr, Fe, Ni, W, Co, Si, Mo) 。 由图可见, 固溶体所对应的衍射峰强度较高, 化合物所对应的衍射峰的强度却较低。 由文献
[
8 ]
可知, 由于等离子堆焊是一个快速加热和快速凝固过程, 在合金层中很容易出现择优取向, 从而使得先析出相固溶体的衍射峰明显, 而后析出的化合物所对应的衍射峰强度就相应降低了。 比较图1 (a) 和1 (b) 可以看出, 8%Mo的加入并没有改变堆焊合金层的相组成, 只是化合物所对应的衍射峰有所变锐。 这说明由于Mo的加入, 合金层中化合物相的相对含量有所增加, 而固溶体相的相对含量则有所降低, 并且其择优取向性减弱
[7 ]
。
根据文献
[
7 ]
可知, Mo的加入可以增加富Cr相的含量, 而且可以使枝晶变细, 从而使化合物所对应的衍射峰强度升高, 组织的择优取向性减弱。 由于Mo是高熔点金属 (2890 K) , 在堆焊层凝固结晶过程中, 部分Mo首先从熔池中析出, 作为非自发形核的核心, 因此可以细化组织, 使组织的取向性减弱, 所以衍射谱的择优取向减弱。
2.2 堆焊合金层的组织特征
图2为钴基合金堆焊合金层的剖面显微组织。 由图可见, 涂层的组织为典型的树枝晶结构, 具有亚共晶特征。 加入8%Mo以后, 堆焊层的组织没有发生显著变化, 但要比没有添加8%Mo的组织要细, 而且其枝晶的取向性减弱, 这同前面的X射线衍射结果是一致的。 这说明, 由于8%Mo的加入, 使堆焊层一次枝晶破碎, 组织变细。 如上所述, 由于Mo是高熔点金属, 在堆焊层凝固结果过程中, 首先从熔池中析出, 提供非自发形核核心, 从而可以使组织变细, 枝晶的取向性减弱
[7 ]
。
图3是堆焊合金层SEM二次电子形貌。 由图可知, 堆焊层主要是由呈深色分布的γ (Co) 基体A和富Cr的碳化物B所构成。 比较图3 (a) 和 (b) 可以看出, 8%Mo的加入, 共晶体的形态发生了一些变化, 由板条网状转变为放射网状, 而且共晶体碳化物的数量也有所增多, 这与X射线的结果是一致的。
堆焊层的EDS分析结果如表2所示。 由表2可以看出, Mo元素主要分布在富Cr的网状碳化物中, 而在基体固溶体中则分布较少, 这与文献
[
7 ]
所报道的结果相同。
图1 等离子堆焊钴基合金X射线衍射图谱 (a) Co50; (b) Co50/8%Mo
Fig.1 X-ray diffraction patterns of deposited coatings
2.3 堆焊合金层的TEM研究
图4 (a) 是钴基合金堆焊层的亚结构观察。 由图可以看出, 在钴基固溶体中分布着许多呈大致平行分布的堆垛层错。 众所周知, 由于面心立方晶体结构的滑移系较多, 而Co的层错能较低, 因此在等离子堆焊快速凝固所产生的热应力作用下, 在钴基固溶体中就形成了许多堆垛层错, 以降低系统的能量, 保持组织结构的稳定性
[9 ]
。 但是, 当在钴基合金中添加8%的Mo元素以后, 合金层的亚结构却发生了变化, 钴基固溶体中的堆垛层消失, 出现了密度较高的位错, 如图4 (b) 所示。 由文献
[
7 ,
10 ]
可知, Mo的加入, 不但可以细化组织, 提高合金层中富Cr碳化物的含量, 而且未熔的Mo质点还可以阻碍滑移系的开动和滑移, 促进了位错的衍生和繁殖, 从而提高了堆焊层的性能。 此外, 由图4 (b) 还可以看到, 在某些局部区域存在着位错的缠结。
由前面的XRD衍射结果可知, 在堆焊层中存在着呈六方结构分布的M7 C3 型化合物。 由于在堆焊层中存在较强的择优取向, 因此在衍射图中
图2 堆焊合金层组织 (a) Co50; (b) Co50/8% Mo
Fig.2 Microstructure of deposited coatings
图3 堆焊合金层SEM高倍组织 (a) Co50; (b) Co50/8%Mo
Fig.3 SEM images of deposited coatings
表2 等离子堆焊钴基合金涂层的EDS成分分析结果 (%, 质量分数)
Table 2 EDS analysis of deposited coatings
试样
区域
Co
Cr
W
Mo
Fe
Ni
Si
Co50
A
55.1
30.12
9.25
0.76
1.62
1.65
1.50
B
19.83
52.26
15.19
0.21
11.18
0.82
0.51
Co50/8%Mo
A
52.53
19.21
4.21
1.17
19.77
1.86
1.25
B
16.93
50.10
7.98
5.96
16.96
1.27
0.80
M7 C3 型化合物的衍射峰较弱, 为了更加明确地确定堆焊层中碳化物的种类和结构, 对堆焊层进行了TEM观察, 如图5和6所示, 相应的选区电子衍射花样 (SAD) 如图5 (b) 和图6 (b) 所示。 由标定结果可以看出, 堆焊层的碳化物相为呈六方结构的M7 C3 , 这同前面的XRD衍射结果是一致的。 文献
[
11 ]
的研究结果表明, 在不同处理方式下, M7 C3 具有正交和六方两种结构, 在本实验条件下, M7 C3 呈六方结构, 这与文献
[
8 ]
所得到的结果是一致的。
2.4 剖面显微硬度和表面耐磨性
图7和8分别是堆焊合金层的剖面显微硬度
图4 钴基固溶体中的亚结构观察 (a) Co50; (b) Co50/8%Mo
Fig.4 TEM images of stacking faults in Co50 (a) and dislocation in Co50/8%Mo coatings
图5 Co50堆焊层中M7C3型化合物的TEM形貌 (a) 及其SAD图谱 (b)
Fig.5 TEM image of M7 C3 and its SAD patterns for Co50 coating
图6 Co50/8%Mo堆焊层中M7C3型化合物的TEM形貌 (a) 及其SAD图谱 (b)
Fig.6 TEM image of M7 C3 and its SAD patterns for Co50/8%Mo coating
图7 堆焊合金层的显微硬度
Fig.7 Microhardness of deposited coatings
图8 堆焊合金层的磨损性能
Fig.8 Wear resistance of deposited coatings
和表面磨粒磨损试验结果。 由图可以看出, 添加8%Mo的堆焊层的剖面显微硬度和表面耐磨性能都高于原堆焊层。 通过前面的分析可知, 8%Mo的加入, 一方面可以细化晶粒, 改善枝晶的择优分布, 增加富Cr碳化物的数量; 另一方面, 8%Mo的加入, 使堆焊层的亚结构发生了变化, 堆垛层错消失, 出现了大量的位错, 而且出现了位错的缠结。 在这两方面的联合作用下, 使堆焊层的硬度和耐磨性能得到了提高。
3 结 论
1. 在本文实验条件下, 等离子堆焊钴基堆焊合金层是由呈面心立方结构的γ (Co) 和六方结构的M7 C3 构成, 并且在钴基固溶体中分布着许多堆垛层错。 8%Mo的加入, 没有改变堆焊合金层的相结构, 但是堆焊合金层的亚结构却发生了变化, 堆垛层错消失, 出现了大量的位错, 并且存在位错的缠结。
2. 8%Mo的加入, 可以细化堆焊合金层组织, 枝晶的取向性减弱, 并且可以增加堆焊合金层中富Cr相的含量。 而且Mo元素主要存在于富Cr碳化物中。
3. 8%Mo的加入, 可以提高堆焊层的剖面显微硬度, 并显著提高堆焊层的表面耐磨性能。
参考文献
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