激光成型鈷基合金的組織及其耐磨性能研究

童文輝，楚莎莎，何 波，陳 江

（1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110000；2.沈陽(yáng)大陸激光技術(shù)有限公司，遼寧沈陽(yáng)110000）

·試驗(yàn)研究·

激光成型鈷基合金的組織及其耐磨性能研究

童文輝1，楚莎莎1，何 波1，陳 江2

（1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110000；2.沈陽(yáng)大陸激光技術(shù)有限公司，遼寧沈陽(yáng)110000）

采用激光熔覆技術(shù)制備出鈷基合金，通過(guò)SEM、EDS和XRD對(duì)激光熔覆CoCrW合金微觀組織和相組成進(jìn)行了分析，通過(guò)硬度及耐磨實(shí)驗(yàn)測(cè)試了合金的耐磨性能。結(jié)果表明：激光熔覆技術(shù)制備的鈷基合金組成相主要是M6C，M23C6，CrCo金屬間化合物和基體，不同工藝參數(shù)下鈷基合金中各相形貌發(fā)生變化；激光熔覆鈷基合金的硬度及耐磨性能均低于鑄態(tài)鈷基合金。

激光熔覆；鈷基合金；顯微組織；硬度；耐磨性能

我國(guó)冶金、石化等能源工業(yè)和國(guó)防工業(yè)一些大型關(guān)鍵設(shè)備的零部件在服役過(guò)程中，大多僅僅由于腐蝕或者機(jī)械磨損所致的表面損傷而影響設(shè)備的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。如果對(duì)損傷的表面不進(jìn)行尺寸和性能恢復(fù)，將直接導(dǎo)致零部件乃至整臺(tái)設(shè)備的報(bào)廢。激光技術(shù)可以對(duì)受損傷的關(guān)鍵零部件表面進(jìn)行維修，它與常見(jiàn)的焊接技術(shù)相比，不僅可以高效率而且可以高質(zhì)量的修復(fù)，不僅對(duì)損傷零件實(shí)現(xiàn)完全的“尺寸恢復(fù)”而且可以是修復(fù)的零部件的“性能提升”，因此它的修復(fù)模式更先進(jìn)，是對(duì)損傷和報(bào)廢零部件實(shí)現(xiàn)“再制造”，使零部件質(zhì)量和性能不低于原型新品，但成本、能源和材料消耗遠(yuǎn)低于新品[1-3]。

連鑄機(jī)出坯輥道是冶金行業(yè)常用設(shè)備，其服役環(huán)境十分惡劣，易因高溫腐蝕和磨損而造成表面耗損和損傷，使輥道的外圓尺寸減小，在運(yùn)行中受力時(shí)易變形和失效。如果不對(duì)其進(jìn)行維修，將嚴(yán)重影響鋼坯質(zhì)量、生產(chǎn)能力和生產(chǎn)安全。同時(shí)，因其用量大、消耗高，如果不進(jìn)行維修而直接報(bào)廢將導(dǎo)致資源的極大浪費(fèi)，每年的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)30億元左右[4，5]。鋼廠一般通過(guò)堆焊修復(fù)和后續(xù)機(jī)械加工對(duì)受損輥道進(jìn)行尺寸形狀恢復(fù)。由于工藝所限，堆焊采用的材料通常為鉻錳硅型合金。但是，這種材料的堆焊層并不能大幅度提高輥道的抗氧化和耐磨性能，且堆焊也并非一種理想的可實(shí)施高效并大面積修復(fù)的工藝。激光熔覆技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代，原本是一種材料學(xué)科與工程學(xué)科中的一項(xiàng)表面強(qiáng)化技術(shù)，主要目的是要在低廉的基體材料上面用高功率激光熔覆一層高性能材料，制備具有優(yōu)異的耐磨性、耐腐蝕性、抗高溫性、高減摩性涂層，代替昂貴的整體塊狀材料。正是這種核心工藝技術(shù)，使激光再制造能夠把高性能專(zhuān)用金屬材料做到各類(lèi)金屬結(jié)構(gòu)部件的表面，從而創(chuàng)造出前所未有的新性能和高性價(jià)比。此外，激光再制造技術(shù)還具有熱影響區(qū)小、自動(dòng)化程度高、可以進(jìn)行微細(xì)加工等眾多特點(diǎn)，能解決許多傳統(tǒng)加工方法無(wú)法解決的技術(shù)難題。目前，激光再制造已經(jīng)成為高端裝備制造業(yè)不可或缺的一種技術(shù)手段[6]。

由于激光器輸出功率變化范圍大，激光斑的溫度變化大，激光可熔覆材料的選擇范圍比常用焊接技術(shù)能采用的材料要廣得多。要對(duì)受損煉鋼連鑄機(jī)出坯輥道進(jìn)行激光再制造，大幅度提高輥道的抗高溫氧化性能和耐磨性能，必須有上述兩種性能兼具的激光熔覆可用粉末材料。本項(xiàng)目擬采用碳化物強(qiáng)化的CoCrW材料，采用光纖激光器，以同步送粉的方法，在其表面熔覆鈷基合金，研究其組織結(jié)構(gòu)、宏觀硬度及其耐磨性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料及其方法

激光成型用CoCrW粉末粒度為-100目，粉末名義成分見(jiàn)表1，粉末SEM形貌見(jiàn)圖2.本實(shí)驗(yàn)采用德國(guó)IPG公司的6 kW光纖激光器，實(shí)驗(yàn)功率設(shè)定為1 800 W.利用INSPECT F50掃描電鏡（SEM）對(duì)其微觀組織進(jìn)行觀察，用SEM配帶的型號(hào)為Oxford的能譜（EDS）分析探頭進(jìn)行成分分析。以42% H3PO4+34%H2SO4+24%H2O（vol.%）為電解腐蝕液，將試樣電解腐蝕后用MXP21VAHF高溫X射線衍射儀分析合金的物相，測(cè)試條件為Cu靶，Kα輻射，管電壓為40 kV，管電流為60 mA.用HR-50A型硬度計(jì)測(cè)量樣品宏觀硬度。采用UMT3摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行往復(fù)式球盤(pán)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。采用激光掃描共聚焦顯微鏡觀察磨痕的三維形貌，比較不同狀態(tài)合金的磨痕的粗糙度。采用三維形貌儀測(cè)量磨痕的磨損量，并取三次磨損量的平均值作為每種合金的磨損量。利用SEM觀察分析試樣磨損后的表面形貌（圖1）.

表1 CoCrW合金粉末名義化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖1 用于激光成型的CoCrW合金粉末SEM形貌

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

對(duì)于鈷鉻鎢合金的研究，國(guó)外領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)。CoCrW合金由于其優(yōu)秀的耐磨性能多被用作耐磨材料[7-10]。該合金因?yàn)槠鋬?yōu)秀的耐磨耐蝕抗高溫氧化等特性經(jīng)常被用來(lái)作涂層，顯微照片和譜分析顯示基板與涂層形成了良好的冶金結(jié)合，涂層成分均勻，為枝晶結(jié)構(gòu)，且晶粒細(xì)小，雜質(zhì)很少。涂層的機(jī)械性能明顯優(yōu)于基板，例如耐磨性好，硬度接近1 000 HV[5-7]。研究對(duì)比了Stellite合金和攙加SiC的Stellite復(fù)合材料，利用CO2激光器與氣動(dòng)傳粉系統(tǒng)進(jìn)行成型。分析樣品發(fā)現(xiàn)基板對(duì)攙加SiC的Stellite復(fù)合材料的稀釋大于比對(duì)Stellite合金的稀釋?zhuān)M管如此，攙加SiC的Stellite復(fù)合材料的硬度與耐磨性仍遠(yuǎn)高于Stellite合金[9-12]。結(jié)果表明，等離子噴涂CoCrW涂層的微動(dòng)磨損分為三個(gè)階段，分別是開(kāi)始階段、過(guò)渡階段和穩(wěn)定階段。這三個(gè)階段的磨損分別是粘著磨損、氧化磨損和疲勞磨損。利用等離子噴涂技術(shù)制備的CoCrW涂層具有較高的硬度和良好的韌性，從而具有比較好的耐微動(dòng)磨損性能[13]。

2.1 激光成型工藝參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)CoCrW合金的高強(qiáng)度、塑性好的性能特點(diǎn)，結(jié)合自身的工藝經(jīng)驗(yàn)，制定正交實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)表2，依照正交實(shí)驗(yàn)表進(jìn)行單道2層的激光成形實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)之前，用丙酮對(duì)基板進(jìn)行除油，乙醇擦拭。實(shí)驗(yàn)宏觀樣品實(shí)物圖見(jiàn)圖2.可見(jiàn)，在設(shè)計(jì)的工藝條件下，CoCrW合金激光成型性良好，未發(fā)現(xiàn)成形樣品在成形后脫落現(xiàn)象。圖3為熔凝線附近的截面形貌，可以看出熔覆區(qū)與基板結(jié)合很好，無(wú)冶金缺陷。

表2 單道實(shí)驗(yàn)掃描參數(shù)

圖2 不通過(guò)激光工藝條件下的試樣實(shí)物圖

圖3 工藝2條件下熔凝線截面SEM形貌

圖4 不通過(guò)激光工藝條件下的樣品的SEM形貌（a、b工藝2，c、d工藝4）

使用CoCrW粉末和耐高溫基板，在Ar氣的保護(hù)氣氛中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。顯微照片和光譜分析顯示基板與熔覆層形成了良好的冶金結(jié)合，熔覆層成分均勻，為枝晶結(jié)構(gòu)，且晶粒細(xì)小，雜質(zhì)很少。圖4為工藝2和4制備的合金熔覆層的顯微組織，可以看出，圖中均勻的枝晶結(jié)構(gòu)，但在晶粒度及晶粒形狀上有些差別，對(duì)于枝晶間的析出也從化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)學(xué)方面進(jìn)行了研究，與工藝2制備的合金組織相比可以看出，工藝4制備的合金熔覆層組織中，枝晶間距更小，組織更加細(xì)小，且枝晶呈網(wǎng)絡(luò)狀分布。通過(guò)組織對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)工藝4優(yōu)于工藝2，故選定工藝4制備性能測(cè)試樣品。

2.2 熔覆層組織及其宏觀硬度

激光熔覆是一個(gè)快速融化、快速凝固的過(guò)程，熔覆層顯微組織形態(tài)主要取決于溫度梯度G、凝固速度R和冷卻速度dT/dt等參數(shù)[14-15]。發(fā)現(xiàn)熔覆層相互之間沒(méi)什么影響，為了進(jìn)一步增加層數(shù)則會(huì)導(dǎo)致硬度、微觀結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力的變化。熔覆層的增加時(shí)，由于凝固收縮及熱梯度降低，殘余應(yīng)力增加，散熱的減慢，使得枝晶有所長(zhǎng)大。不同工藝條件下XRD峰僅在強(qiáng)度上有些變化，合金的主要相組成并沒(méi)有發(fā)生變化。結(jié)合圖5知，熔覆層枝晶間的富Cr碳化物在尺寸上減小了，但M6C碳化物尺寸有所增長(zhǎng)，富Co的枝晶則更加細(xì)化，富Cr碳化物的體積分?jǐn)?shù)稍微上升，但M6C碳化物體積分?jǐn)?shù)大幅度增加，這些組織上的變化，改善了Stellite耐磨堆焊合金的機(jī)械性能，提高了其硬度及耐磨性能。

表3為采用工藝4制備的鈷基合金塊宏觀硬度，由表可以看出，宏觀硬度值波動(dòng)不大，說(shuō)明工藝4參數(shù)下的顯微組織較為均勻。

圖5 采用工藝4制備的樣品SEM形貌和碳化物形貌

表3 激光熔覆層洛氏硬度分布（HRC）

2.3 耐磨性能及其磨痕分析

鑄態(tài)及激光成型CoCrW合金的摩擦失重和磨損率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4.從表4中可以看出，鑄態(tài)下合金的摩擦失重和磨損率最小，激光成型合金的摩擦失重和磨損率明顯增加。鑄態(tài)及激光成型CoCrW合金磨痕的三維形貌如圖6和圖7所示。磨痕橫截面呈“U”形，鑄態(tài)合金的磨痕表面粗糙度明顯大于激光成型合金的磨痕表面粗糙度，而且鑄態(tài)合金的磨痕深度大于激光成型合金的磨痕深度。圖6為磨痕的微觀SEM形貌。鑄態(tài)CoCrW合金磨痕上存在明顯的犁溝，犁溝寬且深，由磨損造成的坑較少。激光成型CoCrW合金磨痕上犁溝細(xì)小不明顯，而由磨損造成的坑較多，這主要是碳化物粒子被“拔出”而形成的坑[16]。由于激光成型CoCrW合金的基體相強(qiáng)度相對(duì)較低，力學(xué)性能不穩(wěn)定。在兩種合金磨痕上均存在少量的磨屑堆積，堆積的磨屑會(huì)將摩擦副的直接接觸隔離，當(dāng)磨屑堆積增多，結(jié)合性變差時(shí)，一旦合金內(nèi)部產(chǎn)生裂紋源，極易破裂而造成較大的磨損坑。兩種狀態(tài)的合金中高硬度的碳化物均由韌性較好的γ-Co基體支撐和包裹，碳化物在磨損過(guò)程中會(huì)發(fā)生折斷和剝落，當(dāng)韌性較好的γ-Co基體磨損后，硬質(zhì)碳化物便凸顯出來(lái)，降低基體的磨損速率。

表4 CoCrW合金摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 鑄態(tài)樣品摩擦后的SEM形貌鑄態(tài)樣品

圖7 激光成型樣品摩擦后的SEM形貌

3 結(jié)論

1）激光熔覆技術(shù)制備的鈷基合金，熔覆層和基體之間形成良好的冶金結(jié)合。鈷基合金主要由M6C，M23C6，CrCo金屬間化合物和基體四種相組成。

2）不同工藝參數(shù)制備的鈷基合金組織中的相組成相同，但組織中各相的形貌和含量有所不同。適當(dāng)提高激光掃描速率，有利于改善合金顯微組織。

3）與鑄態(tài)CoCrW組織相比，激光成型鈷基合金的硬度低，耐磨性能下降。

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Wear-resistance Property and Microstructure of Co-base Alloy Prepared by Laser Forming technology

TONG Wen-hui1，CHU Sha-sha1，HE Bo1，CHEN Jiang2
（1.School of Materials Science and Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang Liaoning 110136，China；2.Shenyang Dalu Laser Technology Co.，Ltd.Shenyang Liaoning 110134，China）

Co-base alloy was successfully prepared by the laser cladding technology，the microstructure and phase composition of the laser cladding alloys were analyzed by SEM、EDS and XRD，and the wear resistance of the alloy was tested by hardness and wear tests.The results show that the composition of Co-base alloy prepared by laser cladding technology is mainly M6C，M23C6，CrCo intermetallic compound and matrix，the morphology of phase of Co-base alloy changes under different process parameters.The hardness and wear resistance of Co-base alloy prepared by laser cladding technology are lower than that of the as-cast alloy.

laser cladding technology，Co-based alloy，microstructure，hardness，wear resistance proerty

TG146

A

1674-6694（2015）05-0028-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.05.009

2015-06-07

童文輝（1971-），男，博士，博士后，副教授。