超音速激光沉积与激光熔覆WC/SS316L复合沉积层显微组织与性能的对比研究
发布时间：2021-01-06 18:12
采用超音速激光沉积（SLD）和激光熔覆（LC）在316L不锈钢基体上制备了WC/SS316L复合沉积层,对沉积层的宏观形貌、WC分布、显微组织、相成分及磨损性能进行了对比分析。结果表明,LC多道搭接的沉积层中有明显的宏观裂纹,而SLD沉积层表面平整致密,无宏观缺陷。在LC沉积层中,陶瓷相WC呈部分聚集的不均匀分布,而在SLD沉积层中,陶瓷相WC呈弥散状的均匀分布。LC沉积层组织成分分布不均匀,且产生了有害相,而SLD沉积层保持了沉积粉末原有的组织和性能,且表现出形变强化效果。SLD沉积层的摩擦系数比LC沉积层低28%,表现出较优的抗磨损性能。
【文章来源】：中国激光. 2016,43(11)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图２ＳＬＤ系统示意图Ｆｉｇ．２ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＳＬＤｓｙｓｔｅｍ
中国激光了明显的氧化变色以及翘曲现象，而ＳＬＤ试样几乎没有热致不良影响。二者的差别缘于激光输入能量的不同：在ＬＣ过程中，基体与预置粉末被激光快速加热熔化，在随后的凝固过程中热应力集中导致沉积层产生开裂［１７］；在ＳＬＤ过程中，激光的引入只是为了软化沉积层材料和基体材料，不存在沉积层材料和基体材料的熔化和凝固过程。３．２沉积层显微结构分析图５（ａ）所示为ＬＣ沉积层显微组织结构，可以看出ＬＣ沉积层中仅有一些尺寸较大的颗粒，ＷＣ颗粒的周围析出了大量的块状初晶，其间分布着不规则的细条状共晶，而远离ＷＣ颗粒的区域形成了较多的柱状晶。ＬＣ沉积层局部放大图如图５（ｂ）所示。对图５（ｂ）标注区域进行ＥＤＳ元素分析，结果如图５（ｄ）所示，可以发现Ｃ原子与Ｗ原子的原子数分数比大约为１：１，且Ｆｅ与Ｃｒ的原子数也较高。说明这些白色块状组织为未完全分解的ＷＣ，且粘结相元素已经渗入未熔的ＷＣ，说明在熔覆过程中ＷＣ颗粒发生了较为严重的氧化反应、破碎溶解以及扩散冶金反应溶解。尺寸较小的ＷＣ被完全氧化、全部溶解，部分球形ＷＣ在高温熔池中碎化成较小的不规则形状，尺寸较大的ＷＣ颗粒与周围的熔体发生冶金反应形成了扩散带。ＳＬＤ沉积层显微组织结构如图５（ｃ）所示，可以看到在ＳＬＤ沉积层中没有出现典型的枝晶组织特征。这是由于在ＳＬＤ过程中，材料颗粒是在全固态下进行沉积，不涉及原始粉末和基体材料的高温熔化。增强相ＷＣ颗粒嵌入塑性变形的粘结相颗粒中，从而得以有效沉积，形成复合沉积层。在ＳＬＤ沉积层中存在塑性变形后的粘结相纤
中国激光３．５沉积层耐磨性能分析图８为ＳＬＤ与ＬＣ的ＷＣ／ＳＳ３１６Ｌ沉积层在相同载荷作用下的滑动摩擦系数随时间的变化曲线。ＬＣ沉积层的平均摩擦系数为０．９，ＳＬＤ沉积层的摩擦系数为０．６５，较ＬＣ沉积层，ＳＬＤ沉积层的摩擦系数降低了２８％。磨痕的显微形貌如图９所示，可以看到ＳＬＤ与ＬＣ沉积层的磨痕宽度分别为６２９．１６μｍ和８５９．７１μｍ，且磨痕中均存在深色（１和３）和浅色（２和４）两种区域。ＳＬＤ沉积层和ＬＣ沉积层磨痕的局部放大形貌分别如图９（ｂ）、（ｄ）所示。ＳＬＤ沉积层表面有一些较浅的犁沟，无大的剥落区。在磨损过程中，有细小的ＷＣ颗粒从ＳＬＤ沉积层中剥落，随着摩擦副的转动对粘结相造成刮伤，形成磨粒磨损机制。但总体来看，ＳＬＤ沉积层的磨痕较浅，表现出较高的耐磨性。而在ＬＣ沉积层中，表面存在许多粘着磨损引起的剥落坑。这是由于ＷＣ颗粒存在脆硬相，在持续的磨损过程中脆硬的ＷＣ颗粒发生了碎裂，如图９（ｄ）中的箭头所示。ＷＣ颗粒在ＳＬＤ沉积层中的含量高且分布均匀，激光辐照作用增加了陶瓷相与粘结相的结合强度，这些因素的共同作用提高了ＳＬＤ沉积层的抗磨损性能。ＬＣ沉积层中的ＷＣ颗粒在熔池中部分被烧损，并且由于熔池的对流运动，ＷＣ颗粒在沉积层中的分布极不均匀，所以在磨损过程中沉积层与摩擦副的粘着倾向无法降低，ＬＣ沉积层表现出较低的耐磨性能。ＥＤＳ分析结果如图１０所示，可以发现深色区域中氧元素含量很高，浅色区域中几乎没有氧元素。图８摩擦系数随时间的变化
【参考文献】：
期刊论文
[1]超音速激光沉积WC/Stellite 6复合涂层显微组织特征的研究[J]. 李祉宏,杨理京,李波,张群莉,姚建华. 中国激光. 2015(11)
[2]超音速激光沉积法制备Ni60涂层的显微组织及沉积机理[J]. 杨理京,李祉宏,李波,张群莉,姚建华. 中国激光. 2015(03)
[3]冷喷涂制备陶瓷及陶瓷金属复合涂层的研究进展[J]. 崔烺,马冰,冯胜强,刘光,王秀玲. 兵器材料科学与工程. 2015(01)
[4]TiB2硬质相增强50Co金属陶瓷粉末与耐磨损腐蚀涂层[J]. 陈枭,黄硕文,段小华,张晓敏,范亚乔,关晓晓,陈珑. 材料热处理学报. 2014(11)
[5]双激光束熔覆过程平顶辅助光束对陶瓷涂层温度场的影响[J]. 吴东江,褚洋,牛方勇,马广义,庄娟. 中国激光. 2014(07)
[6]选区激光熔化W-Cu复合体系熔池熔体运动行为的数值模拟[J]. 戴冬华,顾冬冬,李雅莉,张国全,贾清波,沈以赴. 中国激光. 2013(11)
[7]WC/FeAl金属间化合物基金属陶瓷涂层的冷喷涂制备[J]. 王洪涛,陈枭,纪岗昌,白小波,董增祥,仪登亮. 金属热处理. 2013(03)
[8]钛合金激光熔覆硬质颗粒增强金属间化合物复合涂层耐磨性[J]. 冯淑容,张述泉,王华明. 中国激光. 2012(02)
[9]镁合金表面激光熔覆Al-Si/Al2O3-TiO2复合涂层界面特征及耐磨性[J]. 崔泽琴,王文先,吴宏亮,许并社. 中国激光. 2011(06)
[10]1Cr17Ni2不锈钢表面激光熔覆层的微观组织和性能研究[J]. 徐成伟,王振全,胡欣,黄成功. 表面技术. 2011(01)
本文编号：2961028
【文章来源】：中国激光. 2016,43(11)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图２ＳＬＤ系统示意图Ｆｉｇ．２ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＳＬＤｓｙｓｔｅｍ
中国激光了明显的氧化变色以及翘曲现象，而ＳＬＤ试样几乎没有热致不良影响。二者的差别缘于激光输入能量的不同：在ＬＣ过程中，基体与预置粉末被激光快速加热熔化，在随后的凝固过程中热应力集中导致沉积层产生开裂［１７］；在ＳＬＤ过程中，激光的引入只是为了软化沉积层材料和基体材料，不存在沉积层材料和基体材料的熔化和凝固过程。３．２沉积层显微结构分析图５（ａ）所示为ＬＣ沉积层显微组织结构，可以看出ＬＣ沉积层中仅有一些尺寸较大的颗粒，ＷＣ颗粒的周围析出了大量的块状初晶，其间分布着不规则的细条状共晶，而远离ＷＣ颗粒的区域形成了较多的柱状晶。ＬＣ沉积层局部放大图如图５（ｂ）所示。对图５（ｂ）标注区域进行ＥＤＳ元素分析，结果如图５（ｄ）所示，可以发现Ｃ原子与Ｗ原子的原子数分数比大约为１：１，且Ｆｅ与Ｃｒ的原子数也较高。说明这些白色块状组织为未完全分解的ＷＣ，且粘结相元素已经渗入未熔的ＷＣ，说明在熔覆过程中ＷＣ颗粒发生了较为严重的氧化反应、破碎溶解以及扩散冶金反应溶解。尺寸较小的ＷＣ被完全氧化、全部溶解，部分球形ＷＣ在高温熔池中碎化成较小的不规则形状，尺寸较大的ＷＣ颗粒与周围的熔体发生冶金反应形成了扩散带。ＳＬＤ沉积层显微组织结构如图５（ｃ）所示，可以看到在ＳＬＤ沉积层中没有出现典型的枝晶组织特征。这是由于在ＳＬＤ过程中，材料颗粒是在全固态下进行沉积，不涉及原始粉末和基体材料的高温熔化。增强相ＷＣ颗粒嵌入塑性变形的粘结相颗粒中，从而得以有效沉积，形成复合沉积层。在ＳＬＤ沉积层中存在塑性变形后的粘结相纤
中国激光３．５沉积层耐磨性能分析图８为ＳＬＤ与ＬＣ的ＷＣ／ＳＳ３１６Ｌ沉积层在相同载荷作用下的滑动摩擦系数随时间的变化曲线。ＬＣ沉积层的平均摩擦系数为０．９，ＳＬＤ沉积层的摩擦系数为０．６５，较ＬＣ沉积层，ＳＬＤ沉积层的摩擦系数降低了２８％。磨痕的显微形貌如图９所示，可以看到ＳＬＤ与ＬＣ沉积层的磨痕宽度分别为６２９．１６μｍ和８５９．７１μｍ，且磨痕中均存在深色（１和３）和浅色（２和４）两种区域。ＳＬＤ沉积层和ＬＣ沉积层磨痕的局部放大形貌分别如图９（ｂ）、（ｄ）所示。ＳＬＤ沉积层表面有一些较浅的犁沟，无大的剥落区。在磨损过程中，有细小的ＷＣ颗粒从ＳＬＤ沉积层中剥落，随着摩擦副的转动对粘结相造成刮伤，形成磨粒磨损机制。但总体来看，ＳＬＤ沉积层的磨痕较浅，表现出较高的耐磨性。而在ＬＣ沉积层中，表面存在许多粘着磨损引起的剥落坑。这是由于ＷＣ颗粒存在脆硬相，在持续的磨损过程中脆硬的ＷＣ颗粒发生了碎裂，如图９（ｄ）中的箭头所示。ＷＣ颗粒在ＳＬＤ沉积层中的含量高且分布均匀，激光辐照作用增加了陶瓷相与粘结相的结合强度，这些因素的共同作用提高了ＳＬＤ沉积层的抗磨损性能。ＬＣ沉积层中的ＷＣ颗粒在熔池中部分被烧损，并且由于熔池的对流运动，ＷＣ颗粒在沉积层中的分布极不均匀，所以在磨损过程中沉积层与摩擦副的粘着倾向无法降低，ＬＣ沉积层表现出较低的耐磨性能。ＥＤＳ分析结果如图１０所示，可以发现深色区域中氧元素含量很高，浅色区域中几乎没有氧元素。图８摩擦系数随时间的变化
【参考文献】：
期刊论文
[1]超音速激光沉积WC/Stellite 6复合涂层显微组织特征的研究[J]. 李祉宏,杨理京,李波,张群莉,姚建华. 中国激光. 2015(11)
[2]超音速激光沉积法制备Ni60涂层的显微组织及沉积机理[J]. 杨理京,李祉宏,李波,张群莉,姚建华. 中国激光. 2015(03)
[3]冷喷涂制备陶瓷及陶瓷金属复合涂层的研究进展[J]. 崔烺,马冰,冯胜强,刘光,王秀玲. 兵器材料科学与工程. 2015(01)
[4]TiB2硬质相增强50Co金属陶瓷粉末与耐磨损腐蚀涂层[J]. 陈枭,黄硕文,段小华,张晓敏,范亚乔,关晓晓,陈珑. 材料热处理学报. 2014(11)
[5]双激光束熔覆过程平顶辅助光束对陶瓷涂层温度场的影响[J]. 吴东江,褚洋,牛方勇,马广义,庄娟. 中国激光. 2014(07)
[6]选区激光熔化W-Cu复合体系熔池熔体运动行为的数值模拟[J]. 戴冬华,顾冬冬,李雅莉,张国全,贾清波,沈以赴. 中国激光. 2013(11)
[7]WC/FeAl金属间化合物基金属陶瓷涂层的冷喷涂制备[J]. 王洪涛,陈枭,纪岗昌,白小波,董增祥,仪登亮. 金属热处理. 2013(03)
[8]钛合金激光熔覆硬质颗粒增强金属间化合物复合涂层耐磨性[J]. 冯淑容,张述泉,王华明. 中国激光. 2012(02)
[9]镁合金表面激光熔覆Al-Si/Al2O3-TiO2复合涂层界面特征及耐磨性[J]. 崔泽琴,王文先,吴宏亮,许并社. 中国激光. 2011(06)
[10]1Cr17Ni2不锈钢表面激光熔覆层的微观组织和性能研究[J]. 徐成伟,王振全,胡欣,黄成功. 表面技术. 2011(01)
本文编号：2961028
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