激光3D打印Co基合金与VC混合粉末的组织

激光3D打印Co基合金与VC混合粉末的组织

作者：刘祥宇 殷德洋 杭争翔 徐国建 张翼飞 来源：《大众科学·上旬》2019年第01期

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摘 要：为了降低激光3D打印（激光堆焊）层的裂纹敏感性，提高其耐磨性，堆焊过程采用CO2激光器，将Co基合金与VC的混合粉末堆焊到低碳钢和不锈钢母材上，使用OM 、XRD、EDS、显微硬度计和摩擦磨损试验机对堆焊层的显微组织进行了研究。结果表明，Co基合金与VC混合粉末堆焊层的显微组织可分为两种类型亚共晶组织和过共晶组织。 关键词：激光3D打印（激光堆焊）;钴基合金;碳化矾

激光堆焊过程的优点是可以形成一个复合功能结构、低稀释率、焊接变形小的堆焊层，且通过快速加热和冷却的堆焊过程获得的堆焊层具有优异的耐磨性能。另外，通过优化离焦量、焊接速度及送粉量可方便地控制堆焊层的稀释率。因此，近几年，在制造领域，激光表面处理

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技术得到了迅速发展[1]。比如，日本汽车工业已将激光堆焊技术应用于汽车发动机进出气门和气门座圈的制作。

为了提高发电设备零部件的耐磨性能和高温性能等，将各种碳化物（如WC[2，3]、Cr3C2、TiC、SiC[4]、NbC[5]、VC[6]等）加入到具有一定韧性的合金粉末中（如铁基合金、镍基合金[7]、钴基合金[8]等）。随着碳化物百分含量的增加，堆焊层中复杂碳化物的析出量随之增多。其结果，使堆焊层的耐磨性能和硬度随之增加，同时也导致堆焊层的裂纹敏感性随之增大。另外，与传统堆焊方法相比，激光堆焊过程具有快速加热和冷却的特点，由此进一步增加了脆性裂纹的敏感性。因此研究激光堆焊层的裂纹敏感性具有理论和实际意义，另外，关于激光堆焊Co基合金与VC混合粉末的裂纹敏感性的研究，还没有详细的报道。 1 试验方法 1.1 试验材料

堆焊粉末采用了Co基合金粉末- Stellite-6和碳化钒粉末-VC。Co基合金粉末成分为1.08%C、1.27%Si、1.63%Ni、28.32%Cr、2.04%Fe、4.33%W、余量为Co具有一定的韧性;碳化钒粉末为97%VC，作为强化硬质相。堆焊过程中，将两种粉末按一定比例机械的混合在一起。表1为堆焊粉末的物理性能。

母材金属采用了SM400B（JIS）低碳钢（试件尺寸为80L×30W×9T㎜）和SUS304（JIS）不锈钢（试件尺寸为80L×30W×10T㎜）。两种母材金属表面的粗糙度为50 m（Rz），母材表面在激光堆焊前用丙酮清洗。母材金属成分如表2所示。

激光堆焊系统的示意图如图1所示，热源采用了额定功率2.4kW CO2激光器。送粉器采用了TWIN10-SPG（Sulzer Metco Ltd），利用Ar作为送粉气体将Stellite-6和VC的混合粉末输送到堆焊区[9-11]。两种粉末送粉比例的控制是通過分别调节送粉器料筒下面各自的圆盘旋转速度来实现的，圆盘旋转越快则送粉量越多。 1.2 实验设备

堆焊层的耐磨性是通过大越式（日本制）磨损实验机完成的[10-11]。磨损实验机的磨盘采用了调质处理的工具钢，磨盘半径为15mm、厚度为3mm。磨损过程中外加载荷从0㎏逐渐增加到18.9㎏。等效磨损滑动距离为400m、摩擦速度为308mm/s。在上述特殊试验条件下，获得堆焊层的耐磨性能。

磨损试样的制备方法是在SM400B和SUS304母材上连续堆焊三层，堆焊层的形状为50㎜（长）×15mm（宽）×2.0-2.5mm（高）的长方体，激光堆焊后，磨损试样的堆焊层表面通过磨床加工成平面，磨床加工后的堆焊层高度为1.8-2.3mm。

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堆焊过程温度的监测是通过温度测试装置实现的。传感器牌号为S-423K-01-1、显示装置牌号为HFT-40。测试温度范围为-200～1200℃。

堆焊层的相确定是通过X-ray衍射分析完成的，X-ray衍射分析试样的尺寸为10L×10W×10T㎜，焊缝表面磨平。X-ray衍射仪的靶材为铜、扫描范围2为30°-120°。 1.3 实验条件

激光堆焊条件为：激光输出功率2.1kW、离焦量+15mm、在母材表面光斑直径2.5 mm、多层堆焊重叠率50%、堆焊速度350mm/min、送粉速度10g/min、送粉喷嘴内径2mm、保护气体流量20L/min、送粉气体流量3L/min、室温为303K、Stellite-6与VC混合粉末中VC百分含量变化范围0-50%。 2 实验结果与讨论 堆焊金属的显微组织

由于激光堆焊的稀释率较低，堆焊时低碳钢和不锈钢的堆焊层组织基本相同，主要讨论Stellite-6与VC混合粉末堆焊到SUS304不锈钢母材上的组织，根据混合粉末中VC的质量分数不同，可将堆焊层的显微组织分为两种类型-亚共晶组织和过共晶组织。即，VC的质量分数在0-10%时，堆焊层组织为亚共晶组织[如图2]。

在亚共晶组织中，堆焊金属显微组织与Stellite-6基体组织基本相同，是由树枝状晶与树枝状晶间的共晶组织所组成。但是Stellite-6与VC混合粉末堆焊层组织与纯Stellite-6相比，其亚共晶组织中的树枝状晶变得细小，而树枝状晶间的共晶组织量增加，并随着VC质量分数的增加这一现象变得更加明显。其原因是在堆焊过程中，由于高能量密度激光束的作用，部分VC发生分解，使堆焊金属中的V和C含量增加，促使了共晶转变的进行，其结果使共晶转变量增加，并随着VC百分含量的增加这一现象变得更加明显。另外，当合金成分越接近共晶点时，树枝状晶凝固结晶区间变的越窄，也使得树枝状晶长大时间变得越短。所以，随着VC的质量分数增加树枝状晶变得细小，而树枝状晶间的共晶组织量增加。

VC的质量分数在20-50%时，堆焊层组织为过共晶组织[如图3]。另外，由于VC熔点较高（3194K），在堆焊过程中部分分解，而未分解的VC硬质相颗粒弥散分布在Co基合金基体中。

過共晶组织由初晶VC的等轴晶和初晶VC间的共晶组成。随VC的质量分数的增加，未分解的VC硬质颗粒的数量随之增加，同时使初晶VC的数量增加和尺寸增大，而共晶组织的数量随之减少。这是由于随VC的百分含量的增加，使结晶温度远离共晶点，其结果使VC初晶相的凝固时间变长，导致VC初晶相的数量增加和尺寸增大。

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因此，当VC的质量分数在0-10%时，堆焊金属显微组织由亚共晶组织+未分解VC组成;当VC的百分含量在20-50%时，堆焊金属显微组织由过共晶组织+未分解VC组成。 纯Stellite-6、Stellite-6 + 36%VC及纯VC堆焊层的X-ray衍射分析结果[如图4（a）-（c）]。由分析结果可知，纯Stellite-6合金堆焊层由富Co的相和复杂的C化物相（如Cr7C3、Co3W3C）组成。Stellite-6 + 36%VC堆焊层由富Co的相和复杂的C化物相（如Cr23C6、Co3W3C和VC）组成。 3 结论

Co基合金堆焊层的显微组织可以分成两种类型：亚共晶组织（0-10%VC）由树枝状晶与树枝状晶间的共晶组织所组成;过共晶组织（20-50%VC）由初晶VC的等轴晶和初晶VC间的共晶组成。 参考文献：

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