徐國建，劉 爽，杭爭翔，于恩洪，李永波，范榮博

激光堆焊單道Co基合金與WC混合粉末的性能研究

徐國建1，劉 爽1，杭爭翔1，于恩洪2，李永波2，范榮博2

（1.沈陽工業(yè)大學材料科學與工程學院，沈陽110870；2.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，沈陽110168）

為了提高低碳鋼表面的耐磨性能，采用CO2激光堆焊系統(tǒng)，將Co基合金與WC混合粉末（WC的質(zhì)量分數(shù)為0～0.47）用單道堆焊于低碳鋼表面。利用X射線衍射儀、能譜分析儀、掃描電子顯微鏡、激光顯微鏡、維氏硬度計和耐磨試驗機對單道堆焊層的相結(jié)構(gòu)、顯微組織、維氏硬度、耐磨性和裂紋敏感性進行了比較分析。結(jié)果表明，這種堆焊方法的堆焊層均為亞共晶組織，且未分解WC彌散分散在Co基合金的基體上；堆焊層的維氏硬度均隨WC含量的增加而增加。該方法具有較低的裂紋敏感性。

激光技術(shù)；激光堆焊；亞共晶組織；裂紋敏感性；耐磨性能

引 言

激光堆焊的優(yōu)點是能夠形成一個復合材料的堆焊層；由于激光堆焊熱輸入量低，所以焊接變形和殘余應力??；激光堆焊通過離焦量的改變、堆焊速度的調(diào)整和送粉速度的控制可以獲得極低稀釋率的堆焊層［1］。因此，在最近幾年，激光堆焊在生產(chǎn)應用領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展［2］，如日本已將激光堆焊應用于汽車發(fā)動機出氣閥門的強化［3］。

復合材料的堆焊層往往是將硬質(zhì)相顆粒（作為強化相）與具有較好韌性的合金粉末（作為粘結(jié)劑）混合后形成的。利用激光快速加熱和冷卻的特點，在硬質(zhì)相顆粒還沒有分解前熔池就凝固結(jié)晶，從而使硬質(zhì)相顆粒鑲嵌在韌性較好的合金粉末基體上，以提高堆焊層的使用性能［4］。作為硬質(zhì)相顆粒，WC被廣泛地采用了，作為粘結(jié)劑，Ni基合金、Co基合金和Fe基合金被廣泛地采用了，如Ni基合金+ WC［5］、Co基合金+WC［6］和Fe基合金+WC。雖然堆焊層的耐磨性能隨WC含量的增加而增加，但是堆焊層的脆硬性也隨之增加，導致堆焊層的裂紋敏感性提高［7-11］。為了降低堆焊層裂紋敏感性，通常采用了預熱方法。但是，有關(guān)預熱溫度、WC含量和單道堆焊方法對堆焊層裂紋敏感性的影響研究，還沒有詳細的報道。本試驗中，采用額定輸出功率2.4kW連續(xù)波CO2激光堆焊系統(tǒng)，將Co基合金（stellite-6）與WC的混合粉末用單道堆焊（singlepass layer cladding，SLC），堆焊于低碳鋼（SM400B）的表面上。

1 試驗過程

1.1試驗材料

單道堆焊的示意圖如圖1所示。試板為100mm×50mm×9mm的低碳鋼板SM400B（0.0013C，0.00 19Si，0.0066Mn，0.00016P，0.00005S，余量為Fe）。Co基合金粉末stellite-6（0.0108C，0.0127S，0.0163Ni，0.0832Cr，0.0204Fe，0.0433W，余量為Co）的粒度為63μm～250μm。VC粉末（0.099.7VC）的粒度為45μm。試板表面的粗糙度約為50μm。堆焊前，將試板的表面用丙酮清洗。

Fig.1 Single-pass layer cladding

1.2試驗設(shè)備

激光堆焊系統(tǒng)示意圖如圖2所示。該系統(tǒng)采用額定輸出功率為2.4kW CO2連續(xù)激光器，激光束的能量分布近似為高斯分布，聚焦鏡片（材質(zhì)為Zn-Se）的焦長為200mm；送粉系統(tǒng)使用了Sulzer Metco公司的TWIN10-SPG型送粉器，其送粉量由粉盤的旋轉(zhuǎn)速度決定的，送粉氣體為氬氣（Ar）［12］。

Fig.2 Schematic drawing of laser cladding setup

Fig.3 Wear test

使用大越式磨損試驗機對堆焊層的耐磨性能進行了測試。大越式磨損試驗機的實驗裝置及磨損試驗后的狀態(tài)如圖3所示。摩擦盤由淬火并回火的AISID2模具鋼制成，半徑r＝15mm，厚度B＝3mm，硬度為HRC58；試驗載荷P在磨損試驗過程中由0kg逐漸增大，最終值達18.9kg；摩擦滑動距離L＝400m；摩擦速率為0.308m／s。磨損試驗后測得試件上磨損痕跡寬度h0，并由下面的公式求得的磨損系數(shù)Ws進行評價堆焊層的耐磨性能。Ws越小，其耐磨性能越好。

磨損試樣（堆焊順序示意圖如圖1所示）長為100mm、寬為50mm，單道堆焊后其堆焊層厚度為0.5mm～0.8mm，堆焊層的表面經(jīng)磨削加工后，其厚度變成為0.3mm～0.5mm。

堆焊試樣的預熱通過電熱爐的加熱來實現(xiàn)的。預熱溫度測量使用了S-423K-01-1-TPC-1-ASP型溫度傳感器和HFT-40型顯示裝置。

堆焊后的試件通過線切割截取金相試樣，對金相試樣進行研磨和拋光后，用王水（鹽酸∶硝酸＝3∶1）進行腐蝕；用激光顯微鏡（Keyence VK8510）和掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對堆焊層的顯微組織進行了分析；用電子探針（electron probe micro-analyzer，EPMA）和能譜儀（energy dispersive spectrometer，EDS）分析了微區(qū)的化學成分；用X射線衍射儀對堆焊層中的相進行了分析，掃描步寬為0.02°，掃描角度2θ為20°～120°；用AKASHI（日本）制造的AKASHI AAV-500自動硬度測試儀測量了堆焊層的維氏硬度。滲透著色檢驗的步驟是：首先用清洗劑（R-1M（NT））清洗堆焊層的表面、用滲透劑（R-1A（NT））噴灑到堆焊層的表面，大約經(jīng)過5min后用清洗劑把堆焊層表面的滲透劑清理干凈，然后把顯示劑（R-25-1（NT））噴灑到堆焊層表面并檢驗是否有裂紋存在。

SLC的試驗條件如下：激光輸出功率為2.1kW、離焦量為15mm、聚焦點的光斑直徑為2.0mm、堆焊速率為550mm／min、送粉量為14g／min、送粉噴嘴內(nèi)徑為2mm、保護氣Ar流量為20L／min、送粉氣Ar流量為3L／min、室溫為30℃，stellite-6+WC混合粉末中WC的質(zhì)量分數(shù)范圍為0～0.47。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1堆焊層的顯微組織

Co-WC平衡狀態(tài)圖［13］如圖4所示。共晶點溫度約為1320°C、WC的質(zhì)量分數(shù)約為0.55、共晶組織由富Co奧氏體（γ-Co）與WC組成；當WC的質(zhì)量分數(shù)為0～0.55時，堆焊層由亞共晶組織（γ-Co+（γ-Co+WC））構(gòu)成；當WC的質(zhì)量分數(shù)為0.55～1時，堆焊層由過共晶組織（WC+（γ-Co+WC））構(gòu)成。

Fig.4 Co-WC constitution diagram

在室溫下，stellite-6+0.26WC混合粉末堆焊層的光學和掃描電鏡顯微組織如圖5a和圖5b所示，由于WC熔點較高（3683K），所以在堆焊層中有未溶解的WC顆粒存在，并彌散分布在Co基合金基體上（見圖5a），圖5b是堆焊層的亞共晶組織放大圖；stellite-6+0.26WC混合粉末堆焊層的X射線衍射分析結(jié)果如圖6所示，表明堆焊層中存在γ-Co，Cr23C6，Co3W3C和WC相。由上述分析結(jié)果可知，堆焊層組織由亞共晶組織+未分解WC構(gòu)成。

Fig.5 Microstructure of clad layer with powder mixtures of stellite-6 and 0.26WC（preheating of 30℃）

Fig.6 X-ray diffraction analysis of laser clad layer with stellite-6+ 0.26WC mixed powder

在室溫條件下，stellite-6+0.26WC混合粉末堆焊層中Co，Cr，F(xiàn)e，W和C的電子探針成分分析結(jié)果如圖7所示。由分析結(jié)果可知，Co和Fe在γ-Co中含量較高；Cr，W和C在共晶組織中含量較高。

Fig.7 EPMA line analysis results of Co，W，Cr，C and Fe in clad layer of stellite-6+0.26WC

由上述分析可知，亞共晶組織由富Co奧氏體（γ-Co）+共晶組織（γ-Co，Cr23C6，Co3W3C和WC相）構(gòu)成。

2.2堆焊層的硬度

與其它涂層技術(shù)相比，激光堆焊能獲得更高硬度的堆焊層已被證實［7-8，11，14］。在預熱溫度為450℃時，SLC堆焊層的硬度如圖8所示。由于試驗結(jié)果可知，SLC堆焊層從母材到堆焊層表面的硬度逐漸增大，這是由于母材的稀釋作用和WC含量逐層增加的緣故。由于再次加熱過程中，在影響區(qū)（heataffected zone，HAZ）產(chǎn)生熔合區(qū)、粗晶區(qū)、混晶區(qū)和細晶區(qū)的結(jié)果。通過測量結(jié)果可知，SLC堆焊層由于較小的稀釋率（較小熱輸入量低）而產(chǎn)生的硬度過渡區(qū)較?。s為40μm）。

Fig.8 Vickers hardness of muti-layer cladding for SLC

2.3堆焊層的裂紋敏感性

WC的質(zhì)量分數(shù)和預熱溫度對單道堆焊層裂紋敏感性的影響如圖9所示，由此獲得的單道堆焊層裂紋敏感性回歸方程見下式：

式中，Tc為臨界預熱溫度（℃），wc為WC的臨界質(zhì)量分數(shù)。

Fig.9 Effect of mass fraction of WC and preheating temperature on crack sensitivity of single passes

由上式可知，在回歸曲線的上方不產(chǎn)生裂紋，在回歸曲線的下方產(chǎn)生裂紋。

在室溫下堆焊，單道堆焊層的滲透著色檢驗結(jié)果如圖10a所示。當WC質(zhì)量分數(shù)小于0.26時，單道堆焊層不出現(xiàn)裂紋；當單道堆焊層的WC質(zhì)量分數(shù)高于0.32，產(chǎn)生裂紋［15-17］。

在水冷下和沒有水冷條件下，獲得的stellite-6+0.26WC混合粉末的堆焊層斷口形貌如圖11所示。由圖可知，斷口形貌呈現(xiàn)出準解理斷口的特征。

堆焊層的裂紋屬于準解理斷裂型裂紋。在水冷和沒有水冷的條件下，斷口形貌基本相同，說明水冷對斷口形貌影響較小。

由上述分析可知，與多層堆焊相比，單道堆焊層的回歸曲線斜率較小，表明其裂紋敏感性低；由于WC質(zhì)量分數(shù)逐層增加導致堆焊層的熱膨脹系數(shù)（stellite-6和WC的熱膨脹系數(shù)分別為1.45× 10－5／℃和0.39×10－5／℃）逐漸減?。?8］。

Fig.10 Liquid penetrant testing of clad layer for single passes

Fig.11 Fractograph of clad layer with powder mixures of stellite-6 and 0.26WC without preheating

2.4堆焊層的耐磨性能

對單道堆焊試樣的表面進行研磨，使之形成一個平坦的表面，然后用大越式磨損試驗機對堆焊試樣進行磨損試驗，單道激光堆焊層的磨損率較低，其耐磨性較好，在預熱溫度為450℃時，由（1）式計算出堆焊層的耐磨性能約為8.7×10－9mm2／kg，說明耐磨性很好。

3 結(jié) 論

（1）WC質(zhì)量分數(shù)在0～0.47范圍內(nèi)，stellite-6+WC混合粉末形成堆焊層組織為亞共晶組織。初晶相由富Co奧氏體（γ-Co）構(gòu)成，共晶組織由γ-Co和復合碳化物（如Cr23C6，Co6W3C和WC相）構(gòu)成。未分解WC顆粒彌散分布于在鈷基合金基體上。

（2）由于試驗結(jié)果可知，SLC堆焊層從母材到堆焊層表面的硬度逐漸增大，這是由于母材的稀釋作用和WC含量逐層增加的緣故。

（3）單道堆焊層由于較小的稀釋率（較小熱輸入量低）而產(chǎn)生的硬度過渡區(qū)較?。s為40μm）。

（4）單道堆焊層的回歸曲線斜率較小，表明其裂紋敏感性低。

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Characteristics of clad layer of mixture of stellite-6 and tungsten carbide powder by means of single-pass laser cladding

XU Guojian1，LIU Shuang1，HANG Zhengxiang1，YU Enhong2，LI Yongbo，F(xiàn)AN Yongbo2
（1.School of Materials Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China；2.Shenyang Siasun Robot＆Automation Co.，Ltd.，Shenyang 110168，China）

In order to improve the wear resistance of the clad layer，the powder mixture of stellite-6 and tungsten carbide（WC）in the range of 0～0.47 mass fraction of WC was deposited on mild steel plates by CO2laser cladding system.The phase constitution，microstructure，hardness and wear resistance of the clad layer were studied with an X-ray diffractometer，energy dispersive spectroscopy，scanning electron microscope，laser microscope，Vickers hardness tester and wear tester.According to the analyzed results，the microstructure of the clad layer consists of hypoeutectic structure and undissolved tungsten carbides dispersed in the matrix of the Co-based alloy.The Vickers hardness increases with the increase of WC weight fraction.On the other hand，the crack sensitivity of the laser clad layer is low.

laser technique；laser cladding；hypoeutectic structure；crack sensitivity；wear resistance

TG456.7

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.01.029

1001-3806（2014）01-0132-05

遼寧省自然科學基金資助項目（20092047）

徐國建（1959-），男，教授，博士，主要從事先進激光制造技術(shù)方面的研究。

E-mail：xuguojian1959＠qq.com

2013-03-30；

2013-06-13