钴基合金等离子转移弧堆焊显微结构研究.pdf

第5 6 卷第3 期 2004 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s 钴基合金等离子转移弧堆焊显微结构研究 侯清宇，高甲生，周芳 安徽工业大学材料工程学院，安徽马鞍山2 4 3 0 0 2 摘要应用光学金相、x 一射线衍射 X R D 、扫描电镜 S E M 和透射电镜 T E M ，研究C o - C r - W 系钴基多元合金等离子转移 弧堆焊的显微组织、相组成和微观结构。结果表明，堆焊合金层主要由呈面心立方结构C o 基固溶体以及分布在其中的 c r ， F e ，C 3 型碳化物构成。C 0 基固溶体中存在许多堆积层错，这些堆积层错受阻于共晶碳化物处，与固溶体组成共晶体的碳化物主 要为具有六方点阵并含有层片状孪晶的 C r ，F e 7 c 3 。 关键词材料科学基础；钴基合金；等离子转移弧；堆焊；显微组织 中图分类号T G l l 3 ．1 2 ；T G 4 5 6 ．2 ；T G 4 5 5 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 4 0 3 0 0 0 8 一0 4 等离子转移弧堆焊得到的亚稳态合金以其特有 的耐磨性、耐蚀性、耐热性日益引起关注，其中钴基 合金粉末等离子转移弧堆焊显示出良好的应用前 景【卜5 】。已有工作主要集中在对堆焊合金粉末和 工艺方面的设计和研究r 6 - ，7 1 ，对于合金层组织结构 的研究也仅限乎结合．1 E t 8 j ，面对予整个堆焊合金层 各部分组织结构的研究，特剐是微观绪构的研究尚 。赤见报导。因此，揭示钴基多元合金粉末等离子转 穆弧堆焊合金层的组织结构特征，对钴基合金在等 离子转移弧堆焊上的应用非常重要。 1实验方法 堆焊基材为2 0 0 m mx3 5 m m 2 0 m m 的Q 2 3 5 A 低碳钢板状试样，以C o - C r W 系钴基自熔性合金粉 末作为堆焊材料，化学成分见表1 。 表1 堆焊合金粉末的化学成分 T a b l e1 C o m p o s i t i o no fo v e r l a ya l l o yp o w d e r 含量／％1 ．41 ．4 52 9 ．5338 ．2 51B a l 。钴基合金粉末的粒度为一1 7 5 ～ 7 4 p ．m ，堆焊 层厚度约为3 ．5 m m 。用型号为L 4 4 0 0P C 型等离 子弧堆焊机进行堆焊试验，工艺规范为转移弧电流 2 1 0 A ，转移弧电压3 8 ～4 0 V ，主气压力0 ．3 M P a ，离 子气流量0 ．4 m 3 ／h ，送粉气流量0 ．2 2 m 3 ／h ，送粉电 压l l V ，摆动电压2 5 V ，行走电压1 7 V ，冷却水压力 3 M P a ，喷距7 r a m ，焊枪摆幅2 0 m m 。 收稿日期2 0 0 3 0 5 1 3 基金项目安徽省高校青年教师科研资助项目 2 0 0 4 J Q l 3 4 作者简介侯清宇 1 9 7 3 一 ，男，哈尔滨市人，讲师，硕士，主要从事 材料表面改性技术研究和教学工作。 用0 L Y M P U P M E 3 型金相显微镜和带有能 谱仪的P H I L I P S 扫描电镜 S E M 对堆焊合金层显 微组织进行观察分析，利用X D 一3 A 型X ．射线衍射 仪对堆焊合金层进行物相分析，并利用H ．8 0 0 透射 电子显微镜对堆焊合金层的微结构进行观察研究。 X ．射线衍射采用C u K a 靶材，用N i 作为滤光器，扫 描速度为o ／m i n 。 2 ．试验结果及讨论 | | 一4 2 ．1 ；‘台金层的X R D 分柝 『- x 一射线衍射分析表明，合金层主要是由y C o j B I O r ，F e 7 C 3 构成，见图k 图1钴基合金等离子转移弧堆焊层X R D 分析 F i g ．1 X R D a n a l y s i so fP T As u r f a c i n g c o b a l t - b a s e da l l o yl a y e r 钴基合金等离子弧堆焊形成上述物相，可以从 堆焊合金粉末中大体得到验证。由于钴基自熔性合 金粉末中含有C ，S i ，C r ，N i ，F e ，W ，M o 等合金元素。 S i 主要起降低合金粉末熔点的作用；N i 的作用是扩 大y 相区，提高组织稳定性；C r 的作用主要是形成 各种化合物，起到强化作用，另一方面较高的C r 含 量使堆焊合金层在高温状态下生成较多的C r 2 0 3 氧 化物薄膜，从而可以阻止或减缓合金层的进一步氧 ． 3 4 O 0 N O，2 6 Ⅵ邺 A 万方数据 第3 期侯清宇等钴基合金等离子转移弧堆焊显微结构研究9 化，使钴基堆焊合金层具有非常优良的高温抗氧化 性能；W ，M o 的加入主要是固溶于7 C o 中，起到 固溶强化的作用。所以由上述合金元素所组成的钴 基自熔性合金粉末等离子弧堆焊后，获得的合金层 主要是由在较软的y C o 基体上分布着较硬的 C r ，F e 7 C 3 化合物构成。 ； 2 ．2 堆焊合金层的显微组织 ’等离子弧堆焊合金层的显微组织特征如图2 所 示。从图2 a 中可以看出，堆焊合金层可以分为三个不 同的亚层，熔合区 结合区 亚层、近熔合区的细等轴状 枝晶亚层 近熔合区亚层 以及堆焊层表面和近熔合 区之间具有一定方向性的粗枝晶亚层 枝晶亚层 。 a 一基材和合金层5 0 ； b 一枝晶亚层的组织特征2 0 0 图2 等离子弧堆焊钴基合金层组织形貌 a 一m a t r i xa n da l l o yl a y e r ； b - d e n d r i t e ，． F i g 2 M i c r o s t r u c t u r eo fc o b a l t - b a s e da l l o y ． w i t hP T As u r f a c i n g 在合金层和基材之间存在的明显白亮带就是熔 合区。从图2 a 中可以看出，这条白亮带比较曲折， 有部分呈齿牙状态，说明在等离子弧高能热源作用 下，堆焊合金层中的元素和基材之间的元素浓度梯 度大，扩散作用强，在熔池凝固后形成了非常优良的 冶金结合。由于熔合区是等离子弧熔化时的液固界 面，再加上基体温度低，液固界面温度梯度很大，成 分过冷最小，因此凝固时液固界面推进的速度较慢， 呈平面晶的方式凝固。 近熔合区亚层和枝晶亚层的组织由于在等离子 弧高能热源作用下，液态成分起伏较大，局部微区冷 却速度不同，从而使各亚层组织呈现出明显的不均匀 性。随着凝固界面的推移，液相温度梯度逐渐减小， 成分过冷加大，晶核迅速长大，从而形成了近熔合区 的细等轴状枝晶亚层以及堆焊层表面和近熔合区之 间具有一定方向性的粗枝晶亚层。粗枝晶亚层的厚 度约为3 ．5 m m ，枝晶主干大体上垂直于熔合区方向分 布，也就是说枝晶主干的生长方向与热流基本一致。 从图2 还可以看出，堆焊合金层显微组织具有 快速凝固时亚共晶的枝晶生长特征，堆焊合金层在 冷却过程中先析出y 枝状晶，在继续冷却过程中， 由于已形成的枝晶主干之间存在温度梯度和浓度起 伏，所以又沿枝晶主干生成二次晶。由于近熔合区 温度梯度较大，所以形成的一次晶主干很短，表现出 等轴状枝晶特征。近熔合区前方的粗枝晶亚层的组 织由于温度梯度小于近熔合区，所以一次晶主干较 发达，表现出较粗的枝晶生长特征。另一方面，当合 金层继续冷却到共晶转变温度时；在枝晶之间开始 生成共晶组织。共晶组织中的共晶化合物具有不同 的形态，主要有平行短棒状及球状或花瓣状。窟们各 自联合成网状分布，见图3 和图4 。图中璧i 白色平 行短棒状及球状或花瓣状的组织为共晶碳化物相 C r ，F e 7 岛，黑色的为基体相 ， C o 。相应的能谱 分析结果见表2 所示。由表可知，共晶化合物的形 态不同，成分也不相同。 图3 呈平行短棒状分布的共晶碳化物4 0 0 0X F i g ．3 E u t e c t i cc a r b i d ea r r a n g e dw i t h p a r a l l e ls h o r tb a r4 0 0 0 图4 呈球状或放射状花瓣状 的共晶碳化物4 0 0 0X F i g ．4 E u t e c t i cc a r b i d ea r r a n g e dw i t hs p h e r i c a l o rr a d i a t i o ns h a p e4 0 0 0 表2 共晶碳化物的能谱分析结果／％ T a b l e2E n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i so fe u t e c t i cc o m p o u n d ／％ 成分S iW M oC rF eC oN i 姜誓蓑蓑笏 。．s ，，s ．，，。．2 - s 2 ．2 e ，，，，s ，，．s s 。．s 2 球状共晶碳化物0 ．8 81 7 ．2 30 ．0 93 8 ．5 5 1 3 ．5 02 8 ．2 01 ．5 6 2 ．3 合金层的T E M 研究 与X 一射线衍射结果相同，大量电子衍射分析证 实合金层中的C O 基固溶体为面心立方点阵，见图5 万方数据 1 0有色金属 第5 6 卷 a 和 b 。由T E M 观察晶内和共晶体内的固溶体 中皆存在堆积层错，见图6 a 和 b 。由于面心立 方晶体的滑移系较多，C o 的层错能较低，故常见到 排列在滑移面上的堆积层错，它们受阻于碳化物附 近，见图6 b 。 a 一钴基固溶体S A D 花样； b 一花样标定 图5C o 基固溶体S A D 花样及标定 F i g ．5S A Dd i f f r a c t i o np a t t e r no fC o b a l t b a s e d s o l i ds o l u t i o na n d 、i t sg a u g i n g a 一固溶体上白{ 『诿错2 0 。，0 穗0 0 ； b 一受阻于共晶体魄层错5 0 0 0X 图6 位于C o 基固溶体上的堆积层错 F i g ．6S t a c k i n gf a u l tr i b b o no nc o b a l t b a s e d s o l i ds o l u t i o n 大量的T E M 工作表明，大部分大块状 或长条 状 碳化物和一部分骨架状碳化物皆为六方晶体点 阵的 C r ，F e 7 q ，其特征是明场和暗场像上常见到 有平行排列的细条纹，而衍射花样上则常见有与之 垂直的细长或短小的衍射条纹，见图7 a 和 b ，这 表明在晶体中存在着面缺陷。考虑到合金钢及高温 合金中的 C r ，F e 7 C 3 常含有孪晶，高分辨率点阵更 证实 C r ，F e ，C 3 中存在许多孪晶畴[ 9 ] ，故可认为图 7 a 和 b 中的细条纹即薄片状孪晶的像，薄片的形 状效应导致了图7 c 中的条痕。大量衍射花样上 的条痕皆沿 15 0 方向，这表明孪晶面大多为 15 0 晶面，如图7 d 所示。 同时在T E M 下还发现了呈球状和椭球状分布 参考文献 的共晶化合物，经标定可知，这两种形态的共晶化合 物属于同一种类型，与前述的棒状共晶化合物一样， 均是具有六方结构的 c r ，F e 7 C 3 ，同时在T E M 下 还观察到在钴基固溶体中有位错存在。相对应的 T E M 形貌如图8 所示。 a 一明场像3 0 0 0 0 ； b 一暗场像1 5 0 0 0 ； c 一S A D 衍射花样； d 一花样标定 图7 棒状 C r ，F e } 7 C 3 形貌及S A D 花样标定 F i g ．7M o r p h o l o g y o f C r ，F e 7 qa n di t sS A D a 一共晶碳化物1 0 0 0 0 X ； b 一位错2 0 0 0 图8 球状或椭球状共晶碳化物及 固溶体上的位错 a 一e u t e e t i cc a r b i d e ； b 一d i s l o c a t i o n F i g ．8S r I h e r i c a lo re l l i p s o i ds h a p ed e n d r i t e b o r i d e ，c a r b i d ea n dd i s l o c a t i o n 3结论 钴基合金等离子转移弧堆焊合金层是由熔合 区、近熔合区的细等轴状枝晶亚层和其前方的粗枝 晶亚层所构成的。堆焊合金层主要是由以7 C o 固 溶体为基以及分布在其中的 c r ，F e 7 Q 物相构成。 钴基固溶体和共晶固溶体中均存在堆积层错，而且 在 C r ，F e ，C 3 型碳化物的 15 0 晶面方向分布有薄 片状孪晶亚结构。 [ 1 ] 尹道亮．稠油热采装置密封面的等离子弧堆焊[ J ] ．焊接，1 9 9 4 ， 1 0 1 1 1 4 ． [ 2 ] 詹祖保，童向阳，易国森．高温高压蒸汽截止阀密封面等离子弧堆焊[ J ] ．焊接，1 9 9 6 ， 8 1 2 1 5 ． [ 3 ] J o n - N i n gA o h ，Y a u - R e nJ e n g ，E n - L oC h u ，e ta 1 ．O nt h ew e a rb e h a v i o ro fs u r f a c ec l a dl a y e r su n d e rh i g ht e m p e r a t u r e [ J ] ． W e a r ，1 9 9 9 ， 2 2 5 2 2 9 1 1 1 4 1 1 2 2 ． [ 4 ] J o n ．N i n ⅪgA o h ，J i a n - C h e n gC h e n ．O nt h ew e a l “ c h a r a c t e r i s t i c so fc o b a l t - b a s eh a r d f a c m gl a y e ra f t e rt h e r m a lf a t i g u ea n do x i d a t i o n 万方数据 第3 期 侯清宇等钴基合金等离子转移弧堆焊显微结构研究1 l [ J ] ．W e a r ，2 0 0 1 ， 2 5 0 6 1 1 6 2 0 ． [ 5 ] K i mH J ，K i mYJ ．W e a ra n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fP T Aw e l ds u r f a c e dN ia n dC ob a s ea h o yl a y e r s [ J ] ．S u r f a c eE n g i n e e r i n g ， 1 9 9 9 ， 6 4 9 5 5 0 1 ． [ 6 ] 罗伟中．等离子弧堆焊C o 一2 2 3 A 合金粉末的研制和应用[ J ] ．焊接学报，1 9 9 7 ， 2 4 2 4 5 ． [ 7 ] 苏志东，王德权．核级阀门堆焊钴基合金工艺的研究[ J ] ．阀门，2 0 0 0 ， 5 1 5 1 8 ． [ 8 ] 陈汉存，刘正义，庄育智，等．在4 5 钢上等离子弧堆焊C o - C r 结合层的组织结构[ J ] ．金属学报，1 9 9 1 ， 2 A 1 1 5 ．A 1 2 0 ． [ 9 ] 吴义贵，李炎，陈全德，等．M 7 C 3 晶体缺陷的H R E M 观察[ J ] ．电子显微学报，1 9 9 0 ， 3 1 7 6 ． 1 M i c r o s t r u c t u r eo fC o b a l t - b a s e dA l l o yD e p o s i t e db yw i t hP l a s m aT r a n s f e r r e dA r cS u r f a c i n g ．HOU O i n g - y u ，G A OJ i a - s h e n g ，Z H O UF a n g S c h o o lo fM a t e r i a l sa n dE n g i n e e r i n g ，A n h u iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，M a “ a n s h a n2 4 3 0 0 2 ，A n h u i ，C h i n a A b s t r a c t T h em i c r o s t r u c t u r e ，p h a s ec o m p o s i t i o na n dm i c r o s c o p i c a la n a l y s i so fC o - C r Ws e r i e sc o b a l t b a s e dm u l t i ． c o m p o n e n ta l l o yd e p o s i t e db yP T As u r f a c i n ga r ei n v e s t i g a t e du s i n go p t i c a lm i c r o s c o p e ，X r a yd i f f r a c t i o n ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，a n dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea l l o yl a y e rf r o m c o b a l t b a s e ds o l i ds o l u t i o ni si nf a c e c e n t e r e dc u b i cs t r u c t u r e ，a n dt h e O r ，F e 7 C 3i sd i s p e r s e dw i t h i ni t ．M e a n w h i l e ，t h e r ei sf ll o to fs t a c k i n gf a u l tr i b b o n sa n dt h e ya r eb l o c k e db ye u t e c t i cc a r b i d e ．T h e C r ，F e 7 C 3i sh e x a g o n a ll a t t i c ew i t hl a m e l l a ra n df l a k et w i n ． K e y w o r d s f o u n d a t i o no fm a t e r i a ls c i e n c e ；c o b a l t - b a s e da l l o y ；p l a s m at r a n s f e ．n L e da r c ；s u g a r i n g ；m i c r o s t r u c U t r e 上接第7 页C o n t i n u e df r o mP ．7 [ 5 ] W e nYH ，C h e nLQ ，H a z z l e d i n ePM ，e ta 1 ．At h r e e - d i m e n s i o n a lp h a s e - f i e l dm o d e lf o rc o m p u t e rs i m u l a t i o no fl a m e l l a rs t r u c t u r e ．f o r m a t i o ni nT ．T i A li n t e r m e t a l l i ea l l o y s [ J ] ．A c t am a t e r ，2 0 0 1 ，4 9 2 3 4 1 2 3 5 3 ． 、[ 6 ] C a I u lRW ，I - - I a a e nP ，K r a m e r ．材料的相变[ M ] ．刘治国译．北京科学出版社，1 9 9 8 ． [ 7 ] K h a c h a t u r y a nAG ．T h e o r yo fs t r u c t u r a lt r a n s f o r m a t i o ni ns o l i d s [ M ] ．N e wY o r k W i l e y ，1 9 8 3 ． [ 8 ] P o d u r iR ，C h e nLQ ．C o m p u t e rs i m d a f i o no ft h ek i n e t i c so fo r d e r - d i s o r d e ra n dp h a s es e p a r a t i o nd u r i n gp r e c i p i t a t i o no f8 ’ A L 3 L i i n A I L ia l l o y s [ J ] ．A c t aM a t e r ，1 9 9 7 ，4 5 1 2 4 5 2 5 5 ． [ 9 ] W a n gYZ ，C h e nLQ ，K h a c h a t u r y a n．． 一 [ ] ．，,AGS t r a i ni n d u c e dm o d u l a t e ds t r u c t u r e si nt w o - p h a s ec u b i ca H o y sJ S e r i p t aM e t a l ／ 1 9 9 1 ，2 5 8 1 9 6 9 1 9 7 4 ． [ 1 0 ] L o c h t e L ，G i t t A ，G o t t s t e i n G I ，e t a l ．S i m u l a t i o n o f t h ee v o l u t i o no f G P7 ．o n e s i n A I C ua l l o y s a ne x t e n d e d C a h n ．H i u i a r da p ． p r o a c h [ J ] ．A c t aM e t a l I ，2 0 0 0 ，4 8 1 1 2 9 6 9 2 9 8 4 ． S i m u l a t i o nf o rE f f e c to fC o h e r e n tS t r a i no nM o r p h o l o g yD u r i n g S p i n o d a lD e c O m p o s i t i o ni nB i n a r yA l l o y L UY a h l i ，C H E NZ h e n g ，Z H A OY u h o n g ，T A N GL i - f i n g ，Z H A N GJ i a n - j u n D e p a r t m e n to fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，N o r t h w e s t e r nP o l y t e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，Ⅺ7 a n7 1 0 0 7 2 ，C h i n a ．A b s t r a c t T h ec o h e r e n te l a s t i cs t r a i n i n d u c e dm o r p h o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o no fab i n a r ym o d e la l l o yd u r i n gas o l i ds t a t e p r e c i p i t a t i o ni ss i m u l a t e db yu s i n gt h em i c r o s c o p i cL a n g e v i ne q u a t i o na n de l a s t i ct h e o r y ．T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ep a r t i c l ea r r a yi sa l i g n e da l o n gt h ee l a s t i c a l l ys o f td i r e c t i o n sa n dr e s u l t e di nt h em o d u l a t e dm i c r o s t r u c t u r e sb y t h ee f f e c to ft h ec o h e r e n t ．W i t h o u tc o n s i d e r a t i o no ft h es t r a i ne n e r g y ，p a r t i c l e si nl o wc o n c e n t r a t i o na l l o y sa tl a t e rs t a g e so fd e c o m p o s i t i o na r ei ne q u i a x e df o r m ，b u tf o rh i g hc o n c e n t r a t i o n ，t h et w op r o d u c t i v ep h a s e sm a i n - t a i n e dt ob eh i g h l yi n t e r c o n n e c t e da n dr a n d o m l yo r i e n t e d ．U n d e rt h es a m ee f f e c to fc o h e r e n te l a s t i cs t r a i n ，e l o n g a t e dp a r t i c l e si sf o r m e df o rl o wc o n c e n t r a t i o na l l o y s ，w h i l ef o rh i g hc o n c e n t r a t i o na l l o y s ，t h ei n t e r m e d i a t es t t u c - t u r el i k ea “b a s k e tw a v e ”a p p e a r s ．T h e “m a c r o l a t t i c e ”t e x t u r ei sf o r m e di na l l o y sf o rm o d e r a t ec o h e r e n ts t r a i n a n dc e r t a i na g i n gt i m e ． K e y w o r d s f o u n d a t i o no fm a t e r i a ls c i e n c e ；c o h e r e n ts t r a i n ；c o m p u t es i m u l a t i o n ；b i n a r ya l l o y ；m o d u l a t e ds t r u c t u r e 万方数据