激光熔覆wc增強(qiáng)涂層的開裂行為研究

激光熔覆wc增強(qiáng)涂層的開裂行為研究

近年來(lái)，預(yù)制材料得到了迅速發(fā)展。采用激光熔覆技術(shù)制備金屬基材料涂層，成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。激光熔覆金屬?gòu)?fù)合材料涂層能夠提高材料表面的耐磨、耐疲勞、抗氧化、耐腐蝕等性能,尤其適用于一些在極端惡劣條件下服役的關(guān)鍵部件的表面強(qiáng)化。但是由于外加金屬?gòu)?qiáng)化相與基體金屬的熱物理性能存在較大差異,激光熔覆時(shí)涂層開裂問題成為困擾激光熔覆技術(shù)工程化應(yīng)用的最大障礙。本工作主要研究了WC增強(qiáng)復(fù)合材料涂層的幾種開裂行為,并分析了涂層開裂的機(jī)制和影響因素。1目的ti基合金粉試樣的制備試驗(yàn)用基體材料為Ti-6Al-4V,退火態(tài)。試樣尺寸為15mm×15mm×50mm。表面用200#砂紙打光磨平,熔覆前用丙酮或酒精清洗。所用粒度為-150～300目的Ti基合金粉成分如表1所示。將粒度為100～300目的WC粉按照1∶1的比例與Ti基合金粉充分混合,用縮丁醛酒精溶液做粘接劑,均勻涂在試樣表面,預(yù)涂厚度為1.0mm,并在70～80℃烘干15min。采用激光單道掃描的方式,工藝參數(shù)為光斑大小ue001φ2～3mm,掃描速度4～15mm/s,激光輸出功率0.6～1.5kV。處理時(shí)用高純Ar氣保護(hù)。金相試樣沿涂層橫向截取,用2%HF+8%HNO3的水溶液進(jìn)行腐蝕。在掃描電鏡下觀察試樣的組織形態(tài)。在能譜儀上分析微觀組織不同區(qū)域的元素分布。2試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1wc顆粒與合金粉的反應(yīng)圖1所示為激光熔覆層的組織,可見其組織為基體合金+島狀的WC顆粒。其中白色亮區(qū)主要為WC顆粒,灰色亮區(qū)由于發(fā)生了(W,Ti)的置換反應(yīng),形成(W,Ti)合金碳化物,基體合金粉則形成枝晶區(qū)。表2所列為熔覆層組織不同區(qū)域的元素分布。2.2熔覆層開裂產(chǎn)生的微裂紋激光熔覆處理后材料中形成的裂紋形態(tài)如圖2所示。經(jīng)分析,激光熔覆后材料的裂紋主要有以下幾種:首先為熔覆層內(nèi)基體的彌散裂紋,這些裂紋往往源于碳化物顆粒與基體的交界面,尤其是形狀不規(guī)則的碳化物顆粒的一些曲率半徑較小的尖角處,由于應(yīng)力集中系數(shù)較大,激光快速加熱和冷卻形成的熱應(yīng)力很容易使這些區(qū)域萌生裂紋;另一種是源于激光熔覆層邊緣的粗大裂紋,由于激光加熱冷卻的溫度場(chǎng)在激光熔覆熔池中的不同區(qū)域不同,造成一些溫度梯度較大的邊界區(qū)域在冷卻過程中形成粗大的冷裂紋;此外,試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)了在碳化物顆粒上的裂紋,這些裂紋是WC顆粒在制造過程中形成的。由于WC粉是采用熔煉法制備成錠子,再通過機(jī)械破碎而成為不同的顆粒,在破碎過程中容易造成WC顆粒內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋,隨后在激光熔覆處理時(shí)形成的熱應(yīng)力使這些微裂紋向合金粉基體中擴(kuò)展。激光熔覆工藝影響著材料的開裂行為,為了研究它們對(duì)熔覆層開裂的影響,引入?yún)?shù)K,定義為材料在單位時(shí)間單位面積上吸收的能量,即K=P/(DV)(1)式中P為輸出功率,D為光斑直徑,V為掃描速度,其中K的單位為J/mm2。圖3所示為不同K值下熔覆層形成的裂紋。從圖中可以看出,隨著K值的增加材料中吸收的能量增加,材料的開裂傾向增加。激光熔覆層的殘余拉應(yīng)力,即熔覆過程中急冷急熱而形成的熱應(yīng)力,是熔覆層開裂的主要原因。根據(jù)文獻(xiàn),激光熔覆層的熱應(yīng)力表示為:σth=E×Δα×ΔT/(1-υ)(2)式中,E、υ分別是熔覆層的楊氏模量和泊松比,Δα是熔覆層與基體之間的熱膨脹系數(shù)之差,ΔT是熔覆層溫度與室溫的差值?？梢?在E、Δα、υ不變的情況下,隨著參數(shù)K的增加,材料在激光輻照下,單位面積在單位時(shí)間吸收的能量增加,則材料熔覆層的溫度與室溫的溫度差值增大,則根據(jù)公式(2)可知,熔覆層中的熱應(yīng)力增加,出現(xiàn)裂紋的傾向增加。從式(2)中還可以看出,材料中的熱應(yīng)力還受Δα的影響。當(dāng)Δα=0時(shí),則σth=0,因此選擇熔覆層材料與基體材料相當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù)至關(guān)重要。由于WC的熱膨脹系數(shù)較低,隨著合金粉中的WC顆粒含量的增加,根據(jù)混和定律求合金粉末的熱膨脹系數(shù)的方法,則熔覆層材料的熱膨脹系數(shù)降低。因此,在激光熔覆過程中由于大塊WC顆粒的下沉,導(dǎo)致熔覆層組織不均勻,同時(shí),使材料不同區(qū)域的熱膨脹系數(shù)不均勻。在WC顆粒沉積較多的熔覆層底部,由于熱膨脹系數(shù)較低,則Δα絕對(duì)值較高,根據(jù)公式(2)可知,材料在此區(qū)域中形成的拉應(yīng)力也高,相對(duì)的開裂傾向較大;相反,在WC顆粒較少的熔覆層表面,由于熱膨脹系數(shù)較高,材料中的拉應(yīng)力較低,開裂傾向較小,如圖2d中所示的WC顆粒較少區(qū)域的高密度裂紋。3殘余拉應(yīng)力方面(1)激光熔覆后材料的裂紋主要有以下幾種:熔覆層內(nèi)的彌散裂紋;源于激光熔覆層邊緣的粗大裂紋;WC顆粒上的裂紋。(2)激光熔覆開裂是由于熔覆層與金屬基