鈷基合金等離子弧堆焊顯微組織及性能研究

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1、高偉等：鈷基合金等離子弧堆焊顯微組織及性能研究鈷基合金等離子弧堆焊顯微組織及性能研究高偉*陳聰*（中國(guó)石油大學(xué)（北京）暨加拿大哈斯基材料腐蝕與防護(hù)聯(lián)合研究中心）摘要：利用光學(xué)顯微鏡、X射線(xiàn)衍射儀、掃描電鏡(EDS附件)、顯微硬度計(jì)，對(duì)等離子弧堆焊鈷基合金顯微組織、物相及力學(xué)性能進(jìn)行分析測(cè)試。結(jié)果表明，堆焊層組織主要是由樹(shù)枝狀的γ-Co固溶體和由γ-Co固溶體與M7C3(M=Cr﹑W﹑Fe)碳化物形成的共晶組織組成。從堆焊層至基體，硬度逐漸降低，堆焊層硬度最高，可達(dá)550HV以上，熔合區(qū)的硬度維持在350HV左右，基體硬度為210HV左右。關(guān)鍵詞：等離子弧堆焊；鈷基合金；堆焊層；顯微組織；硬

2、度0引言堆焊鈷基合金由于其高硬度、良好的耐腐蝕性及熱硬性能日益引起廣泛的關(guān)注[1-3]。填絲等離子堆焊除能保證良好的堆焊質(zhì)量及稀釋率之外，還具有設(shè)備簡(jiǎn)單，操作靈活的特點(diǎn)，有著良好的應(yīng)用前景[4]。許多研究工作者主要集中于堆焊工藝及堆焊材料的設(shè)計(jì)和研究上，對(duì)堆焊合金層，尤其是手工填絲等離子堆焊合金層微觀(guān)組織研究尚不充分。本文詳細(xì)揭示了鈷基合金等離子堆焊層顯微組織特點(diǎn)及元素分布特征，并對(duì)堆焊層力學(xué)性能進(jìn)行了初步測(cè)試，為等離子弧堆焊鈷基合金的應(yīng)用提供一定的理論準(zhǔn)備。1．實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法采用100mm×50mm×5mm的Q235A的低碳鋼板為堆焊基材。焊材選用司太立1#鈷基合金堆焊焊絲，其成分見(jiàn)

3、表1。表1堆焊焊絲的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，wt/%）元素CCrWFeSiNiMoCo含量2.430.512.53.001.003.001.00余量采用飛馬特ULTIMA150型等離子焊機(jī)進(jìn)行堆焊實(shí)驗(yàn)。工藝參數(shù)：焊接電流79A，離子氣流量1.0LPM，保護(hù)氣流量15LPM，焊槍行走速度1.3mm/s，噴距6mm。手工填絲。按GB884-85堆焊要求[5]，堆焊多層鈷基合金，堆焊層厚度約3mm。用XD-3A型X射線(xiàn)衍射儀對(duì)堆焊層表面進(jìn)行物相分析。采用OLYMPUS-CK40M金相顯微鏡和帶有EDS附件的FEIQuanta200F場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)堆焊層合金層顯微組織進(jìn)行觀(guān)察分析，采用HXS-1

4、000型維氏硬度計(jì)進(jìn)行堆焊層顯微硬度測(cè)試。第十五次全國(guó)焊接學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2010年7月2-8日，青海西寧2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析2.1堆焊合金層X(jué)RD分析XRD分析結(jié)果表明，鈷基合金堆焊層組織主要是由γ-Co固溶體和碳化物M7C3(M=Cr﹑W﹑Fe)組成，見(jiàn)圖1。1400▲●γ―Co●▲MC1200731000800600強(qiáng)度/CPS400●▲200▲●0020406080100衍射角度2θ/(°)圖1堆焊層X(jué)射線(xiàn)衍射圖譜鈷基合金堆焊形成上述物相，與焊絲成分相符。司太立1#焊絲中除Co外含有C、Cr、W、Mo、Fe、Si、Ni等合金元素。Cr除在合金層表面形成致密Cr2O3氧化膜，提高合金耐

5、腐蝕性能外，還可以固溶到γ-Co中或形成各種碳化物，起強(qiáng)化作用。W主要作用是形成各種碳化物。Si主要起降低合金熔點(diǎn)的作用。Ni是擴(kuò)大γ相區(qū)金屬，用于提高組織穩(wěn)定性。由此可見(jiàn)，鈷基合金堆焊層主要是由γ-Co固溶體及M7C3碳化物組成。2.2堆焊金屬組織觀(guān)察和分析高偉等：鈷基合金等離子弧堆焊顯微組織及性能研究圖2堆焊合金層金相照片及背散射電子圖(a).合金層顯微組織（b）.γ-Co枝晶形態(tài)（c）.枝晶區(qū)背散射電子圖（d）.共晶組織背散射電子圖堆焊合金層顯微組織特征如圖2所示。從圖2a中可見(jiàn)，由結(jié)晶形態(tài)不同，堆焊合金層自下而上可分為三部分，熔合區(qū)、近熔合區(qū)的等軸狀枝晶亞層以及具有一定方向的粗枝晶

6、亞層。合金層與基材間明顯的白亮帶即為熔合區(qū)。由于基體溫度低，界面溫度梯度很大，熔合區(qū)以平面晶方式凝固。隨著凝固的進(jìn)行，液相溫度梯度逐漸減小，成分過(guò)冷加大，首先在近熔合區(qū)以細(xì)等軸狀枝晶形態(tài)結(jié)晶。隨著成分過(guò)冷進(jìn)一步加大，一次晶主干逐漸發(fā)達(dá)，形成粗大的枝晶形態(tài)。如圖2b所示。隨著冷卻繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)合金到達(dá)共晶轉(zhuǎn)變溫度以下，在枝晶之間生成共晶組織，如圖2c和2d。圖中黑色基體相為先共晶γ-Co固溶體，白亮處及淺色短棒狀或花瓣?duì)罱M織即為共晶組織。對(duì)不同相區(qū)進(jìn)行EDS能譜點(diǎn)掃描，如圖3所示，分析結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果表明共晶組織由共晶γ-Co固溶體與碳化物組成。第十五次全國(guó)焊接學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2010年7月2

7、-8日，青海西寧分析表明，鈷基合金堆焊層顯微組織具有快速凝固狀態(tài)下亞共晶的枝晶生長(zhǎng)特征。先共晶γ-Co固溶體以枝晶形態(tài)生長(zhǎng)，枝晶之間為碳化物與γ-Co固溶體的共晶組織。圖3共晶組織EDS分析取點(diǎn)圖表2共晶組織能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）CrFeCoWWA18.0032.2941.737.98--B27.0226.9334.2410.301.51C20.0819.1023.7532.894.182.3硬度測(cè)試與分析：基體