等离子弧堆焊co-cr-w系多元合金层的研究

等离子弧堆焊co-cr-w系多元合金层的研究

1离子弧堆焊试验通过焊接在同一高度上得到的雅稳定晶，其独特的耐候性、耐腐蚀性和耐候性引起了人们的注意。其中，钴合金离子弧料的制造性能具有良好的应用前景[1.5]。研究主要集中在堆焊合金粉末和工艺设计方面,对于合金层组织结构的研究也仅限于结合区,而对于整个堆焊合金层各部分微观组织结构的研究尚未见报道。本实验旨在揭示Co-Cr-W系钴基多元合金等离子弧堆焊合金层的组织结构特征,为钴基合金等离子弧堆焊提供基础资料。2焊层厚度设计堆焊基材为200mm×35mm×20mm的Q235A低碳钢板,以Co-Cr-W系钴基自熔性合金粉末作为堆焊材料,化学成分见表1。钴基合金粉末的颗粒尺寸在76µm~190µm,堆焊层厚度约为3.5mm。用型号为L4-400PC型等离子弧堆焊机进行堆焊实验,工艺规范为:转移弧电流约210A,转移弧电压约35V,主气流压力0.3MPa,离子气流量0.3m3/h,送粉气流量0.2m3/h,送粉电压11V,摆动电压约25V,行走电压约17V,冷却水压力3MPa,喷距9mm,焊枪摆幅20mm。用OLYMPUS-PME3金相显微镜和带有EDS谱仪的PHILIPS扫描电镜对堆焊合金层显微组织进行观察分析,用XD-3A型X射线衍射仪对堆焊合金层的进行物相分析,用H-800透射电镜对堆焊合金层的微结构进行观察研究。3结果与讨论3.1xrd谱中可能存在的织构对于Co-Cr-W系合金等离子弧堆焊合金层的焊缝和原始自熔性合金粉末的XRD谱存在很大差异,如图1所示。通过对焊缝试样XRD图谱(图1a)进行分析,结果无法找到任何1种与衍射图谱相对应的物相,对于钴基堆焊合金层而言,至少存在以钴为基的固溶体,因此怀疑对于本次试验所得的钴基合金层有可能存在明显的织构,因为金属形成织构在XRD谱中的表现特征,就是打乱了晶粒无序排列时各晶面衍射线强度的规则。对照焊缝试样衍射图谱可以看出,(111)Co所在的峰严重弱化,而(200)Co所在峰值大大增强。根据JCPDS标准数据资料,考虑到各相的相对衍射强度可以判断,这种强度变化是与试样在堆焊时及其后冷却过程中形成了织构有关,通过Bragg公式对衍射图谱的计算结果表明,d值为0.179nm衍射峰正对应γ(Co)基固溶体的(200)晶面,这也说明了在合金层的(200)晶面存在明显的铸态生长织构。对粉末试样的XRD谱进一步分析可知,在合金层中除了γ(Co)基固溶体外,还存在有(Cr,Fe)7C3物相(图1b)。3.2晶体结构及组织形态分析等离子弧堆焊合金层的显微组织特征如图2所示。从图2a中可以看出,堆焊合金层可以分为3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。在合金层和基材之间存在的明显白亮带就是熔合区,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,在形成熔池的过程中,元素互相强烈扩散,在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。从图2b可以看出,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3.5mm,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γ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,它们各自联合成网状分布,图3和图4分别是这2种组织形态的SEM照片。呈白色平行短棒状(图3)及球状或花瓣状(图4)的组织为共晶碳化物相(Cr,Fe)7C3,黑色的为基体相γ(Co)。相应的EDS分析结果见表2。由表2可知,共晶化合物的形态不同,其元素含量也不相同。3.3调值结构tem图5是Co基固溶体SAED花样及其标定,证实Co基堆焊合金层为fcc结构。图6是Co基堆焊层堆垛层错的TEM照片,可以看到晶内和共晶体内的固溶体中皆存在堆垛层错(6a)。由于fcc结构晶体的滑移系较多,Co的层错能较低,故常见到排列在滑移面上的堆垛层错,它们受阻于碳化物附近(6b)。图7是棒状碳化物(Cr,Fe)7C3的TEM照片(a)和SAED花样(b)及其标定(c)。从图7a可以看出,(Cr,Fe)7C3的特征为骨架状平行排列的条纹结构。合金钢及高温合金中的(Cr,Fe)7C3常含有孪晶,高分辨率点阵更证实(Cr,Fe)7C3中存在许多孪晶畴,故可认为图7a中的细条纹即为薄片状孪晶的像。图7b为图7a中呈长条状碳化物的选区电子衍射花样(SAED),图7c为碳化物电子衍射花样的标定结果。(Cr,Fe)7C3中孪晶的薄片形状其效应导致了SAED斑点的星芒。4co-cr-w系堆焊合金层结构1)Co-Cr-W系合金等离子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。2)C