激光熔覆wc增强涂层的开裂行为研究

激光熔覆wc增强涂层的开裂行为研究

近年来，预制材料得到了迅速发展。采用激光熔覆技术制备金属基材料涂层，成为国内外研究的热点。激光熔覆金属复合材料涂层能够提高材料表面的耐磨、耐疲劳、抗氧化、耐腐蚀等性能,尤其适用于一些在极端恶劣条件下服役的关键部件的表面强化。但是由于外加金属强化相与基体金属的热物理性能存在较大差异,激光熔覆时涂层开裂问题成为困扰激光熔覆技术工程化应用的最大障碍。本工作主要研究了WC增强复合材料涂层的几种开裂行为,并分析了涂层开裂的机制和影响因素。1目的ti基合金粉试样的制备试验用基体材料为Ti-6Al-4V,退火态。试样尺寸为15mm×15mm×50mm。表面用200#砂纸打光磨平,熔覆前用丙酮或酒精清洗。所用粒度为-150～300目的Ti基合金粉成分如表1所示。将粒度为100～300目的WC粉按照1∶1的比例与Ti基合金粉充分混合,用缩丁醛酒精溶液做粘接剂,均匀涂在试样表面,预涂厚度为1.0mm,并在70～80℃烘干15min。采用激光单道扫描的方式,工艺参数为光斑大小ue001φ2～3mm,扫描速度4～15mm/s,激光输出功率0.6～1.5kV。处理时用高纯Ar气保护。金相试样沿涂层横向截取,用2%HF+8%HNO3的水溶液进行腐蚀。在扫描电镜下观察试样的组织形态。在能谱仪上分析微观组织不同区域的元素分布。2试验结果与讨论2.1wc颗粒与合金粉的反应图1所示为激光熔覆层的组织,可见其组织为基体合金+岛状的WC颗粒。其中白色亮区主要为WC颗粒,灰色亮区由于发生了(W,Ti)的置换反应,形成(W,Ti)合金碳化物,基体合金粉则形成枝晶区。表2所列为熔覆层组织不同区域的元素分布。2.2熔覆层开裂产生的微裂纹激光熔覆处理后材料中形成的裂纹形态如图2所示。经分析,激光熔覆后材料的裂纹主要有以下几种:首先为熔覆层内基体的弥散裂纹,这些裂纹往往源于碳化物颗粒与基体的交界面,尤其是形状不规则的碳化物颗粒的一些曲率半径较小的尖角处,由于应力集中系数较大,激光快速加热和冷却形成的热应力很容易使这些区域萌生裂纹;另一种是源于激光熔覆层边缘的粗大裂纹,由于激光加热冷却的温度场在激光熔覆熔池中的不同区域不同,造成一些温度梯度较大的边界区域在冷却过程中形成粗大的冷裂纹;此外,试验中还发现了在碳化物颗粒上的裂纹,这些裂纹是WC颗粒在制造过程中形成的。由于WC粉是采用熔炼法制备成锭子,再通过机械破碎而成为不同的颗粒,在破碎过程中容易造成WC颗粒内部出现微裂纹,随后在激光熔覆处理时形成的热应力使这些微裂纹向合金粉基体中扩展。激光熔覆工艺影响着材料的开裂行为,为了研究它们对熔覆层开裂的影响,引入参数K,定义为材料在单位时间单位面积上吸收的能量,即K=P/(DV)(1)式中P为输出功率,D为光斑直径,V为扫描速度,其中K的单位为J/mm2。图3所示为不同K值下熔覆层形成的裂纹。从图中可以看出,随着K值的增加材料中吸收的能量增加,材料的开裂倾向增加。激光熔覆层的残余拉应力,即熔覆过程中急冷急热而形成的热应力,是熔覆层开裂的主要原因。根据文献,激光熔覆层的热应力表示为:σth=E×Δα×ΔT/(1-υ)(2)式中,E、υ分别是熔覆层的杨氏模量和泊松比,Δα是熔覆层与基体之间的热膨胀系数之差,ΔT是熔覆层温度与室温的差值。可见,在E、Δα、υ不变的情况下,随着参数K的增加,材料在激光辐照下,单位面积在单位时间吸收的能量增加,则材料熔覆层的温度与室温的温度差值增大,则根据公式(2)可知,熔覆层中的热应力增加,出现裂纹的倾向增加。从式(2)中还可以看出,材料中的热应力还受Δα的影响。当Δα=0时,则σth=0,因此选择熔覆层材料与基体材料相当的热膨胀系数至关重要。由于WC的热膨胀系数较低,随着合金粉中的WC颗粒含量的增加,根据混和定律求合金粉末的热膨胀系数的方法,则熔覆层材料的热膨胀系数降低。因此,在激光熔覆过程中由于大块WC颗粒的下沉,导致熔覆层组织不均匀,同时,使材料不同区域的热膨胀系数不均匀。在WC颗粒沉积较多的熔覆层底部,由于热膨胀系数较低,则Δα绝对值较高,根据公式(2)可知,材料在此区域中形成的拉应力也高,相对的开裂倾向较大;相反,在WC颗粒较少的熔覆层表面,由于热膨胀系数较高,材料中的拉应力较低,开裂倾向较小,如图2d中所示的WC颗粒较少区域的高密度裂纹。3残余拉应力方面(1)激光熔覆后材料的裂纹主要有以下几种:熔覆层内的弥散裂纹;源于激光熔覆层边缘的粗大裂纹;WC颗粒上的裂纹。(2)激光熔覆开裂是由于熔覆层与金属基