7期 刘德健等:激光熔注法制备WC颗粒增强金属基复合材料层 图3激光熔注层水平面扫描电镜形貌 Fig 3 SEM m icrogra ph of the plane view of the MMC layer produced by LMI 析,采用计算机软件对复合材料层各个截面的背散 射照片进行图像处理来计算复合材料层中WC的 含量。结果表明,熔注层中WC的体积分数为25% 36% 3.3激光熔注层微观组织结构 图5激光熔注层WC颗粒间基体背散射形貌 图4为激光熔注层ⅹ射线衍射图谱。可以看 (a)上部;(b)下部 Fig 5 BSE m icrographs of the mat rix 出,熔注层中除了原有的WC,W2C和±Fe等相外, 出现了M6C(FeW3GFeW2C)和W等新相。这是 in jected particles in the MMC layer.( a)top part bo ttom part 由于在激光熔注过程中WC颗粒的加入,改变了熔而直接被注入到熔池中,而有一部分WC颗粒则不 池的化学成分,进而使熔注层结构发生较大变化。 可避免地受到激光束的加热作用 受到激光東作用的wC颗粒,可能全部熔化, 也可能只有表层发生熔化。对于表层熔化的WC 颗粒,在穿越液态熔池表面时,由于受到熔池表面张 800 力的作用,固态WC颗粒表层的液态WC与其分 离,留在熔池的上部而固态WC颗粒将穿越到熔 400} 池更深的位置。液态WC的熔入使熔池上部出现 较多处于过共晶成分的区域。这些区域在熔池冷却 2°) 过程中,先共晶相FeWC首先从熔池中析出,由于 熔池上部温度较高,所以先共晶相Fe3W3C可以在 图4激光熔注层Ⅹ射线衍射图谱 液相中自由长大成树枝晶,当熔池成分到达共晶成 Fig. 4 XRD spectrum of the MMC layer 根据组织特征的不同激光熔注层大致可以分时将发生共晶转变,过多的先共品相会对随后的 分为上下两部分。在熔注层的上部存在较多的共晶反应起到抑制作用。这就是熔注层上部存 枝晶和少量枝晶间共品,属于过共晶组织如图5在较多的Fe3WC枝晶和少量枝晶间共晶的原因 (a)所示。熔注层的下部枝晶数量减少,存在较多 未受到激光束加热作用的WC颗粒,被注入到 共晶,如图5(b)所示。这些枝晶由W,Fe和C元熔池中时仍然保持固态。由于WC的熔点很高 素组成,而且W和Fe元素的含量接近(原子数分 (2875℃),WC颗粒在熔池中运动时不会发生大量 数分别为247%和26.6%),说明枝晶为Few3C熔化,但会发生部分分解随后发生FeW3C的形核 而不是Fe4W2C。 与长大。由于熔池上部温度较高,加上WC颗粒的 出现上述现象的原因除了激光熔注过程中熔池运动,会在熔注层上部形成较多的反应产物 温度场和凝固特点等因素外,主要由注入到熔池中FeWC。当WC颗粒停止下来后,WC颗粒的分解 WC颗粒的状态决定。由激光熔注过程可知,注入会导致反应层的形成 到熔池中的WC颗粒,一部分未受到激光束的加热 反应层是wC颗粒与基体间的过渡区域,是决 定复合材料层性能的关键。激光熔注层中不同WC o1994-2012ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cno.et图 3 激光熔注层水平面扫描电镜形貌 Fig . 3 SEM m icrog ra ph of the plane view of the MMC layer pr oduced by LMI 析, 采用计算机软件对复合材料层各个截面的背散 射照片进行图像处理来计算复合材料层中 W C 的 含量。结果表明, 熔注层中 WC 的体积分数为25% ~ 36%。 3. 3 激光熔注层微观组织结构 图 4 为激光熔注层 X 射线衍射图谱。可以看 出, 熔注层中除了原有的 WC, W2 C 和
-Fe 等相外, 出现了 M6C( Fe3 W3C-Fe4 W2C) 和 W 等新相。这是 由于在激光熔注过程中, WC 颗粒的加入, 改变了熔 池的化学成分, 进而使熔注层结构发生较大变化。 图 4 激光熔注层 X 射线衍射图谱 Fig. 4 XRD spectrum of the MMC layer 根据组织特征的不同, 激光熔注层大致可以 分为上下两部分。在熔注层的上部, 存在较多的 枝晶和少量枝晶间共晶, 属于过共晶组织, 如图 5 ( a) 所示。熔注层的下部枝晶数量减少, 存在较多 共晶, 如图 5( b) 所示。这些枝晶由 W, Fe 和 C 元 素组成, 而且 W 和 Fe 元素的含量接近( 原子数分 数分别为24. 7% 和26. 6%) , 说明枝晶为 Fe3W3C 而不是 Fe4W2C。 出现上述现象的原因除了激光熔注过程中熔池 温度场和凝固特点等因素外, 主要由注入到熔池中 WC 颗粒的状态决定。由激光熔注过程可知, 注入 到熔池中的 WC 颗粒, 一部分未受到激光束的加热 图 5 激光熔注层 WC 颗粒间基体背散射形貌 ( a) 上部; ( b) 下部 Fig. 5 BSE m icrog ra phs of t he mat rix between the injected particles in the MMC la yer. ( a) to p part; ( b) bo ttom part 而直接被注入到熔池中, 而有一部分 WC 颗粒则不 可避免地受到激光束的加热作用。 受到激光束作用的 WC 颗粒, 可能全部熔化, 也可能只有表层发生熔化。对于表层熔化的 WC 颗粒, 在穿越液态熔池表面时, 由于受到熔池表面张 力的作用, 固态 WC 颗粒表层的液态 WC 与其分 离, 留在熔池的上部, 而固态 WC 颗粒将穿越到熔 池更深的位置。液态 WC 的熔入使熔池上部出现 较多处于过共晶成分的区域。这些区域在熔池冷却 过程中, 先共晶相 Fe3 W3C 首先从熔池中析出, 由于 熔池上部温度较高, 所以先共晶相 Fe3W3C 可以在 液相中自由长大成树枝晶, 当熔池成分到达共晶成 分时将发生共晶转变。过多的先共晶相会对随后的 共晶反应起到抑制作用 [ 12] 。这就是熔注层上部存 在较多的 Fe3W3C 枝晶和少量枝晶间共晶的原因。 未受到激光束加热作用的 WC 颗粒, 被注入到 熔池中时仍然保持固态。由于 WC 的熔点很高 ( 2875
) , WC 颗粒在熔池中运动时不会发生大量 熔化, 但会发生部分分解, 随后发生 Fe3W3 C 的形核 与长大。由于熔池上部温度较高, 加上 WC 颗粒的 运动, 会在 熔注 层 上部 形成 较 多的 反 应产 物 Fe3 W3 C。当 WC 颗粒停止下来后, WC 颗粒的分解 会导致反应层的形成。 反应层是 WC 颗粒与基体间的过渡区域, 是决 定复合材料层性能的关键。激光熔注层中不同 WC 1085 7 期 刘德健 等: 激光熔注法制备 WC 颗粒增强金属基复合材料层