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激光熔覆钴基金属陶瓷复合层组织与性能的研究

熊云  
【摘要】: 催化装置的滑阀一般工作在700℃左右的高温环境下,受到高速的含催化剂固态颗粒气流的冲刷,由于工作环境恶劣,导轨、阀板等内部构件极易腐蚀磨损失效。通常采用热喷涂和堆焊技术强化和修复滑阀内部构件,存在着很大的局限性。 本文采用5kW横流CO2激光器,在1Cr18Ni9Ti不锈钢表面分别制备了Stellite6钴基合金以及含有不同比例WC和适量Al的Stellite6/WC钴基金属陶瓷复合层。利用OM、SEM、XRD等手段分析了熔覆层的显微组织结构、相组成,观察了高温冲蚀后的表面形貌;采用电子探针线扫描技术,研究了结合区和熔覆层各合金元素的分布情况;对熔覆层的硬度、抗高温氧化和抗高温冲蚀性能进行了测试,并对高温氧化和冲蚀磨损机理进行了探讨。 试验结果表明,激光熔覆层致密均匀,实现了与基体良好的冶金结合,无裂纹、气孔等缺陷。熔覆层的主要组成为γ-Co(面心立方)过饱和固溶体以及碳化物CoCx、Co6W6C、Cr23C6和WC1-x;显微组织为大体上垂直于界面生长的平面晶和胞状晶,向熔池中部过渡为多方向生长的树枝晶区,近表面为平行于激光扫描速度方向生长的细小枝晶区。熔覆层具有很高的硬度,约为基体的2-3倍,而且随WC加入量的增加表面硬度逐渐提高。 在700℃高温条件下,钴基合金和添加10%WC(2%Al)钴基合金熔覆层的抗高温氧化性能均比基体优异,其氧化增重约为基体的一半。钴基合金熔覆层具有良好的抗高温氧化性能,在于Co能有效地促进Cr2O3、CoO?Cr2O3的形成,而这一氧化膜致密稳定,并且CoO与Cr2O3间较强的结合键增强了膜的致密性。添加10%WC(2%Al)使熔覆层中Co和Cr元素的含量在一定程度上有所降低,但为消除气孔而加入的Al可以形成一定数量的Al2O3膜,因此其氧化增重速度与钴基合金熔覆层大体相当。 700℃、90°攻角下,钴基合金和添加10%WC(2%Al)的钴基合金熔覆层的抗高温冲蚀磨损性能均比基体优异,添加10%WC(2%Al)的熔覆层性能最好,钴基合金熔覆层次之。钴基合金熔覆层的冲蚀机制以犁削脱落为主,伴随挤压后的片屑剥落;添加10%WC(2%Al)的激光熔覆层以挤压后的片屑剥落为主。分析认为,对于钴基合金和添加10%WC(2%Al)熔覆层,由于致密保护膜的存在,有效地降低了底材金属受到的冲击力,使试样具有较低的冲蚀率。添加20%WC(2%Al)熔覆层,由于疏松的氧化膜在磨粒的冲蚀下大面积剥落,保护作用失效,故冲蚀率很高。 在Stellite6钴基合金中添加10%WC(2%Al),采用适宜的激光加工工艺参数制备的钴基金属陶瓷复合层具有比Stellite6钴基合金熔覆层更为优异的性能,而且可以减少钴基合金的使用量,具有很大的工业应用价值,为激光熔覆钴基金属陶瓷在滑阀内部构件上的应用提供了理论依据。


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