钴基合金等离子弧堆焊显微组织及性能研究

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1、高伟等：钴基合金等离子弧堆焊显微组织及性能研究钴基合金等离子弧堆焊显微组织及性能研究高伟*陈聪*（中国石油大学（北京）暨加拿大哈斯基材料腐蚀与防护联合研究中心）摘要：利用光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜(EDS附件)、显微硬度计，对等离子弧堆焊钴基合金显微组织、物相及力学性能进行分析测试。结果表明，堆焊层组织主要是由树枝状的γ-Co固溶体和由γ-Co固溶体与M7C3(M=Cr﹑W﹑Fe)碳化物形成的共晶组织组成。从堆焊层至基体，硬度逐渐降低，堆焊层硬度最高，可达550HV以上，熔合区的硬度维持在350HV左右，基体硬度为210HV左右。关键词：等离子弧堆焊；钴基合金；堆焊层；显微组织；硬

2、度0引言堆焊钴基合金由于其高硬度、良好的耐腐蚀性及热硬性能日益引起广泛的关注[1-3]。填丝等离子堆焊除能保证良好的堆焊质量及稀释率之外，还具有设备简单，操作灵活的特点，有着良好的应用前景[4]。许多研究工作者主要集中于堆焊工艺及堆焊材料的设计和研究上，对堆焊合金层，尤其是手工填丝等离子堆焊合金层微观组织研究尚不充分。本文详细揭示了钴基合金等离子堆焊层显微组织特点及元素分布特征，并对堆焊层力学性能进行了初步测试，为等离子弧堆焊钴基合金的应用提供一定的理论准备。1．实验材料和实验方法采用100mm×50mm×5mm的Q235A的低碳钢板为堆焊基材。焊材选用司太立1#钴基合金堆焊焊丝，其成分见

3、表1。表1堆焊焊丝的主要化学成分（质量分数，wt/%）元素CCrWFeSiNiMoCo含量2.430.512.53.001.003.001.00余量采用飞马特ULTIMA150型等离子焊机进行堆焊实验。工艺参数：焊接电流79A，离子气流量1.0LPM，保护气流量15LPM，焊枪行走速度1.3mm/s，喷距6mm。手工填丝。按GB884-85堆焊要求[5]，堆焊多层钴基合金，堆焊层厚度约3mm。用XD-3A型X射线衍射仪对堆焊层表面进行物相分析。采用OLYMPUS-CK40M金相显微镜和带有EDS附件的FEIQuanta200F场发射扫描电镜对堆焊层合金层显微组织进行观察分析，采用HXS-1

4、000型维氏硬度计进行堆焊层显微硬度测试。第十五次全国焊接学术会议论文集，2010年7月2-8日，青海西宁2.实验结果和分析2.1堆焊合金层XRD分析XRD分析结果表明，钴基合金堆焊层组织主要是由γ-Co固溶体和碳化物M7C3(M=Cr﹑W﹑Fe)组成，见图1。1400▲●γ―Co●▲MC1200731000800600强度/CPS400●▲200▲●0020406080100衍射角度2θ/(°)图1堆焊层X射线衍射图谱钴基合金堆焊形成上述物相，与焊丝成分相符。司太立1#焊丝中除Co外含有C、Cr、W、Mo、Fe、Si、Ni等合金元素。Cr除在合金层表面形成致密Cr2O3氧化膜，提高合金耐

5、腐蚀性能外，还可以固溶到γ-Co中或形成各种碳化物，起强化作用。W主要作用是形成各种碳化物。Si主要起降低合金熔点的作用。Ni是扩大γ相区金属，用于提高组织稳定性。由此可见，钴基合金堆焊层主要是由γ-Co固溶体及M7C3碳化物组成。2.2堆焊金属组织观察和分析高伟等：钴基合金等离子弧堆焊显微组织及性能研究图2堆焊合金层金相照片及背散射电子图(a).合金层显微组织（b）.γ-Co枝晶形态（c）.枝晶区背散射电子图（d）.共晶组织背散射电子图堆焊合金层显微组织特征如图2所示。从图2a中可见，由结晶形态不同，堆焊合金层自下而上可分为三部分，熔合区、近熔合区的等轴状枝晶亚层以及具有一定方向的粗枝晶

6、亚层。合金层与基材间明显的白亮带即为熔合区。由于基体温度低，界面温度梯度很大，熔合区以平面晶方式凝固。随着凝固的进行，液相温度梯度逐渐减小，成分过冷加大，首先在近熔合区以细等轴状枝晶形态结晶。随着成分过冷进一步加大，一次晶主干逐渐发达，形成粗大的枝晶形态。如图2b所示。随着冷却继续进行，当合金到达共晶转变温度以下，在枝晶之间生成共晶组织，如图2c和2d。图中黑色基体相为先共晶γ-Co固溶体，白亮处及浅色短棒状或花瓣状组织即为共晶组织。对不同相区进行EDS能谱点扫描，如图3所示，分析结果见表2。结果表明共晶组织由共晶γ-Co固溶体与碳化物组成。第十五次全国焊接学术会议论文集，2010年7月2

7、-8日，青海西宁分析表明，钴基合金堆焊层显微组织具有快速凝固状态下亚共晶的枝晶生长特征。先共晶γ-Co固溶体以枝晶形态生长，枝晶之间为碳化物与γ-Co固溶体的共晶组织。图3共晶组织EDS分析取点图表2共晶组织能谱分析结果（质量分数）（%）CrFeCoWWA18.0032.2941.737.98--B27.0226.9334.2410.301.51C20.0819.1023.7532.894.182.3硬度测试与分析：基体