等离子喷焊层的金相组织与分析

金相组织与分析

Co基合金喷焊层组织大致可分为以下几个区域：熔合区、近熔合区、中间区和近表面区。

3.2.1 纯Co基合金喷焊层的金相组织

图3.5是Co基合金喷焊层近熔合区的金相图。从图3.5中可以看出喷焊层和基体之间存在一过渡区称为熔合区，熔合区组织为平面晶。

图3.5 Co基合金喷焊层近熔合区的组织

形成的主要原因是等离子弧喷焊所输入的热量大而集中，形成的熔池较小，熔池开始凝固时，喷焊层和基体结合面处存在极大的正温度梯度G，而结晶速度R很小，G/R比值很大，为低速平面状生长，呈现平面状结晶[27, 28]，如图3.5b所示的白亮的铁素体组织。它是由喷焊层与基体的成分差别很大，等离子喷焊时喷焊层与基体相互稀释而出现。喷焊层和基体的白亮带比较曲折，有部分呈齿牙状态，说明在等离子弧高能热源作用下喷焊层中的元素和基材在形成熔池的过程中元素互相强烈扩散，凝固后形成了冶金结合层[29]。

由界面向熔池内部延伸，G迅速减小，而结晶速度R逐渐增大，固液平面界面失稳，而出现胞状晶直至树枝晶。熔池的热量通过界面由基体传出，故该处结晶方向为垂直于界面向熔池中生长。

近熔合区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，从而使组织呈现出明显的不均匀性。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，从而形成近熔合区的柱状枝晶亚层以及喷焊层表面和近熔合区之间具有一定方向性的粗枝晶亚层。粗枝晶主干大体上垂直于熔合区方向分布，也就是说直径主干的生长方向与热流方向基本一致[25]。

从图3.5b中可以看出喷焊合金显微组织具有快速凝固是亚共晶的枝晶生长特征，喷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已生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长成二次晶。

图3.6是Co基合金喷焊层中间区的金相图。平面晶或胞状晶的前沿，由于溶质的富集而出现成分过冷，导致树枝晶的生长。树枝晶的生长除受热流控制外，还有晶体生长的择优取向。对于面心立方晶体，其树枝晶生长的择优取向为<100>方向，只有那些取向与热流反方向一致或相近的晶体才能择优生长，与热流方向夹角较大的晶体取向的生长则受到限制。由于熔池的形状不规则，熔池底部以外的边沿处的传热方向的发散性，导致界面区树枝晶生长方向不同。一般而言，靠近熔池中心的界面区均可见垂直于界面生长的枝晶束，而远离中心区域的界面树枝晶生长方向比较杂乱。

图3.6 Co基合金喷焊层中间区的组织

图3.7是Co基合金喷焊层近表面区的金相图。熔池中上部的树枝晶生长方向紊乱区。由于熔池中上部的散热有很多种渠道，即可以通过基体，又可以通过周围环境，而且由于等离子弧的能量分布不均匀，造成该区散热的多方向性，只要某一微区的晶体的择优取向与该区的散热反方向一致，该晶体即可长大；熔池上部的结晶速度加快，故所得到的枝晶组织的二次分枝间距减小。

图3.7 Co基合金喷焊层近表面区的组织

3.2.2 加入5 %的Cr2O3喷焊层的金相组织

图3.8是加入5 %的Cr2O3的Co基合金喷焊层近熔合区的金相图。在近熔合区层，与纯钴基合金喷焊层相比，加入5 %的Cr2O3的Co基合金喷焊层所形成的树枝晶更粗大和发达一些，树枝晶也相对较短。喷焊层凝固成形时，主要通过基体来散热，在靠近熔合区部分，温度梯度低于熔合区，成分过冷比熔合区大，但仍较小，加上散热的方向性，因此在喷焊层凝固过程中形成了大致垂直于熔合区的柱状晶区。随着向喷焊层的推移，组织为粗大的枝晶组织，并随离熔合区距离的增加枝晶组织逐渐细化

图3.8 5 %的Cr2O3的Co基合金喷焊层近熔合区的组织

图3.9是加入5 %的Cr2O3的Co基合金喷焊层中间区的金相图。图3.9表明，在中部区域组织的形成发生了变化，柱状树枝晶较少。由于中间区在凝固时液相中温度梯度G很小，能在液相中很宽的成分过冷区，此时不仅在结晶前沿形成树枝状结晶，同时也能在液相的内部形核，产生新的晶粒。这些晶粒的四周不受阻碍，可以自由成长，从而使中间区域的组织发生了变化。中部区域为最后凝固区域，散热慢，温度梯度小，所以结晶速度较小，晶粒较粗大[30, 31]。

图3.9 5 %的Cr2O3的Co基合金喷焊层中间区的组织

随着距熔合区距离的增大，基材对喷焊层的稀释作用减小，在熔池的快速凝固过程中C与Cr的浓度相对较高，将以Cr7C3初生相的方式从熔池中析出，在析出的过程中有部分Fe原子溶入而形成M7C3 型复合碳化物，呈现过共晶组织的特征。随着熔池的温度继续降低到共晶温度时，剩余的液相发生共晶转变，生成了γ-Co相和Cr23C6组成的共晶组织[32, 33]。

从图3.9(a)(b)中可以看出，中间层与近表面层有明显的分层现象，首先根据喷焊条件，由于喷焊过程中喷嘴在来回摆动，所以后面的喷焊与前面的喷焊有一定的重合区，重合区相当于堆焊，对前一层的喷焊有加热效果，可以改变晶粒的大小，从而使中间层和近表面层之间看似有分层现象。再着，在喷焊过程中加入5 %的Cr3C2对喷焊层的晶粒大小也有一定的影响。加入的Cr3C2，高温下部分Cr3C2形成新相可作为异质形核的核心，形核率增大，晶粒细化，出现分层现象。另外Cr3C2粉末的密度(6.6 g/cm3)比Co基粉末合金(8.9 g/cm3)要小，在喷焊时，难免会造成Co 基粉末和Cr3C2粉末分层的现象。

图3.10是加入5 %的Cr3C2的Co基合金喷焊层近表面区不同放大倍数的金相图。近表面区域大部分为等轴晶，一次枝晶和二次枝晶的数量明显减少。不再由整齐的树枝晶构成，而是由更多的等轴树枝晶和枝晶间共晶组织存在，失去晶体生长的方向性。

图3.10 5 %的Cr3C2的Co基合金喷焊层近表面区的组织

由图3.10可见，自界面向表面过渡，枝晶逐渐细化。喷焊层表面由于散热的多方向性，既可通过基体，又可通过周围已凝固的喷焊层散热，还可以通过周围空气散热。由于近表面区的多渠道的散热，导致多方向的结晶。随凝固结晶的不断进行，熔池中剩余液体过冷度增大，高温熔池中的Cr3C2或其形成新相可作为异质形核的核心，形核率增大，晶粒细化，在凝固时出现等轴、准等轴晶。

3.2.3 加入10 %的Cr3C2喷焊层的金相组织

图3.11是加入10 %的Cr3C2的Co基合金喷焊层近熔合区的金相图。从图3.11可知，靠近熔合区组织为垂直于平面晶并沿着热流方向生长的柱状晶。图3.11b为近熔合区组织的放大形貌，可以清晰地看到近熔合的柱状晶及枝晶组织。

图3.11 10 %的Cr3C2的Co基合金喷焊层近熔合区的组织

与纯钴基和加入5 %的Cr3C2的Co基合金喷焊层近熔合区的金相显微组织相比较，加入10 %的Cr3C2的Co基合金喷焊层近表面区的金相组织较细小一些，并且分层现象更明显，后着中喷焊层和基体的白亮带更为曲折，树枝晶较小，但是较前者要长。原因在于，在等离子弧高能热源作用下喷焊层中的元素和基材在形成熔池的过程中后者的元素互相扩散比前者更强烈，凝固后形成了更好的冶金结合层。