摘要
本实验以球形致密WC-12Co复合粉和球形Co粉为原料,通过激光定向能量沉积技术制备了WC-25Co(质量分数,%)硬质合金,研究了激光功率对WC-25Co硬质合金微观组织和摩擦磨损性能的影响。结果表明:Co颗粒熔化并形成液相,显著提高了WC-12Co的沉积质量。升高激光能量促进了Co液相的流动,合金致密化程度和组织均匀性显著改善。合金组织均由WC相和Co相组成,未发现Co3W3C、Co6W6C和W2C等脱碳相的存在。随激光功率的升高,合金硬度逐渐升高,磨损率呈现先减小后增大的趋势。在1400 W功率下WC-25Co硬质合金磨损率最低,为(0.81±0.11)×1
WC-Co材料因具有高硬度、高耐磨性以及优异的断裂韧性等优点,被广泛应用于切削刀具、矿山工具、机械密封环、侵蚀防护涂层和弹道冲击防护涂
激光定向能量沉积技术(laser directed energy deposition, LDED)具有快速凝固以及独特的马兰戈尼效应,可以在短时间促进颗粒重排,通过液相填充空隙从而获得细小致密的组织以及优异的力学性
为提高WC-12Co硬质合金激光沉积质量,本实验以球形WC-12Co复合粉末和球形Co粉预混合后的WC-25Co混合粉末为原料,采用激光定向能量沉积技术在不同功率下成形WC-25Co硬质合金,分析激光功率对WC-25Co硬质合金显微组织的影响规律,研究WC-25Co硬质合金显微组织对摩擦磨损性能的影响机制,为高硬度、优异摩擦磨损性能WC-Co硬质合金的制备提供理论基础。
实验所用原料粉末为通过三维运动混料机(SYH-5型,转速24 r/min)将WC-12Co球形复合粉末(粒径范围为50~150 μm,D50=101 μm)与球形Co粉(粒径范围为50~120 μm,D50=76 μm)混合后的WC-25Co混合粉末,WC-12Co复合粉末与Co粉的SEM形貌特征如图

图1 粉末SEM形貌
Fig.1 SEM images of powder: (a) WC-12Co composite powder, (b) Co powder, (c) cross-section of WC-12Co composite powder and (d) high-magnification microstructure in box in Fig.1c
激光定向能量沉积实验所采用的设备为BLT-C400型送粉式增材制造设备,该设备主要由激光系统、粉末及气体供给系统、水冷系统、数控系统以及可控氛围成形舱组成。激光束焦距为固定值25 mm,光斑直径为2 mm,激光功率最大可达2000 W,进行沉积实验时成形舱内为氩气氛围,氧含量低于200 µL/L。在激光定向能量沉积过程中,高能激光束熔融基材及WC-12Co复合粉末、Co粉形成熔池,经由氩气流输送的混合粉末进入熔池中快速熔化、凝固,形成沉积层,随后以90°层间交替的方式进行逐层堆积,最终实现零件成形。本实验设置的工艺参数为:3种激光功率1200、1400、1600 W,扫描速度 360 mm/min,送粉速率25 r/min。
采用Bruker D8 Advance型X射线衍射分析仪对硬质合金进行物相分析,扫描步长为0.05°,扫描范围为15°~90°。采用Zeiss Gemini 300型扫描电子显微镜对沉积试样显微组织进行观察,并通过设备自带的EDS能谱仪进行成分分析与元素分布状态检测。采用XHVT-50Z型一体式维氏硬度计,测量沉积试样的显微硬度值,实验载荷为30 kg,保压时间为15 s,每个样品随机选择10个区域进行测量,取算术平均值,减小测量误差。
采用中国科学院兰州化学物理研究所的HSR-2M往复式摩擦磨损试验仪进行室温摩擦磨损性能测试,载荷设定为60 N,时间为60 min,往复速度为500次/min,磨损轨迹长度设定为5 mm,所使用的对磨球为Φ5 mm的Si3N4陶瓷球(G5级,维氏硬度为16 660 MPa),磨损率计算公式如下:
(1) |
式中:Wr为磨损率(m

图2 不同激光功率下WC-25Co硬质合金XRD图谱
Fig.2 XRD patterns of WC-25Co cemented carbide deposited by LDED under different laser powers

图3 不同激光功率下定向能量沉积WC-25Co硬质合金SEM照片
Fig.3 SEM images of WC-25Co cemented carbide deposited by LDED under different laser powers: (a) 1200 W, (b)1400 W, and (c) 1600 W
分区域仍存在较大尺寸Co池,随着激光功率提高至1600 W,残留的Co池尺寸减小,整体上Co相在颗粒间呈均匀分布,存在部分亮白色WC粗晶区。

图4 不同激光功率下定向能量沉积WC-25Co硬质合金高倍SEM照片
Fig.4 High magnification of microstructure of WC-25Co cemented carbide deposited by LDED under different laser powers: (a) 1200 W, (b) 1400 W, and (c–d) 1600 W

图5 不同激光功率下定向能量沉积WC-25Co硬质合金不同Co含量区域显微组织
Fig.5 Microstructure of different Co content regions of WC-25Co cemented carbide deposited by LDED under different laser powers: (a) 1200 W, (b) 1400 W, and (c–d) 1600 W

图6 不同激光功率下沉积WC-25Co硬质合金的维氏硬度
Fig.6 Vicker hardness of WC-25Co cemented carbide deposited by LDED under different laser powers

图7 不同激光功率沉积WC-25Co硬质合金的摩擦系数和磨损率
Fig.7 Coefficient of friction (a) and wear rate (b) of WC-25Co cemented carbide doposited by LDED under different laser powers

图8 不同激光功率下沉积WC-25Co硬质合金三维立体与二维截面磨损轮廓
Fig.8 Three-dimensional (a–c) and two-dimensional (a1–c1) wear profile of WC-25Co cemented carbide deposited by LDED under different laser powers: (a, a1) 1200 W, (b, b1) 1400 W, and (c, c1) 1600 W

图9 不同激光功率下沉积WC-25Co硬质合金磨损表面
Fig.9 Worn surface of WC-25Co cemented carbide deposited by LDED under different laser powers: (a, d) 1200 W, (b, e) 1400 W, and (c, f) 1600 W
Si | N | W | C | Co |
---|---|---|---|---|
15.24 | 7.13 | 56.93 | 3.56 | 17.14 |

图10 WC-25Co硬质合金磨损表面及EDS元素面分布
Fig.10 SEM image and EDS element mappings of the wear surface of WC-25Co cemented carbide
激光定向能量沉积工艺加热时间短,冷却时间快,属于典型的非平衡凝固;而且激光能量输入呈高斯分布,熔池内外存在较大的温度梯度,在这些影响因素下,导致熔池内部的反应十分复杂。激光定向能量沉积WC-25Co硬质合金形成机理如

图11 激光定向能量沉积WC-25Co硬质合金形成机理
Fig.11 Formation mechanism of WC-25Co cemented carbide deposited by LDED
Co的熔点约为1495℃,WC的熔点约为2870 ℃,WC-Co的共晶温度约为1340 ℃,复合粉末颗粒内部的WC质量分数约为88%,该粉末内部的固液转变温度远高于Co单质以及复合粉末与Co粉相接触处Co含量较高的区域。WC的导热性低于金属Co,所以复合粉末的导热性也低于Co单质。当WC-12Co复合粉末与球形Co粉的混合料在激光束作用下加热至熔融态沉积形成熔池时,会优先熔化Co单质并润湿未开始熔化的复合粉末表面,而激光功率较低时,则会出现无法沉积或是Co难以完全熔化,依然有较高的表面张力,导致粉末在沉积过程中产生球化现象,无法得到平整的样件。当激光功率足够时,Co被熔化并填充粉末间隙,复合粉末与液态Co相充分接触,降低了颗粒表面的固液转变温度,随着能量的输入,粉末开始逐渐熔化,形成了具有成分梯度的熔池。由于在激光沉积过程中,熔池表面温度较高的区域表面张力较低,而温度较低的区域表面张力较高,这会导致熔融金属从高温区向低温区流动,形成对流循环的Marangoni效
1)不同激光功率条件下WC-25Co硬质合金物相组成未发生改变,仍为WC相与Co相;随着激光功率的提高,Co相迁移更加充分,WC-25Co硬质合金孔隙率逐渐降低、Co池尺寸逐渐减小,但由于液相存在时间较长,部分区域WC晶粒异常长大。
2)WC-25Co硬质合金硬度随激光功率提高,呈现逐渐增加的趋势,当激光功率由1200 W提高至1600 W时,硬质合金孔隙率降低,WC-12Co复合粉末与Co相的熔化与扩散更加充分,硬质合金整体硬度由(7740.0±777.9) MPa提高至(9537.4±433.7) MPa;磨损率随激光功率提高呈现先减小后增大的趋势,激光功率为1200、1400、1600 W时,磨损率分别为(2.08±0.12)×1
3)不同激光功率条件下WC-25Co硬质合金均主要发生磨料磨损,1200 W激光功率下,试样的熔化与扩散不充分,会出现Co的偏析,导致形成了偏析型裂纹,表现为严重的磨料磨损,随着激光功率提高至1400 W,Co相迁移更充分,耐磨性提高,然而当激光功率进一步提升至1600 W时,Co相迁移充分,但内部残余应力增大,导致颗粒剥落,表现为较严重的磨料磨损,并伴随一定程度的粘着磨损;此外,摩擦磨损过程中Co相会发生氧化,导致氧化磨损。
参考文献 References
Agode K E,Wolff C,Guven M et al.International Journal of Refractory Metals and Hard Materials[J], 2024, 119: 106508 [百度学术]
Wang Boxiang,Wang Zhenhua,Yin Zengbinet al. Wear[J],2024, 546-547: 205359 [百度学术]
Wang Chen, Lu Hao, Liu Xuemei et al. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials[J], 2024, 121: 106690 [百度学术]
Li Meng(李 萌), Gong Manfeng(弓满锋), Cheng Zanlin(程赞粼)et al. Rare Metal Materials and Engineering(稀有金属材料与工程)[J], 2023, 52(7): 2653 [百度学术]
Bertalan C, Moseley S, Pereira L et al. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials[J], 2024, 118: 106439 [百度学术]
Delanoë A, Lay S. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials[J], 2009, 27(1): 140 [百度学术]
Zhang Lei, Hu Chaoquan, Yang Yafeng et al.Additive Manufacturing[J], 2022, 55: 102820 [百度学术]
Suzuki A, Shiba Y, Ibe H et al. Additive Manufacturing[J], 2022, 59:103089 [百度学术]
Chen J,Huang M J,Fang Z Z et al.International Journal of Refractory Metals and Hard Materials[J], 2019, 84: 104980 [百度学术]
Liu Zhaopeng(刘钊鹏), Gu Jun(顾 俊), Wang Jianchao(王健超) et al. Applied Laser(应用激光)[J], 2021, 41(4): 715 [百度学术]
Erfanmanesh M, Abdollah-Pour H, Mohammadian-Semnani H et al. Ceramics International[J], 2018, 44(11): 12805 [百度学术]
Balla V K,Bose S,Bandyopadhyay A. Materials Science and Engineering A[J], 2010, 527(24–25): 6677 [百度学术]
Sun Ning(孙 宁), Fang Yan(方 艳), Zhang Jiaqi(张家奇) et al. Chinese Journal of Lasers(中国激光)[J], 2021, 48(6): 0602106 [百度学术]
Erfanmanesh M, Shoja-Razavi R, Abdollah-Pour H et al. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials[J], 2019, 81: 137 [百度学术]
Traxel K D,Bandyopadhyay A. Additive Manufacturing[J], 2021, 37: 101602 [百度学术]
Schwanekamp T, Marginean G, Reuber M et al. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials[J], 2022, 105:105814 [百度学术]
Ye Nan, Ma Yunzhu,Tang Jiancheng. Materials Research Express[J], 2021, 8(6): 066508 [百度学术]
Liu Jinyang, Chen Jian, Zhou Li et al. Acta Metallurgica Sinica (English Letters)[J], 2021, 34: 1245 [百度学术]
Fan P, Fang Z G, Sohn H Y. Acta Materialia[J], 2007, 55(9): 3111 [百度学术]
Konyashin I, Ries B. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials[J], 2014, 46: 12 [百度学术]
He Meiling, Zheng Xiaoyu, Tian Haixia et al. Journal of Materials Research and Technology[J], 2022, 21: 2445 [百度学术]
Deng Dewei(邓德伟), Ma Yunbo(马云波),Sun Qi(孙 奇) et al.Hot Working Technology(热加工工艺)[J], 2022, 51(12): 80 [百度学术]
Li Yanze, Gu Dongdong, Dai Donghua et al. Additive Manufacturing[J], 2024, 79: 103946 [百度学术]