激光增材制造微晶/纳米晶Co基合金块体组织与性能研究

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钴基合金具有优异的耐磨损、耐腐蚀以及耐高温性能,目前已在各行各业得到了广泛应用。本课题采用激光选区熔化(SLM)技术在H13钢表面制备CoCrW合金,在最佳工艺参数区间内,研究Fe元素含量对CoCrW合金物相组成、显微组织、元素分布、显微硬度、耐磨性及耐腐蚀性的影响,揭示固溶处理温度对SLM制备的多层CoCrW合金的微观组织与显微硬度的影响规律。以单层单道CoCrW合金的显微硬度和稀释率作为评价标准,采用正交试验的方法,得出最优工艺参数为电流380A、脉冲频率4Hz、脉冲宽度8ms和扫描速度100mm·min-1。基体元素对SLM制备CoCrW合金的影响主要在第一层和第二层,而其它层的影响可忽略不计。对不同层数CoCrW合金的物相组成、微观组织以及元素分布进行了系统的分析。结果表明,不同层数CoCrW合金主要由面心立方的γ-Co以及CoCx、M23C6等碳化物组成,三层以内的CoCrW合金生成了γ-(Fe,Ni)固溶体,第七层CoCrW合金生成了Ni-Cr-Co-Mo。沿着Z轴方向上,至下而上不同层数CoCrW合金的微观组织的分布特点依次为平面晶→胞状晶→树枝晶→等轴晶,组织呈现逐渐减小的趋势。受H13钢基体的影响,在Z轴方向上,CoCrW合金近表面、中部和熔合线部分的元素分布存在差异,层间组织粗大,并且后一增材层的枝晶生长方向会延续前一增材层的结晶方向。本文对SLM制备CoCrW合金的显微硬度、耐磨性和耐腐蚀性能进行了测试。结果表明,第一层、第二层、第三层和第七层的最大显微硬度分别为596HV0.2、630HV0.2、668HV0.2和699HV0.2。常温时第一层、第二层、第三层和第七层的磨损形式分别为磨粒磨损+氧化磨损、粘着磨损+氧化磨损+轻微磨粒磨损、粘着磨损+氧化磨损+轻微磨粒磨损、粘着磨损+氧化磨损。高温时不同合金表面的磨损行为主要为氧化磨损和磨粒磨损,但是第七层磨损程度最小。3.5wt.%Na Cl溶液中电化学测试的自腐蚀电位为H13<1层<2层<3层<7层,腐蚀电流为H13>1层>2层>3层>7层,交流阻抗谱为7层>3层>2层>1层>H13钢,即耐腐蚀性为7层>3层>2层>1层>H13钢。经过900℃、1100℃和1200℃固溶处理1h的CoCrW合金主要由面心立方的γ-Co以及Cr23C6、Cr7C3组成。随着固溶温度的升高,层间组织会逐渐消失,组织生长具有各向异性,近表面组织会发生氧化。900℃固溶处理后微观组织具有长大的现象,元素组成没有明显变化;1100℃固溶处理后微观组织明显长大,富Cr碳化物含量增多;1200℃固溶处理后,富Cr碳化物呈不连续的颗粒状分布。随着固溶温度升高,CoCrW合金Z轴方向的显微硬度逐渐降低。
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