Page 65 - 《摩擦学学报》2021年第6期

850 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

(a) (b) Lamellar eutectics (c) Carbides
Cellular crystal
Cellular crystal
Lamellar eutectics
Carbides
Cellular crystal

2 μm 2 μm 2 μm

Fig. 7 Microstructure of overlapping regions of multi-track coatings: (a) sample 1; (b) sample 2; (c) sample 3
图 7 多道搭接熔覆层搭接区域的微观结构：(a) 试样1；(b) 试样2；(c) 试样3

(a) (b) α-Fe Fe 3 C
γ-(Fe, Ni) WC
Sample 3
W
Cr 23 C 6
W 2 C
Intensity/a.u. Intensity/a.u.
Sample 2
α-Fe
γ-(Fe, Ni) Fe 3 C Sample 4
WC
W
Cr 23 C 6
Sample 1
10 20 30 40 50 60 70 80 10 20 30 40 50 60 70 80
2θ/(°) 2θ/(°)

Fig. 8 XRD patterns and phase analysis of sample 1~4
图 8 试样1~4的X射线衍射图谱与物相分析

扫描图可知，相较于试样1，试样3中的晶间碳化物含 粒内核可以确定为未熔的W，而未熔W外侧聚集的块
量大幅度增加，这表明试样3中的晶间碳化物为Cr C . 状颗粒是原位合成的WC.
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此外，由上述EDS点分析可知，在Cr C 碳化物中还检 2.2 熔池凝固过程
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测到了大量W，说明Cr C 中的部分Cr原子被W替代 从以上SEM和XRD分析结果可知，熔覆层中主要
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而形成M C 复合碳化物，其中M代表Cr、W和Fe元素. 存在WC和Cr C 两种碳化物. 对熔池中化学反应进行
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Imurai曾研究发现，Cr C 具有复杂的面心立方晶体 热力学分析，有助于预测熔池中可能发生的反应，控
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[27]
结构(FCC)，W原子易取代Cr C 中Cr . W原子的半 制熔覆层的组织和性能. 在激光熔覆过程中，Fe60合
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径要明显大于Cr，由此可知，W原子取代Cr是造成 金，W和石墨溶解，熔池中主要存在Fe、Cr、C和W等元
Cr C 内部产生晶格畸变的主要原因. 晶格畸变会引 素. 熔池凝固过程中可能发生的化学反应如下：
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起材料内能增高，微观应力增大，阻碍位错滑移变形， W + C → WC (3)
使材料强度和硬度提高. 因此M C 复合碳化物的强
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Cr + C → Cr 23 C 6 (4)
度和硬度要高于Cr C ，这在一定程度上增加了熔覆
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层的显微硬度和耐磨性. 另外，M C 复合碳化物含量 Cr + C → Cr 7 C 3 (5)
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增加主要是因为更多石墨的添加使得熔池中的游离 Cr + C → Cr 3 C 2 (6)
C原子含量增加，导致熔池中的Cr元素与C结合反应 根据热力学定律，当在一定温度下，某化学反应
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生成Cr C 碳化物所致 [28-29] . 在试样2~3中均检测到了 的吉布斯自由能值(△G )为负时，说明在此温度下该
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WC衍射峰，表明用W-Fe60-C复合粉末通过激光熔覆 化学反应是自发的 [30] . 根据热力学计算软件(HSC
可以原位合成WC. 然而，试样2~3中WC衍射峰强度变 chemistry version 6)计算出WC、Cr C , Cr C 和Cr C
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化不大，这说明在试样2~3中原位合成的WC含量近似 的△G 值，结果如图9中所示. WC、Cr C , Cr C 和
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相等. 而上述试样2~3中也检测到了单质W和WC衍射 Cr C 的△G 在273~2 000 K温度范围内均为负值，说
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峰. 由此可知，类似三角形和四边形以及核-壳结构颗 明 在 激 光 熔 覆 过 程 中 ， 从 热 力 学 角 度 来 讲 ， WC、