Page 66 - 《摩擦学学报》2021年第6期

第 6 期 李剑锋, 等: 原位合成M 23 C 6 -WC双相碳化物协同增强激光熔覆层摩擦磨损行为的研究 851

100
(a) (b) Fe 3 C WC
Fe 3 C 0
0
WC −200
−100 Cr 3 C 2 Cr 7 C 3 Cr 3 C 2
ΔG 0 /(kJ/mol) −200 Cr 7 C 3 ΔH 0 /(kJ/mol) −400 Cr 23 C 6

−600
−300
−400 −800
Cr 23 C 6
−500 −1 000
0 300 600 900 1 200 1 500 1 800 2 100 2 400 0 300 600 900 1 200 1 500 1 800 2 100 2 400
Temperature/K Temperature/K

0
Fig. 9 The Gibbs free energy (ΔG ) and the formation enthalpy (ΔH 0 ) of the chemical reactions via the reaction temperature
图 9 化学反应随温度变化的吉布斯自由能(ΔG )与生成晗(ΔH ) 曲线图
0
0
Cr C 、Cr C 和Cr C 在熔覆层中生成是可能的. 一般 1 800~2 300 ℃， 然而，W、C和Fe60自熔性合金的熔点
3 2
23 6
7 3
来说，Cr与C发生化学反应能生成Cr C 、 Cr C 和 分别为3 422、3 652和1 070 ℃. Fe60自熔性合金先熔
7 3
23 6
Cr C 三种碳化物. 然而，根据XRD结果显示，仅仅 化形成熔池，而W和石墨不能直接熔于高温熔池中，
3 2
Cr C 被形成在熔覆层中，这是因为除热力学因素外， 而是在熔体的侵蚀下逐渐溶解到熔池中. 另外，由于
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[30]
各相的形成顺序还受到动力学因素的影响 . 通过建 W的溶解程度依赖于局部温度以及熔池持续时间的
立热力学模型，试样3中生成相的摩尔分数与温度变 长短. 因此，一些尺寸较大的W颗粒不能完全溶解从
化如图10所示. 而保留下来，如图11(a~b)所示. 当熔池开始凝固时，理
论上，当熔池温度下降到约1 340℃时，WC才开始形

1.0
核并生长，但由于未溶的W颗粒可作为异质形核核
Liquid 心，因此，一些WC颗粒在温度高于1 340 ℃时就已经
Mode fractions of phases 0.6 Cr-C γ-Fe Fe 3 C 以未溶的W颗粒表面形核生长，如图10和图11(c)所示.
0.8
随着熔池温度的进一步下降至1 190 ℃，γ-Fe枝晶开始
形核并生长，形成熔覆层的基体，如图10和图11(d)所
0.4
WC
示. 而WC也在继续生长，液相含量不断减少，直至温
0.2
度降至约640 ℃，形核生长的WC颗粒含量达到最高.
0.0
400 600 800 1 000 1 200 1 400 在随后的冷却过程中，WC的摩尔分数保持不变，如图10
Temperature/℃ 和图11(e)所示. 通过计算可知，截止降温到约640 ℃
Fig. 10 The mole fraction of the phases of Sample 3 versus the 时，WC的摩尔分数约为18%. 当熔池温度降至600 ℃
temperature
时, γ-Fe枝晶的摩尔分数达到最大化，如图11(e)所示.
图 10 试样3中生成相的摩尔分数与温度变化示意图
紧接着，熔池温度继续下降，M C 碳化物开始从γ-
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在图10中，横轴表示温度，纵轴表示相的摩尔分 Fe枝晶晶间析出形成网状结构，如图11(f)所示. 随着
数. 通过Thermo-Calc计算得出的曲线表达了相组成与 熔池温度达到450 ℃时，M C 碳化物停止生长，摩尔
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温度之间的关系. 由于Fe C相在熔覆层中最终的摩尔 分数也在后续的冷却过程中保持不变. 从理论上讲，
3
分数为0，因此忽略Fe C相在熔池凝固过程的变化. 通 本试验设计的M C -WC双相碳化物在试样中存在是
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3
过计算涂层的相分数曲线(图10)，可以得出在熔池凝 可以实现的，而试验结果也已确定了M C 和WC这两
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固的过程中连续发生了3次固态相变. 凝固过程中的 相的存在，只不过理论上计算的生成的M C 和WC的
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元素固溶情况未考虑在内. M C -WC双相碳化物增 含量是在W和C全部溶解的基础上，而实际情况，W的
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强铁基复合涂层熔池的完整凝固过程如图11所示. 残留导致实际生成的WC和M C 含量会比理论上要
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在激光熔覆过程中，激光束照射到熔覆层的表 少. 本热力学计算仅计算温度在400 ℃以上凝固过程，
面，光子能量转化为热量并向内部传播，合金粉末的 而当温度下降至室温时，γ-Fe枝晶将发生马氏体相变，
温度迅速升高. 正常激光熔覆熔池中的典型温度约 转变成α-Fe.