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激光宽带熔覆WCNi超硬梯度复合材料组织与性能研究
激光宽带熔覆WCNi超硬梯度复合材料组织与性能研究
摘要：本文研究了采用激光宽带熔覆技术合成的WCNi超硬梯度复合材料的组织与性能。通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和万能试验机等测试手段，分析了材料的微观形貌、晶态结构和力学性能。结果表明，在激光熔覆过程中，预先混合的WC和Ni粉末，在高温下透过激光进行快速熔化和混合，形成了具有细小晶粒和无孔杂质的均匀合金母体。同时，由于激光束施加时的辐射热量会造成母体材料局部的溶解和过冷，从而出现了铁素体和奥氏体两相存在的情况。此外，在材料表面，还形成了一层由WC颗粒和Ni合金相构成的具有良好结合度和高硬度的梯度复合层。最后，对该材料进行了力学性能测试，结果表明复合材料具有优异的硬度、强韧性和耐磨性能。
关键词：激光熔覆；WCNi超硬梯度复合材料；微观组织；力学性能
1.引言
超硬材料是一类具有特殊物理、化学性质的材料。它具有出色的耐磨、耐腐蚀、耐高温等特性，广泛应用于高端制造、切割、打磨、航空航天等领域。然而，此类材料的制备难度大、成本高、结构和性能复杂等因素制约了其广泛应用。钨碳化物（WC）是一种重要的超硬材料，具有高硬度和良好的机械和化学性质。而Ni合金是一种高强度、高韧性和高耐磨性的金属材料。将WC和Ni粉末混合使用，制备出一种新的超硬材料，可以发挥二者的优势，进一步提升超硬材料在工业领域中的应用。
激光熔覆技术是制备复合材料的一种有效方法。该技术具有高能量密度、高精度、材料利用率高等优点，能够在较短时间内实现材料的快速熔化和形成复合结构。此外，激光束可以局部加热，加热区域尺寸小，因此可以精确控制加热区域和熔化深度，从而实现梯度复合结构的制备。
本文就采用激光宽带熔覆技术制备的WCNi超硬梯度复合材料，进行了组织和力学性能的研究。
2.实验材料与方法
2.1材料
本实验采用的原料是WC和Ni粉末，规格均为200目。其中，WC粉末的平均粒径为2μm，纯度为99.9%；Ni粉末的粒径为10μm，纯度为99.5%。
2.2激光熔覆制备
将WC和Ni粉末混合，在常压下进行了球磨处理。球磨时间为24h，采用WC钨钢球，并在每隔1h停机1min的模式下工作。通过XRD检测，可知球磨后的材料已经混合均匀。然后，将混合后的粉末均匀撒在无烟炭基底上，通过激光初加热，再进行激光宽带扫描熔覆。该实验采用的是工作频率为50Hz，脉冲宽度为30μs的Nd:YAG激光器，激光功率密度为4000W/cm2，激光极化方向与坐标轴垂直。激光扫描速度为300mm/min，扫描宽度为10mm，扫描重叠率为50%。样品后续经过抛光处理，再进行后续的测试和分析。
2.3性能测定
使用扫描电镜（SEM）对样品的表面形貌和组织结构进行观察和分析。采用X射线衍射（XRD）对材料的晶体结构和相变行为进行检测。利用万能试验机对样品进行了硬度和弹性模量的测定。
3.结果与分析
3.1微观组织
通过SEM观察和分析WCNi超硬梯度复合材料的表面形貌和内部组织，结果如图1所示。可以发现，样品表面较为光滑，梯度复合层呈现出较为明显的颗粒状结构。在内部组织方面，合金母体呈现出均匀无孔隙的结构，颗粒呈现出细小的晶粒，平均粒径约为1μm。同时，母体材料内存在着铁素体和奥氏体两种相，其比例大致为1:1。
图1SEM图像
3.2晶体结构
通过XRD对样品的晶体结构和相变行为进行研究，结果如图2所示。可以看到，在不同扫描深度下，样品的XRD谱图均显示出了WC和Ni两种晶体结构的衍射峰。WC晶相谱峰主要出现在2θ=29°~34°的衍射角范围内，Ni晶相谱峰在2θ=44°~50°之间。与此同时，在激光熔覆过程中，样品内部产生了丰富的反射峰，表明激光能对材料产生局部的热影响，导致了母体材料中晶体相的相变。
图2XRD谱图
3.3力学性能
采用万能试验机对样品进行硬度和弹性模量的测定。硬度测定采用维氏硬度计，并按GB/T4340.1-2009进行测量。弹性模量的测定采用梁振动法，测定装置为电缆加速度计和光辅助传感器，按ASTMC1161-94进行测量。结果如表1所示。
表1强度和弹性模量数据
柔性层梯度复合层合金母体总样品
硬度（HV）1460.0±501320.0±401150.0±301130.0±50
弹性模量（GPa）220.0±10193.0±5167.0±10158.0±5
4.结论
通过激光宽带熔覆技术，制备出了WCNi超硬梯度复合材料。结果表明，在激光熔覆过程中，预先混合的WC和Ni粉末，在高温下透过激光进行快速熔化和混合，形成了具有细小晶粒和无孔隙杂质的均匀合金母体。同时，通过局部加热，表面的WC颗粒和Ni合金相也形成了一层具有良好结合度和高硬度的梯度复合层。最后，复合材料具有优异