به منظور بررسی مکانیسم تاثیر تکامل ریزساختار کاربید تنگستن (WC) در پوشش کامپوزیت بر روی تولید ترک، سه نوع پوشش کامپوزیت Ni50A/WC توسط تک لایه تهیه شد. روکش لیزری، روکش شیب لایه انتقال و روکش دو لایه. مورفولوژی و ریزساختار پوشش‌ها، ویژگی‌ها و علل ایجاد ترک مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و تأثیر تکامل ریزساختار WC بر تولید ترک مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهد که تأثیر تکامل ریزساختار WC روش‌های مختلف روکش‌کاری بر تولید ترک عمدتاً از منبع ترک تشکیل شده توسط ترک‌خوردگی داخلی ذرات باقی‌مانده WC و جداسازی اجزای ناشی از عناصر فاز سخت تشکیل شده‌است. در مقایسه با پوشش روکشی تک لایه، میزان ذرات باقیمانده WC پوشش های روکش دولایه و روکش گرادیان 32.7% و 37.9% کاهش می یابد که دلیل آن جذب انرژی بیشتر توسط پودر است که باعث کاهش منبع ترک داخلی می شود. پوشش. کسر جرمی عنصر W در ترکیب یوتکتیک نیز از 0.534 در پوشش روکشی تک لایه به 0.417 در پوشش روکش دولایه و 0.386 در پوشش روکش گرادیان کاهش می یابد که باعث کاهش غلظت عناصر فاز سخت و کاهش تفکیک می شود. از اجزای پوشش، و حساسیت به ترک پوشش را کاهش می دهد. این مطالعه برای بهبود مشکل ترک پوشش‌های کامپوزیت روکش لیزری و بهبود عملکرد پوشش‌های کامپوزیت اهمیت راهبری خاصی دارد.

پوشش های کامپوزیت فلز سرامیک دارای مزایای سختی بالا، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر حرارت هستند. تهیه پوشش های کامپوزیت با فناوری روکش لیزری یک جهت تحقیقاتی مهم در زمینه فناوری اصلاح سطح است [1]. کاربید تنگستن (WC) یک پودر فاز سرامیکی رایج است. به دلیل خواص عالی مانند سختی بالا، نقطه ذوب بالا و افت سختی کم در دمای بالا، اغلب به عنوان فاز تقویت کننده پوشش در روکش لیزری استفاده می شود. با این حال، خواص فیزیکی حرارتی WC، مانند ضریب انبساط خطی، مدول الاستیک، هدایت حرارتی و نقطه ذوب، کاملاً متفاوت از فلز پایه است. پوشش مستعد ایجاد تنش حرارتی پسماند زیاد است که حساسیت به ترک پوشش را افزایش می دهد [2]. پودر آلیاژ خود شار مبتنی بر نیکل Ni50A دارای مزایای ترشوندگی خوب، مقاومت در برابر حرارت و خوردگی و مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا است. می توان از آن به عنوان ماده فاز باندینگ برای WC استفاده کرد. در عین حال، پوشش تهیه شده با Ni50A دارای چگالی بالا و عملکرد اتصال خوبی است. می توان از آن به عنوان لایه انتقالی بین پوشش مواد سرامیکی و بستر برای بهبود استحکام پیوند پوشش و کاهش حساسیت به ترک پوشش استفاده کرد [3]. برای بهبود مشکل نقص ترک پوشش کامپوزیت روکش لیزری با استفاده از روکش گرادیان لایه گذار و مطالعه مکانیسم ایجاد ترک، یک جهت تحقیقاتی مهم است.

SHU و همکاران [4] یک پوشش کامپوزیت مبتنی بر نیکل با کسر حجم بالا را در محل روی یک بستر فولادی کم کربن با روکش لیزری گرادیان سنتز کرد و ایده جدیدی برای تهیه یک پوشش کامپوزیت بدون منافذ یا ترک ارائه کرد. ژیکون و همکاران [5] پوشش‌های کامپوزیتی Ni/WC با کسرهای جرمی مختلف (0 تا 0.6) ذرات WC روی سطح فولاد ضد زنگ تهیه کرد. روکش ها دارای تراکم بالایی هستند و هیچ منافذ یا ترک خوردگی در داخل ندارند. LEE و همکاران [6] روند ترک خوردگی لایه کامپوزیت WC+NiCr مبتنی بر Co-based را در طول روکش لیزری مورد مطالعه قرار داد. این مطالعه نشان داد که تنش کششی در لایه روکش می‌تواند به عنوان یک نیروی محرکه بالقوه، همراه با مکان‌های شروع ترک مانند ذرات ترک خورده WC، منافذ و ترک‌های انجماد، برای ایجاد یک مسیر ترک آسان برای شکستگی‌های شکننده بزرگ استفاده شود. SHI و همکاران [7] پوشش کامپوزیت گرادیان را بر روی سطح فولاد آلیاژی 20CrMnTi با روش روکش لیزری تهیه کرد. قدرت لیزر، سرعت اسکن روکش فلزی و سرعت جریان پودر به عنوان عوامل مؤثر در آزمایش متعامد انتخاب شدند. پارامترهای فرآیند با آزمایش متعامد و آنالیز واریانس برای به دست آوردن پوشش کامپوزیت گرادیان با عملکرد عالی بدون نقص ترک بهینه شدند. MA و همکاران [8] پوشش کامپوزیتی مبتنی بر نیکل تقویت شده با ذرات WC را بر روی بستر فولادی Q550 با فناوری روکش لیزری پهن باند آماده کرد. اثر تنظیم توان لیزر باند پهن بر روی رفتار رشد ساختار یوتکتیک مورد مطالعه قرار گرفت که مبنای نظری خاصی برای مهار عیوب ترک ناشی از ذرات سخت مانند سرامیک‌ها فراهم کرد. WU [9] پوشش Fe50A/WC را با فناوری روکش لیزری گرادیان برای تعمیر تیغه سنگ شکن زباله آماده کرد. این مطالعه نشان داد که هر چه کسر جرمی WC بیشتر باشد، حساسیت به ترک بیشتر پوشش است. و استفاده از لایه انتقال می تواند حساسیت ترک را کاهش داده و بروز عیوب ترک را کاهش دهد. SONG و همکاران [10] از روکش لیزری 316 فولاد ضد زنگ برای تعمیر فولاد ضد زنگ 304 استفاده کرد و از پودر WC برای آلیاژسازی سطح استفاده کرد. نتایج نشان داد که با افزایش ذرات WC، سختی پوشش و ذرات WC حل نشده نیز افزایش یافت و مکانیسم سایش از سایش چسب به سایش ساینده تغییر کرد. ژو و همکاران [11] از روکش لیزری و روکش القایی لیزری برای تهیه پوشش‌های رستاخیز WC بر پایه نیکل استفاده کرد. نتایج نشان داد که روکش القایی لیزری می تواند توزیع یکنواخت ذرات WC را بهبود بخشد. LÜ و همکاران [12] از روکش لیزری برای تهیه پوشش های کامپوزیت تیتانیوم نیکل استفاده کرد و اثرات افزودن محتویات مختلف Ta خاکی کمیاب را بررسی کرد. نتایج نشان داد که افزایش محتوای خاکی کمیاب Ta می تواند مقاومت به سایش و مقاومت در برابر اکسیداسیون پوشش را بهبود بخشد. یو و همکاران [13] از فناوری روکش لیزری برای سنتز درجا پوشش های کامپوزیت Ti-Al-N بر روی سطح آلیاژ تیتانیوم TC4 استفاده کرد و مکانیسم سنتز درجا پوشش کامپوزیت را مورد مطالعه قرار داد. نتایج نشان داد که افزودن مقدار کمی پودر آلومینیوم می‌تواند واکنش TiN و TiAl را در حوضچه مذاب افزایش دهد و در نتیجه محتوای فاز Ti2AlN MAX را در پوشش به طور قابل توجهی افزایش دهد.

در این مقاله، نویسندگان پوشش‌های کامپوزیت Ni50A/WC تک لایه، پوشش‌های کامپوزیت Ni50A/WC را با لایه انتقال Ni50A و پوشش‌های کامپوزیت دو لایه Ni50A/WC تهیه‌شده با روش‌های مختلف روکش‌کاری تحت شرایط فرآیند چگالی انرژی خطی یکسان مقایسه کردند. ویژگی‌های ترک‌خوردگی پوشش‌ها را مورد مطالعه قرار داد و مکانیسم WC را که بر تولید ترک تأثیر می‌گذارد، تجزیه و تحلیل کرد، که راهنمایی‌های نظری خاصی را برای حل بهتر مشکل ترک‌خوردگی پوشش‌های کامپوزیت فلزی سرامیک روکش لیزری ارائه می‌دهد و برای حل مشکل ترک‌ها در لیزر اهمیت خاصی دارد. پوشش های کامپوزیت روکش.

1 مواد و روشهای آزمایشی

1. 1 مواد آزمایشی

زیرلایه آزمایشی روکش لیزری فولاد H13 (فولاد قالب داغ 4Cr5MoSiV1)، اندازه بستر 90 میلی‌متر × 45 میلی‌متر در 11 میلی‌متر است، و ترکیب شیمیایی (کسر جرمی) در جدول 1 نشان داده شده است. مواد پودر لایه پوشش Ni50A است. پودر آلیاژ خود روان بر پایه نیکل و پودر کامپوزیت سرامیک فلزی با کسر جرمی 0.1 پودر WC ریخته گری بر اساس Ni50A مخلوط می شود. ترکیب شیمیایی اصلی مواد Ni50A و ترکیب شیمیایی اصلی مواد WC در جدول 2 و جدول 3 نشان داده شده است. میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مورفولوژی پودر قبل و بعد از اختلاط در شکل 1 نشان داده شده است. اندازه ذرات پودر 48 میکرومتر ~ 106 میکرومتر. قبل از آزمایش روکش لیزری، نمونه ها توسط یک آسیاب درشت آسیاب شدند تا اکسید سطح حذف شود و روغن سطح با اتانول بی آب به صورت اولتراسونیک تمیز شد. نمونه ها و پودر روکش قبل از پوشش لیزری برای حذف رطوبت به مدت 2 ساعت در آون خشک کن خلاء خشک شدند.

1.2 آماده سازی پوشش

تجهیزات روکش لیزری شامل یک لیزر نیمه هادی 1.4 کیلوواتی فیبر جفت شده، یک دستگاه تغذیه پودر سنکرون جانبی، یک سیستم گردش آب خنک کننده، یک مدار گاز محافظ آرگون و یک مدار گاز تغذیه پودر، و یک پلت فرم متحرک محور xy ساخته شده توسط تیم تحقیقاتی فشار گاز محافظ در طول فرآیند روکش فلزی 0.1 مگاپاسکال است. پارامترهای فرآیند روکش لیزری به شرح زیر است: توان لیزر 817 وات، سرعت اسکن 1.5 میلی متر بر ثانیه، و فوکوس 10- میلی متر است.

نمونه 1 از یک لایه روکش استفاده می کند و نرخ تغذیه پودر Ni50A/WC 6 گرم در دقیقه است. نمونه 2 از پودر Ni50A به عنوان لایه انتقال استفاده می کند و نرخ تغذیه پودر اولین لایه انتقالی و لایه دوم هر دو 3 گرم در دقیقه است تا ضخامت پوشش هر نمونه را کنترل کند تا نزدیک باشد. نمونه 3 به طور مستقیم از Ni50A/WC به عنوان یک لایه میانی استفاده می کند، یعنی Ni50A/WC مستقیماً به دو لایه برای روکش تقسیم می شود و سرعت تغذیه پودر هر لایه 3 گرم در دقیقه است.

1.3 مشخصه مواد و روش تست عملکرد

لایه اکسید روی سطح پوشش نمونه توسط یک برس سیمی تمیز می شود و سپس با اتانول بی آب و سایر مواد شوینده تمیز می شود. عیوب ترک پوشش نمونه با استفاده از توموگرافی میکروکامپیوتری پراش اشعه ایکس Lifetime610 (CT) شناسایی می شود. قسمت ثابت و یکنواخت وسط لایه روکش را انتخاب کرده و با برش سیمی یک نمونه به ابعاد 15 × 15 × 13 میلی متر را در امتداد سطح لایه روکش برش داده و سپس مرحله به مرحله با سمباده متالوگرافی سطح مقطع را صیقل دهید و در نهایت از مایع پولیش برای صیقل مکانیکی نمونه استفاده کنید تا سطح مقطع به یک اثر آینه ای برسد. از یک اچ متالوگرافیک از aqua regia که به نسبت 3:1 با اسید کلریدریک غلیظ و اسید نیتریک غلیظ تهیه شده است استفاده کنید و زمان اچ در دمای اتاق 15 تا 20 ثانیه است. پس از اتمام اچینگ، آن را تمیز بشویید، خشک کنید و از میکروسکوپ کانفوکال لیزری OLS4000 برای مشاهده ریزساختار استفاده کنید. SEM رشته تنگستن S3400N و طیف‌سنجی پراکنده انرژی (EDS) برای تجزیه و تحلیل ساختار لایه روکش استفاده شد. پراش اشعه ایکس 12 کیلوواتی D/MAX-RB (XRD) برای تجزیه و تحلیل فاز لایه روکش استفاده شد، و تستر میکروسختی HVS-1000Z برای تجزیه و تحلیل ریزسختی زیرلایه ناحیه تحت تاثیر پوشش-گرما استفاده شد. بار 200 گرم و زمان بارگیری 15 ثانیه.

2 نتایج و تجزیه و تحلیل

2.1 تجزیه و تحلیل تاثیر روش های روکش لیزری بر مورفولوژی و ساختار پوشش

ضخامت پوشش های تهیه شده با سه روش روکش لیزری نزدیک به 2.1 میلی متر است و مورفولوژی سطح در شکل 2 نشان داده شده است. با مقایسه مورفولوژی سطح پوشش های نمونه 1، نمونه 2 و نمونه 3، مشاهده می شود که سطح پوشش های تهیه شده با روکش گرادیان و روکش دولایه بسیار مسطح و صاف است، در حالی که سطح پوشش تهیه شده توسط روکش یک لایه ناهموار است و ذراتی وجود دارد که به طور کامل ذوب نشده و در حوضچه مذاب پخش می شوند. . از آنجایی که گاز آرگون به عنوان گاز محافظ در فرآیند پوشش استفاده می شود و پودر حاوی عناصر Si و B با خواص اکسید زدایی و سرباره سازی خوب است، هیچ یک از این سه پوشش اکسید نمی شود. با تجزیه و تحلیل مورفولوژی سطح سه پوشش، پوشش روکش تک لایه در حوضچه مذاب در طول فرآیند روکش دهی مدت زمان کوتاهی دارد که منجر به انبساط ناکافی می شود و حتی برخی از پودرها پس از تابش لیزر به ذرات بزرگتر متراکم می شوند. منبسط نشود و در حوضچه مذاب پخش نشود. این پدیده بازتابی مستقیم از دمای ناکافی حوضچه مذاب است که نشان می‌دهد پودر نمی‌تواند انرژی کافی را جذب کند و در نتیجه سطح پوشش ناهموار و ذرات ذوب نشده و در حوضچه مذاب پخش می‌شود. با این حال، نرخ تغذیه پودر پوشش های شیب دار و روکش های دولایه، نیمی از روکش های تک لایه است. بنابراین، زمانی که توان لیزر، سرعت اسکن و مقدار فوکوس یکسان باشد، یعنی انرژی ویژه لیزر یکسان باشد، پودر انرژی بیشتری جذب می‌کند و حوضچه مذاب کاملاً منبسط می‌شود، بنابراین سطح پوشش صاف و مسطح است.

شکل های 3 و 4 نمای بزرگ شده ای از رابط های سه پوشش کامپوزیتی Ni50A/WC هستند. همانطور که در شکل نشان داده شده است، سه پوشش کامپوزیت ابتدا یک کریستال مسطح با ضخامت 10 میکرومتر در پایین ترین نقطه تشکیل می دهند. این به این دلیل است که گرادیان دمایی G در فصل مشترک جامد-مایع وقتی حوضچه مذاب تشکیل می‌شود، سرعت تبلور R کوچک و نسبت G/R بزرگ است، بنابراین کریستال صفحه تشکیل می‌شود [14]. در امتداد سطح مشترک به سمت سطح پوشش، گرادیان دما G به تدریج کاهش می‌یابد، نرخ تبلور R به تدریج افزایش می‌یابد، و حالت رشد سازمانی روی کریستال صفحه از کریستال سلولی به دندریت و کریستال هم محور تغییر می‌کند. ذرات WC را می توان در پایین روکش های تک لایه و روکش های دولایه مشاهده کرد. این پدیده نشان می دهد که در طی فرآیند روکش لیزری، ذرات WC در پودر مخلوط به طور کامل در حوضچه مذاب حل نمی شوند، بلکه به صورت ذرات باقیمانده در پوشش پخش می شوند. با این حال، این وضعیت در پایین پوشش گرادیان ظاهر نمی شود، و نشان می دهد که ذرات باقیمانده WC حل نشده در لایه دوم (لایه Ni50A/WC) وارد لایه اول (لایه Ni50A) نشده اند. با تجزیه و تحلیل پیوند بین پوشش و زیرلایه، هر دو بزرگنمایی رابط نشان می دهد که سطح مشترک بین پوشش و زیرلایه متراکم است، که نشان می دهد پیوند متالورژیکی خوبی بین پوشش و زیرلایه تشکیل شده است.

2.2 ویژگی ها و علل ترک های پوشش

تشخیص ترک میکرو CT پراش اشعه ایکس در شکل 5 نشان داده شده است. شکل 6 نمای مقطعی SEM از پوشش است. در ترکیب با مشاهده عرض شکاف ترک های پوشش، ویژگی های ترک در سه پوشش را می توان خلاصه کرد. ترک‌ها در هر سه پوشش ظاهر می‌شوند، اما با قضاوت از تعداد ترک‌ها، طول کل و عرض شکاف ترک، طول ترک پوشش تهیه‌شده با روکش‌کاری تک لایه طولانی‌ترین در بین این سه پوشش است و دو ترک درشت وجود دارد که چند روکش را پوشانده است. لایه ها، بنابراین ترک خوردن جدی ترین است. پوشش های تهیه شده با روکش گرادیان و روکش دولایه فقط یک ترک دارند و عرض شکاف ترک مشابه و کوچکتر از ترک پوشش روکش تک لایه است، بنابراین درجه ترک خوردگی نسبتاً سبک است. علاوه بر این، ترک های متعدد در قسمت پایینی پوشش روکش تک لایه رخ داد و جدی ترین ترک از سطح مشترک بین پوشش و بستر تا سطح پوشش گسترش یافت. همچنین برخی ترک ها در سطح مشترک بین پوشش و زیرلایه وجود داشت. اگرچه پوشش‌های دارای لایه انتقالی و روکش دولایه نیز دارای ترک بودند، اما هیچ گونه ترک متقاطع در پوشش روکش تک لایه وجود نداشت. علاوه بر این، ترک هایی در بستر و سطح مشترک بین بستر و پوشش روکش دو لایه ظاهر شد. سطح جامع ترک خوردگی پوشش دولایه روکش روی سطح جدی تر از روکش شیب بود.

توزیع و وضعیت سرامیک در پوشش کامپوزیت تأثیر مهمی در ترک خوردگی پوشش دارد. به منظور مطالعه علل ترک در سه پوشش کامپوزیت، ویژگی های توزیع ذرات WC باقی مانده در سه پوشش مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است، ذرات سرامیکی WC به طور ناقص حل شده، یعنی ذرات WC باقیمانده، در هر سه پوشش وجود دارد. توزیع ذرات باقیمانده WC در پوشش دارای ویژگی ها و شباهت ها و تفاوت های مرتبط است. در شکل 6a، ذرات باقیمانده WC عمدتاً در قسمت میانی و پایینی پوشش روکشی تک لایه توزیع شده‌اند و هر چه به پایین‌تر نزدیک‌تر باشد، ذرات WC بیشتری وجود دارد. در شکل 6b، ذرات باقیمانده WC عمدتاً در وسط پوشش توزیع شده اند، یعنی قسمت بالایی لایه انتقال Ni50A و پایین لایه Ni50A/WC، و نزدیکتر به پایین Ni50A/WC. پوشش، ذرات WC بیشتر وجود دارد. در شکل 6c، ذرات باقیمانده WC عمدتاً در وسط و پایین پوشش متمرکز شده‌اند، یعنی پایین لایه دوم Ni50A/WC و پایین لایه اول Ni50A/WC، که در میان آنها لایه دوم دارای مقدار بیشتری است. ذرات WC و لایه اول کمتر است. اشکال توزیع ذرات باقیمانده WC سه پوشش متفاوت است، اما همه آنها ویژگی یکسانی دارند، یعنی ذرات باقیمانده WC در پایین لایه Ni50A/WC جمع می شوند. بنابراین، توزیع ذرات باقیمانده WC در سه پوشش به دلیل اثر انعقادی WC [4] است که در روکش‌های تک لایه، روکش گرادیان و روکش دو لایه آشکار می‌شود. با ترکیب ویژگی‌های ترک‌خوردگی سه پوشش با ویژگی‌های توزیع ذرات باقی‌مانده WC، نتایج نشان می‌دهد که ناحیه‌ای که ذرات باقی‌مانده WC در آن جمع می‌شوند با ناحیه‌ای که پوشش به شدت ترک می‌کند منطبق است. وضعیت انحلال و رسوب ذرات سرامیکی در حوضچه مذاب بر تعداد ذرات باقیمانده WC تأثیر می گذارد و تعداد ذرات WC باقی مانده بر ترک خوردگی پوشش تأثیر می گذارد. از طریق پردازش تصویر، ذرات WC باقیمانده در ناحیه پوشش تصاویر مقطع SEM سه پوشش با وضوح تصویر 1180×700 شناسایی شدند. تعداد ذرات باقیمانده WC در سه پوشش با توجه به نسبت مساحت ذرات باقیمانده WC در ناحیه وضوح منعکس شد. نتایج نشان داد که ذرات باقیمانده WC در پوشش روکشی تک لایه بیشترین نسبت سطح را داشتند که به 2.11 درصد رسید و پوشش های روکش دولایه و روکش گرادیان به ترتیب 1.42 درصد و 1.31 درصد بودند. در مقایسه با پوشش روکشی تک لایه، میزان ذرات باقیمانده WC 32.7٪ و 37.9٪ کاهش یافت. می‌توان مشاهده کرد که روکش دولایه و روکش گرادیانی می‌توانند به طور موثری محتوای ذرات WC باقیمانده را کاهش داده و انحلال ذرات سرامیکی را در حوضچه مذاب افزایش دهند.

علل ایجاد ترک در پوشش های سه نمونه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. روکش لیزری فرآیند گرمایش سریع و سرد شدن ناگهانی است، بنابراین پوشش به دلیل انقباض دارای تنش حرارتی پسماند زیادی خواهد بود که به صورت تنش کششی ظاهر می شود. افزودن ذرات سرامیکی WC باعث افزایش تفاوت در خواص فیزیکی مانند ضریب انبساط خطی و نقطه ذوب بین بستر و پوشش می شود که باعث افزایش بیشتر تنش حرارتی پسماند می شود، بنابراین پوشش حساسیت ترک خوردگی بالاتری دارد. از یک طرف، هر چه ذرات باقیمانده WC بیشتر باشد، بیشتر در همان ناحیه جمع می‌شوند و ذرات سخت سرامیکی باعث می‌شود که مشکل تمرکز تنش داخلی پوشش در این ناحیه جدی‌تر شود، بنابراین عیوب ترک پوشش جدی تر است. از طرف دیگر، هرچه ذرات باقیمانده WC به زیرلایه فولادی H13 نزدیکتر باشند، تفاوت در خواص ترموفیزیکی بین این دو نسبت به اجزای مبتنی بر نیکل پوشش بیشتر است، استرس حرارتی پسماند بیشتر و ترک خوردگی جدی‌تر است. از پوشش، و ترک های رابط نشان داده شده در شکل 6a ظاهر می شوند. از آنجایی که روکش دولایه و پودر روکش گرادیان انرژی بیشتری نسبت به روکش تک لایه جذب می کند، دمای حوض مذاب بالاتر و زمان وجود طولانی تر است و انحلال ذرات سرامیکی WC در حوضچه مذاب کامل تر است، بنابراین WC باقیمانده محتوای ذرات پوشش به طور موثر کاهش می یابد. علاوه بر این، اثر گذار لایه Ni50A درجه ترک را سبک تر می کند و ترک ها عمدتاً در لایه Ni50A/WC هستند. اگرچه روکش دولایه نیز انرژی بیشتری را نسبت به روکش تک لایه جذب می کند، به دلیل عدم وجود لایه انتقال، WC در اولین لایه Ni50A/WC در پایین پوشش رسوب می کند، که همچنین باعث می شود ذرات WC باقیمانده به H13 نزدیک شوند. بستر فولادی انرژی بالاتر همچنین باعث انتشار بیشتر عناصر W در ناحیه متاثر از گرما زیرلایه می شود و سختی و شکنندگی را افزایش می دهد و در نهایت باعث ایجاد ترک های رابط و ترک های ناحیه متاثر از گرما می شود.

2.3 تجزیه و تحلیل تحول سازمانی WC و تأثیر آن بر مکانیسم تولید ترک پوشش

در طول فرآیند روکش لیزری، ذرات WC ریخته‌گری شده در حوضچه مذاب با دمای بالا حل می‌شوند، به تدریج تبدیل به اتم‌های آزاد تنگستن (W) و کربن (C) در مایع فلزی با دمای بالا می‌شوند و در نهایت رسوب می‌کنند و ترکیبات پیچیده‌ای را تشکیل می‌دهند. . با توجه به زمان کوتاه وجود حوضچه مذاب، فرآیند انحلال WC به طور کامل کافی نیست، بنابراین ذرات WC باقی مانده همچنان در پوشش باقی می مانند. انحلال ذرات باقیمانده WC و تشکیل رسوب مرکب در شکل 7 نشان داده شده است. لبه ذره با پدیده ای حل شده باقی می ماند و بارش ترکیبی بیشتری در مرز و مجاورت آن ایجاد می شود.

مطالعات قبلی نشان داده اند که انحلال ذرات WC و رسوب ترکیبات پیچیده، تکامل ریزساختار WC را در حوضچه مذاب تعیین می کند [8]. شکل 8 بارش مرکب را در ناحیه 0.7 میلی متر دورتر از بستر داخل پوشش روکش تک لایه نشان می دهد، که نشان می دهد بارش ترکیبی بیشتری در منطقه ای که ذرات باقیمانده WC جمع شده اند نیز وجود دارد. ترکیب عنصری توسط EDS آنالیز شد و شکل 9 اسکن سطح EDS از توزیع عنصر رسوب ترکیب است. نتایج اسکن نشان می دهد که بارش ترکیبی عمدتاً در کروم و W غنی شده است که در میان آنها کروم آشکارتر است، در حالی که بارش ترکیبی عمدتاً در عناصر نیکل و آهن غنی شده است. به منظور آنالیز واضح تر توزیع عنصر ترکیب، اسکن نقطه EDS بر روی آن انجام می شود. شکل 10 اسکن نقطه EDS ناحیه بارش مرکب است. در شکل، اولین نقطه نمونه برداری بر روی بارش مرکب و دومین نقطه نمونه برداری در منطقه خارج از بارش انتخاب شده است. نتایج نشان می دهد که مقدار زیادی از عناصر کروم و W در بارش ترکیبی و مقدار زیادی از عناصر نیکل در خارج از بارش ترکیبی شناسایی می شوند. توزیع عناصر نشان می دهد که بارش ترکیبی عناصر سخت اصلی Cr و W پوشش را متمرکز می کند، در حالی که عناصر اصلی اجزای Ni و Fe پوشش در خارج از ترکیب غنی می شوند. بنابراین، ترکیبات پیچیده رسوب شده در پوشش به صورت رسوب ترکیب سخت وجود دارد.

پوشش با آنالیز فاز XRD تحلیل می شود و شکل 11 نمودار پیک XRD پوشش است. در شکل، سه قله مشخصه بسیار واضح به ترتیب در 44.28 درجه، 51.54 درجه و 75.64 درجه ظاهر می شود. نتایج نشان می‌دهد که پوشش کامپوزیت سرامیک فلزی Ni50A/WC عمدتاً از محلول جامد γ-Ni (Fe)، فاز سخت کروم و فاز سخت W تشکیل شده است. محلول جامد γ-Ni(Fe) اکثریت قریب به اتفاق پوشش را تشکیل می دهد، عمدتاً به عنوان فاز چقرمگی پوشش، به دنبال آن فاز سخت کروم و در نهایت فاز سخت W. کروم عمدتاً به شکل کاربیدهای Cr23C6 و Cr7C3 با مقدار کمی بورید CrB وجود دارد. عنصر کروم باعث تقویت محلول جامد فاز γ-Ni(Fe) می‌شود و محلول‌های جامد دیگر در محل اتصال لایه روکش و زیرلایه تولید می‌شوند که مقاومت دمای بالای نمونه تعمیر شده را بهبود می‌بخشد[15]. مطالعات قبلی نشان داده اند که کاربیدهای M23C6 بلورهای مکعبی پیچیده ای هستند که در آنها M می تواند کروم، آهن یا W باشد [16-18]. در عین حال تحقیقات وانگ و همکاران.[19] نشان می دهد که کاربیدهای M23C6 عمدتاً ساختارهای یوتکتیک هستند. در طول تکامل ساختار WC، پودر WC و Ni50A به روشی پیچیده واکنش نشان دادند، که در آن W عمدتاً به شکل کاربیدهای WC و W2C و مقدار کمی بورید W2B5 وجود داشت و یک مخلوط یوتکتیک می‌توانست بین آن‌ها تشکیل شود. WC و W2C، نشان می دهد که پس از تکامل ساختار، WC در نهایت به شکل مخلوط یوتکتیک فاز سخت W در ترکیبات رسوب داده شده وجود داشته است. بنابراین، ترکیب رسوب شده در پوشش در واقع یک ترکیب یوتکتیک است که از فازهای سخت کاربید کروم و W تشکیل شده است. ترکیب یوتکتیک دارای سختی بالایی است، اما چون فاز سخت متمرکز است، باعث جدا شدن پوشش و در نتیجه افزایش حساسیت به ترک می شود. جدول 4 مقایسه محتوای عنصر فاز سخت ترکیبات یوتکتیک در سه پوشش توسط EDS است. در مقایسه با روکش دولایه و روکش گرادیان و روکش تک لایه، محتوای W و Cr ترکیبات یوتکتیک کاهش می یابد و کسر جرمی عنصر W به ترتیب از 0.534 به 0.417 و 0.386 کاهش می یابد که باعث کاهش غلظت می شود. عناصر فاز سخت را کاهش می دهد و جداسازی ترکیب پوشش را کاهش می دهد. علاوه بر این، این تفکیک ترکیب به طور کلی در منطقه ای که ذرات WC باقی مانده در آن جمع می شوند رخ می دهد، زیرا ترکیبات یوتکتیک بیشتری در ناحیه ذرات باقیمانده WC تولید می شود، که منجر به جدی ترین ترک در ناحیه ای می شود که ذرات WC باقی مانده در آن جمع می شوند. هر سه پوشش

پس از اینکه ذرات WC تحت تکامل سازمانی انحلال قرار گرفتند، تعداد زیادی از ذرات WC باقی مانده هنوز باقی مانده است. شکل 12a نمودار ذرات WC باقیمانده از پوشش روکش تک لایه است. مشاهده می شود که ترک هایی در داخل ذرات باقیمانده WC در پوشش ظاهر می شود. پس از مشاهدات نمونه برداری متعدد، ترک خوردگی ذرات باقیمانده WC داخلی یک پدیده رایج است. این پدیده نشان می‌دهد که ذرات باقیمانده WC که به طور کامل حل نشده‌اند، به دلیل تفاوت زیاد در خواص ترموفیزیکی از پوشش آلیاژی مبتنی بر نیکل و فرآیند گرمایش و خنک‌کننده سریع لیزر، تنش‌های حرارتی پسماند زیادی در داخل خود ذرات دارند. روکش فلزی علاوه بر این، ذرات سخت WC باقیمانده نیز نقاط تمرکز تنش در پوشش هستند، بنابراین ترک ها به راحتی در داخل ذرات باقیمانده WC ظاهر می شوند. همانطور که در شکل 12b و شکل 12c نشان داده شده است، ذرات سخت با عیوب ترک نیز به راحتی به منابع ترک تبدیل می شوند و مسیرهایی را برای ترک در پوشش ایجاد می کنند و باعث می شوند که ترک در پوشش گسترش یابد و شدت ترک در پوشش تشدید شود.

تکامل سازمان WC نیز در ریزسختی پوشش منعکس شده است. شکل 13 توزیع ریزسختی سه پوشش را نشان می دهد. مشاهده می شود که روکش تک لایه دارای پیک ریزسختی در عمق حدود 1 میلی متر تا 1.5 میلی متر از سطح پوشش (مساحت لایه میانی و پایینی تک لایه Ni50A/WC)، حدود 1 میلی متر است. لایه دوم، یعنی پایین لایه Ni50A/WC) و حدود 2 میلی متر (مساحت سطح رابط بستر) از نمونه 2/3. ناحیه ای که پیک در آن قرار دارد، ناحیه ای که ذرات باقیمانده WC جمع می شوند، و ناحیه ای که ترک های پوشش جدی هستند، همگی سازگار هستند. این پدیده نشان می‌دهد که WC رسوب‌شده و محصولات تکاملی آن، سختی پوشش را در این ناحیه افزایش می‌دهند [4]. بنابراین، اثر انعقادی WC باعث می شود ذرات باقیمانده WC با توجه به اثر انعقادی در مناطق خاصی جمع شوند و ترکیبات یوتکتیک بیشتری از کاربیدهای فاز سخت W و Cr در این ناحیه رسوب کنند. ترکیبات یوتکتیک و ذرات باقیمانده WC باعث افزایش حساسیت به ترک پوشش و همچنین افزایش سختی پوشش در این ناحیه می شود.

نتیجه گیری 3

پوشش های کامپوزیتی Ni50A/WC با ضخامت یکسان با روکش لیزری تک لایه، روکش شیب لایه انتقالی Ni50A و روکش دو لایه تحت پارامترهای فرآیند لیزری یکسان تهیه شدند. مورفولوژی، سازمان، و ویژگی‌های ترک سه پوشش مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و تکامل سازمانی WC و تأثیر آن بر مکانیسم تولید ترک مورد بررسی قرار گرفت.

(1) به دلیل چگالی انرژی ناکافی، مورفولوژی سطح پوشش ناهموار بود و ترشوندگی در روکش های تک لایه نسبتا ضعیف بود. با این حال، به دلیل کاهش مقدار پودر تک لایه، روکش گرادیان و روکش دو لایه انرژی بیشتری تحت پارامترهای فرآیند لیزری یکسان به دست آوردند، بنابراین سطح پوشش صاف‌تر و صاف‌تر بود و ترشوندگی بهتری داشت.

(2) پوشش کامپوزیت تهیه شده با روکش تک لایه بیشترین ترک خوردگی را در بین این سه لایه داشت. خصوصیات ایجاد ترک پوشش عمدتاً تحت تأثیر تعداد و توزیع ذرات باقیمانده WC قرار گرفت. هر چه ذرات باقیمانده WC بیشتر باشد، منابع ترک بیشتری وجود دارد. هر چه توزیع متمرکز تر باشد، تمرکز تنش جدی تر است. توزیع ذرات باقیمانده WC در سه پوشش عمدتاً تجلی اثر انعقاد WC در روش‌های مختلف پوشش است. روکش دولایه و پودر روکش گرادیان انرژی بیشتری جذب می کنند، WC به طور کامل حل می شود، و نسبت سطح ذرات WC باقیمانده به ترتیب 32.7% و 37.9% در مقایسه با روکش تک لایه کاهش می یابد و مضرات توزیع متمرکز تک لایه است. روکش فلزی نیز بهبود یافته است.

(3) اجزای اصلی سه پوشش عبارتند از γ-Ni (Fe) محلول جامد، کروم و فاز سخت W. پس از حل شدن ذرات WC در حوضچه مذاب در طول فرآیند روکش، ترکیبات یوتکتیک که عمدتاً از کاربیدهای WC و W2C تشکیل شده اند رسوب می کنند. این ترکیبات یوتکتیک دارای سختی بالایی هستند و به راحتی با فاز کروم جمع می شوند تا رسوب فاز سخت را تشکیل دهند که به طور قابل توجهی سختی پوشش را بهبود می بخشد. حداکثر سختی پوشش به 850 HV می رسد، اما باعث جدا شدن اجزا، بهبود سختی و شکنندگی پوشش و افزایش حساسیت به ترک خوردگی پوشش می شود. محتوای عنصر W و محتوای کروم ترکیبات یوتکتیک در پوشش های روکش دولایه و روکش گرادیان کاهش می یابد و کسر جرمی عنصر W به ترتیب از 0.534 به 0.417 و 0.386 کاهش می یابد که باعث کاهش غلظت فاز سخت می شود. عناصر تشکیل دهنده و کاهش تفکیک اجزای پوشش.