激光熔覆后试样金相的制备与显微观察

1.前言金属的性能取决于它的成分和微观组织，其中微观组织对金属性能的影响最为直接，因此我们可以通过对金属微观组织的观察和分析（即金相分析技术）来预测和判断金属的性能，并分析其失效破坏的原因。2.激光熔覆简介激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。从当前激光熔覆的应用情况来看，其主要应用于三个方面：一，对材料的表面改性，如燃汽轮机叶片，轧辊，齿轮等；二，对产品的表面修复，如转子，模具等。三，快速原型制造。利用金属粉末的逐层烧结叠加，快速制造出模型。有关资料表明，对关键部件表面通过激光熔覆超耐磨抗蚀合金，可以在零部件表面不变形的情况下大大提高零部件的使用寿命；对模具表面进行激光熔覆处理，不仅提高模具强度，还可以降低制造成本，缩短制造周期。3.金相分析简介金相分析技术是根据有关的标准和规定来评定金属材料内在质量的一种常规检验方法，并可用来判断零件生产工艺是否完善，有助于寻求零件产生缺陷的原因，因此它是涉及金属材料生产、使用和科研中一种必不可少的手段。进行金相分析，首先应根据各种检验标准和规定制备试样（即金相试样），若金相试样制备不当，则可能出现假象，从而得出错误的结论，因此金相试样的制备十分重要。通常，金相试样的制备步骤主要有：取样、镶嵌、标识、磨光、抛光、浸蚀，但并非每个金相试样的制备都必须经历上述步骤，如果试样形状、大小合适，便于握和磨制，则不必进行镶嵌；如果仅仅检验金属材料中的非金属夹杂物或铸铁中的石墨，就不必进行浸蚀。总之，应根据检验的目的来确定制样步骤。4.实训过程4.1金相试样制备4.1.1取样取样是金相试样制备的第一道工序，若取样不当，则达不到检验目的。因此，取样的部位、数量、磨抛光面方向等应严格按照相应的标准规定执行。（1）取样部位和磨面方向的选择取样部位必须与检验目的和要求相一致，使所切取的试样具有代表性。必要时应在检验报告单中绘图说明取样部位、数量和磨抛光面方向。一般纵断面主要用于：1）检验非金属夹杂物的数量、大小和形状；2）检验晶粒的变形程度；3）检验钢材的带状组织，以及通过热处理对带状组织的消除程度。横断面主要用于：1）检验从表面到中心金相组织变化情况；2）检验表层各种缺陷，如氧化、脱碳、过烧、折叠等；3）检验表面热处理结果，如表面淬火的淬硬层，化学热处理的渗碳层、氮化层、碳氮共渗层以及表面镀铬、镀铜层等；4）检验非金属夹杂物在整个断面上的分布；5）测定晶粒度等。由于激光熔覆是将熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描熔化，待快速凝固后在表面形成稀释度极低，与基体成冶金结合的涂层，为了能有效观察熔覆效果，所以最主要是检验从表面到中心金相组织的变化情况。本次试验也是为了观察激光熔覆后的熔覆层的情况，如熔覆的厚度、熔覆层与基底的粘合度等。所以在取样时主要是横断面取样，也需要一些纵断面的取样来观察熔覆层的组织是否均匀。（2）取样方法金相试样一般为φ12×12mm的圆柱体或12×12×12mm的立方体。若太小则操作不方便，若太大则磨制面过大，增长磨制时间且不易磨平。非检验表面缺陷、渗层、镀层的试样，应将棱边倒圆，防止在磨制中划破砂纸和抛光织物，反之，检验表层组织的试样，严禁倒角并应保证磨面平整。4.1.2镶嵌当金相检验的材料为丝、带、片、管等尺寸过小或形状不规则的试样，由于不便握持，可采用镶嵌的方法，得到尺寸适当，外形规则的试样。当检验试样的表层组织时，为防止在磨制中产生倒角，也可采用镶嵌。常用的镶嵌方法有机械夹持法、和冷镶嵌法等。进行本次试样磨制的主要目的就是观察从表面到中心金相组织的变化情况，所以必须要进行镶嵌以防止产生倒角，故采用热镶嵌法，图1为镶嵌好的试样。图1镶嵌好的试样镶嵌时主要是要把握好镶嵌的温度和时间，同时应该把观察面选好以及摆正位置，否则就会出现镶嵌不工整，出现裂纹等缺陷，严重到会影响后期试样磨光的话，就只能砸开重新镶嵌。4.1.3磨光与抛光金相试样经过切取、镶嵌后，还需进行磨光、抛光等工序，才能获得表面平整光滑的磨面。磨光可以分为粗磨和细磨。每一道工序，都与上一道工序成90°方向，直到看不到上道工序的划痕为止，要注意的是：每换一种砂纸应尽量让此次的磨痕方向与上一次的方向成90°的角，这样可以节省时间，也能更快发现在上一张砂纸上磨的时候时候留下大划痕，有大划痕的话就必须重新用上一号砂纸磨光，直到消除大划痕为止。抛光可以分为机械抛光和电解抛光。机械抛光适用于大部分钢种，但是由于机械抛光有机械力的作用，不可避免会产生金属变形层，使金属扰乱层加厚，出现伪组织，如图2所示。而电解抛光是利用电解方法，以试样表面作为阳极，逐渐使凹凸不平的磨面溶解成光滑平整的表面。图2抛光一般来说选择进行过镶嵌工序的试样，就不用考虑以上所述的因机械抛光而引起的缺陷，此次试样的磨制与抛光也都是采用机械操作的方式进行。4.2金相组织观察4.2.1金相显微组织的显示抛光后的试样表面如图3所示，较为平整光亮、无痕的镜面，置于金相显微镜下观察时，除能见到非金属夹杂物、孔洞、裂纹、石墨和铅青铜中的铅质点以及极硬相在抛光时形成的浮凸外，仅能看到光亮一片，看不到显微组织，必须采用适当的显示方法（即侵蚀），才能显示出组织。图3未腐蚀时的试样表面（×100）金相显微组织的侵蚀方法很多，可分为化学侵蚀、电解侵蚀和其他侵蚀等。其中化学侵蚀法具有显示全面、操作便捷、经济便宜、重现性好等优点，故在生产以及科研中广泛应用。在此次实训中，从抛光工序下来之后的试样，经过腐蚀液腐蚀1~2秒后，用无水酒精擦拭，再风干，才可进行下一步的组织观察。4.2.2金相显微组织的观察此次组织观察采用的金相显微镜型号为XJP-6A，在已经调好分辨率的金相显微镜下放上试样，通过先粗调再微调进行观察，如图4所示。可以观察到界面存在一定厚度的平面晶，粘结金属呈现快速定性凝固特征。涂层与基体之间达到良好的冶金结合。熔化区表层组织细小并呈枝晶生长特征,熔化区中部组织粗大,结合面组织细小,且枝晶向表面生长。激光烧结属于液相烧结,液相较多且保持了良好的流动性,充分润湿了固相和填充烧结系统的孔隙,形成了致密的烧结实体。由于激光的快熔融和凝固的特点,形成较大温度梯度,有利于枝晶的形成及生长,并且枝晶的生长方向沿着过冷度的方向,垂直于扫描方向有规律地生长。但由于激光作用的各个区域受热时间与过冷度不同,所以最终以枝状晶与胞状晶共存。图4熔凝区形貌除此外还观察到熔覆层的中熔化区的微裂纹形貌。其形成的主要原因是在激光快速熔覆的过程中,由于较高的温度梯度以及熔覆颗粒与基材的物理性能差异,在材料中容易产生拉应力,而在冷却的过程中,拉应力释放,从而形成微裂纹。5.实验小结此次创新实验课程对我们即将步入大四的学生来说意义重大。通过此次课程20um(b))的学习，使我们对激光熔覆技术有了一个基本个概念。在实验的实训过程中，通过金相磨制强化了我们的金相制样技能，对于一些基本的磨光方法和一些特殊技巧都有了一定程度的掌握，这对于今后的一些相关实验起到了重大的铺垫作用。除此外，通过对试样的金相组织观察，从直观的角度进一步了解到了各种金相组织的形貌，也对这些组织一些基本的形成机理有了非常客观的了解，很好的做到了课本知识与实践相结合，这对于今后毕设实验中的实验设计和组织识别都有非常大的帮助。具体总结得出我们在课程过程中学会到了以下四个方面内容：1、了解了试样的镶嵌，知道了镶嵌试样对温度和时间的要求；2、能够熟练的进行机械磨光和抛光，并达到金相观察要求；3、学会了对金相显微镜的使用，并能够初步的通过金相照片分析实验结果；4、知道了一种新的表面处理方法——激光熔覆技术。