超聲波功率對(duì)氬弧熔覆-噴射Ti(C,N)增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層組織和性能的影響

張 寧，董蔚霞，張春紅，孫 涵

（1.徐州工程學(xué)院 江蘇省大型工程裝備檢測(cè)與控制重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221018；2.徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，江蘇徐州221006）

超聲波功率對(duì)氬弧熔覆-噴射Ti(C,N)增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層組織和性能的影響

張 寧1，董蔚霞1，張春紅2，孫 涵1

（1.徐州工程學(xué)院 江蘇省大型工程裝備檢測(cè)與控制重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221018；2.徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，江蘇徐州221006）

以新型的超聲波輔助氬弧熔覆-注射技術(shù)為基礎(chǔ)，在Q235鋼板上制備Ti（C、N）增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料耐磨涂層。分析超聲波振動(dòng)功率對(duì)熔覆層的組織結(jié)構(gòu)、物相成分、增強(qiáng)相和耐磨性的影響，研究結(jié)果表明：采用此新工藝制備的復(fù)合涂層，顆粒與熔體的潤(rùn)濕性得到改善，促進(jìn)原位反應(yīng)，增強(qiáng)相彌散分布，氣體易于逸出。隨著超聲波功率的增大，基體和熔覆層之間連接更為緊密，界面兩端合金元素?cái)U(kuò)散充分，結(jié)合牢固。熔覆層主要由Ti（C、N）、TiC、FeNi3、Cr4Ni15W和Fe2Si相組成。隨著超聲波功率的增大，熔覆層中增強(qiáng)相逐漸析出，數(shù)量增多，尺寸細(xì)化，分布更加均勻，團(tuán)聚現(xiàn)象逐步消失，耐磨性提高。

氬弧熔覆-噴射；超聲波；Ti（C、N）；耐磨性

0 前言

每年由磨損所導(dǎo)致的零部件失效占相當(dāng)大的比例，世界上的摩擦損失消耗了一次性能源1/3～1/2的能量，而在我國(guó)由此造成的經(jīng)濟(jì)損失也占了國(guó)內(nèi)GDP的2%～8%[1]。中國(guó)機(jī)械工業(yè)每年在生產(chǎn)使用過(guò)程中要消耗一半零部件用鋼，其主要原因也是由于磨損造成各類(lèi)零部件不能繼續(xù)使用，喪失了服役價(jià)值。相對(duì)于改變零部件整體的耐磨性，在零部件工作磨損表面制備一層耐磨材料，是一種更為便捷、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的方法。

熔化-注射技術(shù)是一種新興的表面強(qiáng)化技術(shù)，該技術(shù)不同于熔覆、合金化、堆焊等技術(shù)，是向熔池中直接注入增強(qiáng)顆粒，顆粒預(yù)先沒(méi)有經(jīng)受高溫，這樣可以最大限度地減緩陶瓷顆粒的分解。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)分別衍生出了氬弧熔化、等離子熔化、激光熔化與注射相結(jié)合的各項(xiàng)新技術(shù)，雖然采用不同的熱源，但其遵循相圖的基本原理。趙敏海[2]等人利用等離子熔化-注射技術(shù)制備了表層WC顆粒增強(qiáng)涂層，涂層非常均勻致密，極大地提高了表面耐磨性能。

超聲波在液體中會(huì)產(chǎn)生超聲空化現(xiàn)象，閆久春[3]開(kāi)發(fā)了一種適合于復(fù)雜構(gòu)件在敞開(kāi)環(huán)境下進(jìn)行可靠連接的超聲波振動(dòng)輔助釬焊技術(shù)。結(jié)合熔化-注射技術(shù)的特點(diǎn)，另從超聲波輔助釬焊得到啟發(fā)，本研究提出了一種新型的超聲波輔助氬弧熔覆-噴射方法，并設(shè)計(jì)制作了整套實(shí)驗(yàn)裝置。在工件表面涂覆均勻的合金粉末，在氬弧熔覆的同時(shí)噴射增強(qiáng)顆粒，并輔以超聲波振動(dòng)。氬弧的高熱源可以熔化噴射進(jìn)熔池的顆粒，同時(shí)利用超聲波振動(dòng)產(chǎn)生的空化和聲流效應(yīng)，改善顆粒與熔體的潤(rùn)濕性，促進(jìn)原位反應(yīng)的發(fā)生，增強(qiáng)顆粒在熔體中的分散度，提高熔池中氣體的逸出，制備結(jié)合牢固、抗磨損、耐腐蝕、性能優(yōu)良的陶瓷顆粒增強(qiáng)表層復(fù)合材料。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

金屬陶瓷復(fù)合材料不僅有陶瓷的高耐磨性、高硬度特點(diǎn)，而且也具有基體金屬的高延展性和韌性特點(diǎn)。Ti（C，N）是由TiC和TiN連續(xù)固溶而形成的單一化合物，屬立方晶系、面心立方點(diǎn)陣[4]。Ti（C、N）基金屬陶瓷與WC基硬質(zhì)合金比，具有密度低、硬度高、對(duì)鋼的摩擦系數(shù)小、切削時(shí)抗黏結(jié)磨損和抗擴(kuò)散磨損和紅硬性好的優(yōu)點(diǎn)。與TiC基金屬陶瓷相比，Ti（C、N）有更高的熱硬度，更大的橫向斷裂強(qiáng)度，更好的抗氧化能力和更高的熱導(dǎo)率[5]。Ti（C，N）硬質(zhì)相具有更小的粒度，因而高溫抗蠕變能力更強(qiáng)。本實(shí)驗(yàn)選用Q235鋼板作為基體材料，尺寸100mm×50 mm× 10mm。熔覆粉末選用Ni60A粉（60～90 μm），噴射粉末為混合的TiC粉（75～150μm）、TiN粉（10～25μm）、WC粉（40～50 μm）和Co粉（60～90 μm），成分配比為T(mén)iC∶TiN∶WC∶Co=10∶10∶2∶1。利用高溫時(shí)的原位反應(yīng)生成Ti（C、N）增強(qiáng)相，制備鎳基復(fù)合材料耐磨涂層。

1.2 試驗(yàn)方法

Q235鋼板預(yù)先用砂紙打磨除銹，丙酮和無(wú)水乙醇清洗除油，防止熔覆時(shí)合金粉末形成熔滴，不能和鋼板表面完全結(jié)合，造成部分界面分離，降低涂層結(jié)合力。涂覆材料選用Ni60A自熔性合金粉末，和粘結(jié)劑水玻璃一起在研缽中研磨混合均勻，再放入自制模具里于小型壓力機(jī)下壓制成型，厚1.2mm，然后涂覆在Q235鋼板上。接著將試件自然風(fēng)干24h，使預(yù)置涂層中的水分充分揮發(fā)，然后放入烘干箱，先加熱至70℃預(yù)熱1 h，再加熱到150℃保溫烘干2h，使涂覆層整體徹底烘干。最后使用創(chuàng)新的超聲波輔助氬弧熔覆-噴射技術(shù)制備Ti（C、N）增強(qiáng)鎳基耐磨復(fù)合涂層，實(shí)驗(yàn)示意如圖1所示。

圖1 超聲波輔助氬弧熔覆-噴射過(guò)程示意

熔覆工藝：在大氣環(huán)境下，取出加熱烘干至150℃的試樣，在鋼板上表面距離熔覆區(qū)域40 cm處壓上超聲波振動(dòng)頭，施加的壓力為0.5 MPa，使鋼板發(fā)生超聲振動(dòng)，振動(dòng)頻率為20 kHz。超聲波振動(dòng)的功率越大，振幅就越強(qiáng)，超聲效果就越明顯，實(shí)驗(yàn)所用ZJS-2000M(L)型分檔調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器最高功率1000W，超聲波振動(dòng)功率如表1所示。其他參數(shù)：焊接電流為130 A，氬氣流量為12 L/min，熔覆速度為30 mm/min，噴射速度35 ml/h，保護(hù)氣體為99.99%純度的氬氣。熔覆完成后，移開(kāi)超聲波工具頭，待焊接自然冷卻。

表1 實(shí)驗(yàn)方案

采用線切割截取熔覆試樣斷面，制成金相試樣，拋光后使用4%的硝酸酒精腐蝕基體Q235鋼，使用濃度20%的硝酸加氫氟酸酒精溶液（HF∶HNO3=1∶3）腐蝕熔覆層。在FEI Inspect S50掃描電子顯微鏡上觀察熔覆層的顯微組織，采用OXFORDX-act/INCA150能譜儀測(cè)定熔覆層中增強(qiáng)相的成分，BRUKER D8 ADVANCE型X射線衍射儀分析熔覆表層的物相，并用SFT-2M型銷(xiāo)盤(pán)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)量基體和熔覆層的磨損體積。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 超聲功率對(duì)復(fù)合涂層顯微組織的影響

圖2為采用不同超聲波振動(dòng)功率熔覆-噴射的各試樣熔覆層分界面的顯微組織。從圖2a～圖2d，超聲波功率從0～800 W依次增大，圖2a不施加超聲波振動(dòng)，基體和熔覆層之間熔合處有些區(qū)域不是很緊密，界面兩端的合金元素沒(méi)有很好地相互擴(kuò)散，而施加超聲波振動(dòng)后，特別是隨著超聲波功率的增大，焊縫熔合處出現(xiàn)明顯的白亮條帶，說(shuō)明界面兩端合金元素?cái)U(kuò)散充分，形成犬牙加錯(cuò)的形貌，表現(xiàn)出良好的冶金結(jié)合。未超聲輔助時(shí)，基體過(guò)熱區(qū)組織較為粗大，出現(xiàn)大量魏氏體組織，而超聲輔助后組織明顯細(xì)化。由圖2還可知，隨著超聲功率的增大，熔覆層靠近熔合區(qū)部位逐漸出現(xiàn)大量的黑色短棒狀、白色多邊形塊狀和長(zhǎng)條形、針狀的各類(lèi)增強(qiáng)相，且更為均勻彌散分布，這說(shuō)明施加超聲波振動(dòng)時(shí)，高能超聲在熔池中傳播而產(chǎn)生的聲空化和聲流等次級(jí)效應(yīng)，改變了母材Q235鋼板與涂覆層之間的表面能，加強(qiáng)了界面兩端元素的溶解擴(kuò)散，改善了顆粒與熔體的潤(rùn)濕性，促進(jìn)了原位反應(yīng)的發(fā)生，促使生成了金屬化合物析出相，同時(shí)也加速了氣體的逸出，減弱了顆粒的團(tuán)聚作用，此工藝制備的熔覆層界面結(jié)合良好，沒(méi)有明顯的氣孔、裂紋和未焊透等缺陷[6]。

圖2 各試樣熔覆層分界面的顯微組織

2.2 超聲功率對(duì)復(fù)合涂層物相成分的影響

4#試樣（超聲功率800W）熔覆層表層的X射線衍射圖譜如圖3所示。熔覆層的組成相主要為T(mén)i（C、N）、TiC、FeNi3、Cr4Ni15W和Fe2Si相。超聲波輔助氬弧熔覆-噴射時(shí)，涂覆的Ni60A粉和噴射的TiC、TiN、WC和Co混合粉在高溫熔池和超聲振動(dòng)作用下，原位反應(yīng)生成了Ti（C、N）/Ni60A復(fù)合層。層中的增強(qiáng)相主要為T(mén)i（C、N）和部分TiC，基體為FeNi3固溶體。

圖3 4#試樣熔覆層表層的X射線衍射圖譜

圖4為4#試樣熔覆層表層不同區(qū)域的EDS點(diǎn)分析，圖中注明能譜微區(qū)分析的位置A、B、C為增強(qiáng)相顆粒，D為基體。增強(qiáng)相A為黑色四邊形小塊體，主要含有C、N、Ti三種元素，并固溶少量的Cr、Fe、Ni元素，結(jié)合圖3X射線衍射圖譜分析，增強(qiáng)相A即為T(mén)i（C、N）相；增強(qiáng)相B為較大塊的四邊形，主要由C、Ti、Cr三種元素組成，并固溶少量的Fe、Ni、W元素；增強(qiáng)相C為針狀，主要由Cr、Fe、Ni三種元素組成，并固溶少量的C、Si、Ti元素；D區(qū)域?yàn)榛w，主要由Fe、Ni二種元素組成，并固溶少量的C、Si、Ti、Cr元素。由圖4可知，增強(qiáng)顆粒相中主要富集了C、N、Ti、Cr、W等元素，而基體內(nèi)主要富集了Fe、Ni元素，兩類(lèi)元素的分布大致呈現(xiàn)出互補(bǔ)性。

2.3 超聲功率對(duì)復(fù)合涂層增強(qiáng)相的影響

圖5為各試樣熔覆層表層的SEM電子背散射圖。由圖5可知，隨著超聲波功率的增大，熔覆層中增強(qiáng)相顆粒的尺寸、形狀、數(shù)量和分布特征都發(fā)生很大變化，這直接導(dǎo)致熔覆層各項(xiàng)性能的改變。如圖5a所示，未經(jīng)超聲波振動(dòng)時(shí)，析出相分布凌亂不均勻，多為長(zhǎng)條狀，有部分黑色點(diǎn)狀物分布在基體中，且出現(xiàn)大塊團(tuán)聚現(xiàn)象。圖5b超聲波功率200 W時(shí)，大塊析出相明顯減少，團(tuán)聚現(xiàn)象開(kāi)始減弱，有部分Ti（C、N）增強(qiáng)相生成。而圖5c超聲波功率550 W時(shí)，增強(qiáng)相更明顯細(xì)化，短柱狀、四邊形、五邊形、針狀相數(shù)量顯著增加，呈彌散均勻分布。當(dāng)超聲波功率增大至800 W時(shí)，由圖5d可知，各類(lèi)增強(qiáng)相在高能超聲波的聲空化和聲流作用下，組織分布進(jìn)一步改善，更為細(xì)小且均勻分布，未出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，將大幅提升熔覆層的整體性能。

圖4 4#試樣熔覆層表層不同區(qū)域的EDS點(diǎn)分析

圖5 各試樣熔覆層表層的SEM照片

圖6為4#試樣熔覆層截面不同區(qū)域的SEM照片，可明顯看出熔覆層由熔覆區(qū)、結(jié)合區(qū)和基體三個(gè)區(qū)域組成。其中圖6a為熔覆層低倍組織，圖6b、圖6c、圖6d分別為圖6a中熔覆層從頂部到底部的A、B、C區(qū)域的微區(qū)高倍組織。由圖6b可知，熔覆層頂部彌散分布了大量增強(qiáng)相顆粒，非常多的小點(diǎn)狀和短棒狀的Ti（C、N）相均勻析出。分析認(rèn)為，在熔覆凝固時(shí)，增強(qiáng)相顆粒比基體金屬密度小，在超聲波振動(dòng)、高溫熔池?cái)嚢枰约爸亓怏w吹力等作用下，顆粒易于上浮，并分散均勻[7]。還因?yàn)闅寤∪鄹簿哂邢♂屪饔茫噍^于熔覆層中部和底部，頂部的稀釋率較小，且冷卻速度快，所以底部的增強(qiáng)相顆粒明顯增多，且分布均勻。如圖6c所示，熔覆層中部Ti（C、N）相開(kāi)始減少，而四邊形和五邊形的含C、Ti、Cr、W元素的復(fù)合碳化物逐漸增多，部分增強(qiáng)相周?chē)植贾W(wǎng)狀物。如圖6d所示，熔覆層底部Ti（C、N）增強(qiáng)相很少，沒(méi)有出現(xiàn)四邊形和五邊形的復(fù)合碳化物，大量分布著長(zhǎng)片狀和針狀的含C、Cr、Fe、 Ni元素的復(fù)式碳化物，這將造成底部增強(qiáng)效果減弱，強(qiáng)硬度降低，塑韌性增大，在界面結(jié)合處有一定的緩沖性，符合耐磨材料表層強(qiáng)度、硬度高，芯部韌性好的使用要求，這說(shuō)明采用此超聲波輔助氬弧熔覆-噴射技術(shù)取得了良好的效果。

2.4 超聲功率對(duì)復(fù)合涂層耐磨性的影響

采用銷(xiāo)盤(pán)式的摩擦磨損方式測(cè)量材料的耐磨性，通過(guò)傳感器檢測(cè)表面輪廓計(jì)算出磨損體積，GCr15鋼球與測(cè)試試樣之間形成干滑動(dòng)磨損。將四種試樣線切割成20 mm×20 mm×11 mm的塊狀試樣，磨損面分別為基體和熔覆層。摩擦測(cè)量參數(shù)為鋼球直徑5 mm，加載載荷100 N，轉(zhuǎn)速500 r/min，旋轉(zhuǎn)半徑4 mm，磨損時(shí)間20 min。

基體Q235鋼和四種試樣熔覆層的磨損體積對(duì)比如圖7所示。由圖7可知，在相同的磨損實(shí)驗(yàn)條件下，基體Q235鋼的磨損量很大，而熔覆層的磨損量小得多，且隨著超聲振動(dòng)功率的增大，熔覆層的磨損量逐漸降低，即耐磨性逐步提高，1#～4#試樣熔覆層的耐磨性分別是基體的9.8倍、11.4倍、13.1倍和14.3倍。這是由于熔覆-噴射時(shí)在超聲波的聲空化和聲流作用下，噴射粉末進(jìn)入熔池后便迅速散開(kāi)，不會(huì)發(fā)生團(tuán)簇，且顆粒與熔體的潤(rùn)濕性得到提高，有利于原位生成Ti（C、N）等硬質(zhì)增強(qiáng)相，顆粒細(xì)小并均勻分布。在磨損發(fā)生時(shí)，Q235鋼是基體直接和GCr15鋼球?qū)δッ娼佑|，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)一直是同等的鋼基體發(fā)生摩擦，變化不大。而熔覆層在摩擦磨損過(guò)程中，首先是基體接觸發(fā)生磨損，隨著較軟的鋼基體被磨損掉，基體中彌散分布的Ti（C、N）等增強(qiáng)相暴露出來(lái)，與對(duì)磨面發(fā)生接觸，由于Ti（C、N）等顆粒硬度很高，對(duì)基體起保護(hù)作用，降低了磨損量，極大地提高了熔覆層的耐磨性[8]。

圖6 4#試樣熔覆層不同區(qū)域的SEM照片

由上述可知，4#試樣經(jīng)過(guò)800 W功率的輔助超聲作用，組織改善最為明顯，整體性能大幅提高，因此4#試樣熔覆層的耐磨性最好。這從圖7中1#和4#試樣熔覆層的磨痕形貌也可看出，1#試樣熔覆層的磨痕寬度為968 μm，有部分犁溝和片狀磨屑脫落的痕跡；而4#試樣熔覆層的磨痕寬度僅為709 μm，只存在較少的犁溝和撕裂痕跡，試樣的磨損形式主要是磨屑充當(dāng)?shù)谌w引起的磨粒磨損，表現(xiàn)出良好的耐干滑動(dòng)磨損性能。

圖7 各試樣磨損量

3 結(jié)論

（1）通過(guò)采用一種新型的超聲波輔助氬弧熔覆-噴射方法，在Q235鋼板上制備Ti（C、N）增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料耐磨涂層，利用超聲波振動(dòng)產(chǎn)生的空化和聲流效應(yīng)，改善顆粒與熔體的潤(rùn)濕性，促進(jìn)原位反應(yīng)的發(fā)生，增強(qiáng)顆粒在熔體中的分散度，促進(jìn)熔池中氣體的逸出，制備的顆粒增強(qiáng)表層復(fù)合材料結(jié)合牢固、抗磨損、耐腐蝕且性能優(yōu)良。

（2）施加超聲波振動(dòng)后，隨著超聲波功率的增大，基體和熔覆層之間熔合處連接更為緊密，沒(méi)有縫隙和孔洞，界面兩端合金元素?cái)U(kuò)散充分，出現(xiàn)明顯的白亮條帶，表現(xiàn)出良好的冶金結(jié)合。熔覆層主要由Ti（C，N）、TiC、FeNi3、Cr4Ni15W和Fe2Si相組成。增強(qiáng)顆粒相中主要富集了C、N、Ti、Cr、W等元素，而基體內(nèi)主要富集了Fe、Ni元素，兩類(lèi)元素的分布大致呈現(xiàn)出互補(bǔ)性。

（3）隨著超聲波功率的增大，熔覆層中增強(qiáng)相逐漸析出，數(shù)量增多，尺寸細(xì)化，分布更加均勻，團(tuán)聚現(xiàn)象逐步消失。熔覆層頂部彌散分布了大量增強(qiáng)相顆粒，中部Ti（C，N）相開(kāi)始減少，而四邊形和五邊形的含C、Ti、Cr、W元素的復(fù)合碳化物逐漸增多，而底部Ti（C，N）增強(qiáng)相很少，大量分布著長(zhǎng)片狀和針狀的含C、Cr、Fe、Ni元素的復(fù)式碳化物。

（4）經(jīng)超聲波輔助氬弧熔覆-噴射后，復(fù)合涂層的耐磨性得到極大極高，1#～4#試樣熔覆層的耐磨性分別是基體的9.8倍、11.4倍、13.1倍和14.3倍。熔敷層中原位生成的大量Ti（C、N）增強(qiáng)相硬顆粒，使涂層具有很高的粘著磨損抗力和磨料磨損抗力。

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Effect of ultrasonic power on the microstructure and properties of Ti(C、N)particle reinforced nickel base composite coating by argon-arc cladding injection

ZHANG Ning1，DONG Weixia1，ZHANG Chunhong2，SUN Han1
（1.Jiangsu Key Laboratory of Large Engineering Equipment Detection and Control，Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou 221018，China；2.Department of Mechanical Engineering，Xuzhou Bioengineering Technical College，Xuzhou 221006，China）

This experiment base on the new ultrasonic-assisted argon-arc cladding injection technology，and Q235 steel plate is strengthened with Ti(C、N)particle reinforced nickel base composite material wear-resistant coating.The influence of ultrasonic vibration power on the microstructure，phase composition，reinforced phase and wear resistance of the cladding layer is analyzed.The results show that the wettability between the particles and melt is improved，the reaction in-situ is promoted，the reinforced phase disperses and the gas escapes easily by the new process.As the ultrasonic power increases，the connection between the substrate and cladding layer is more closed，the alloy elements on both ends of the interface diffuse fully and unite tightly.The cladding layer is mainly composed of Ti(C、N)，TiC，F(xiàn)eNi3，Cr4Ni15W and Fe2Si phases.As ultrasonic power enhances，the reinforced phases precipitate gradually in cladding layer and the number increases，the size refines.The distribution of the reinforced phases is more uniform，and the reunion phenomenon gradually disappears so that the wear resistance improves.

argon-arc clad spray；ultrasonic；Ti(C、N)；wear resistance

TG446

：A

1001-2303（2015）09-0096-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.21

2015-02-13

國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（51401177）；江蘇省大型工程裝備檢測(cè)與控制重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（JSKLEDC201308）；江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201411998054Y）；徐州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（KC14SM100）；2014年江蘇省高校“青藍(lán)工程”項(xiàng)目資助

張 寧（1980—），男，江蘇徐州人，講師，博士，主要從事材料焊接和金屬基復(fù)合材料的研究工作。