TIG堆焊合成TiC-TiB復(fù)合涂層工藝及微觀組織的研究

冷 菊，魏 賀，李曉晨，蘇仁杰，程漢池

(1.東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110819；2.佳木斯大學(xué)，黑龍江 佳木斯 154007)

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TIG堆焊合成TiC-TiB復(fù)合涂層工藝及微觀組織的研究

冷 菊1，魏 賀1，李曉晨1，蘇仁杰1，程漢池2

(1.東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110819；2.佳木斯大學(xué)，黑龍江 佳木斯 154007)

將以鈦鐵粉、B4C粉為主要原料的合金粉末預(yù)置在Q235鋼表面熔敷，采用氬弧熔敷技術(shù)原位合成Fe基TiC-TiB2復(fù)合涂層。采用正交試驗(yàn)優(yōu)化氬弧熔敷工藝參數(shù)，金相顯微鏡分析Fe基TiC-TiB2熔敷層的顯微組織，X射線衍射儀(XRD)檢測熔敷層的物相[1-3]。結(jié)果表明，TIG焊的最佳工藝參數(shù)為:電流強(qiáng)度140A，氬氣流量6L/min，焊接速度120mm/min；熔敷層組織由α-Fe、TiC和TiB2組成，涂層表面潔凈，未發(fā)現(xiàn)裂紋及氣孔等缺陷，與金屬基體呈冶金結(jié)合[4-6]。

TIG焊；TiC-TiB2；復(fù)合涂層；微觀組織

1 概 述

磨損、斷裂、腐蝕是材料3種主要的失效形式。磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失在機(jī)械與冶金工業(yè)中是十分巨大的，因此，研究耐磨金屬材料的制備工藝及顯微組織對增強(qiáng)金屬材料性能以及延長機(jī)械零件的使用壽命起著十分重要的作用。在金屬表面制備出能與基體進(jìn)行有效結(jié)合的耐磨涂層，是一種解決磨損的有效方法。該方法采用較為先進(jìn)的表面強(qiáng)化技術(shù)，使基體與熔敷材料呈冶金結(jié)合，達(dá)到良好的耐磨損效果。制備耐磨涂層的方法充分利用了現(xiàn)有的資源條件，熔敷材料的厚度僅為金屬基體的百分之一或數(shù)百分之一，極大滿足了人們對節(jié)約能源的要求，緩解了日益緊張的環(huán)境問題，為工業(yè)金屬材料循環(huán)經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展提供了方向[7-8]。

本試驗(yàn)的研究目的在于通過TIG焊技術(shù)將涂覆于金屬基體表面的合金粉末熔化，進(jìn)而在基體表面原位合成Fe基TiC-TiB2復(fù)合涂層，進(jìn)而使涂層對金屬表面進(jìn)行有效地防護(hù)。在此基礎(chǔ)上分析顯微組織，得出相關(guān)機(jī)理，同時(shí)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)[9]。

2 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

2.1.1 基體材料

本試驗(yàn)采用工業(yè)生產(chǎn)中常見的Q235鋼為基體材料，先將100mm×80mm×10mm的整塊鋼板均勻切割成尺寸為50mm×30mm×10mm的4塊基體材料，然后用砂輪機(jī)和砂紙對其進(jìn)行打磨，去除表面的氧化皮及鐵銹，使基體棱角平整，表面有光澤，最后再用酒精進(jìn)行清洗[10]。基體材料化學(xué)成分如表1所示，Q235鋼顯微組織及X射線衍射分析圖譜如圖1所示。

表1 Q235鋼的化學(xué)成分(wt%)

圖1 Q235鋼顯微組織及X射線衍射分析圖譜

2.1.2 預(yù)敷材料

預(yù)敷材料選用鈦鐵粉、B4C粉以及參與對比試驗(yàn)的Cr粉和Ni粉。粉末原料的規(guī)格有很多，本試驗(yàn)選用平均粒度為30μm的鈦鐵粉，w(Ti)=40%；B4C粉的純度為95%，平均粒度為80μm[11]。按照粉末原料所需用量進(jìn)行計(jì)算，然后用電子天平進(jìn)行精確稱量，合金粉末按照配比倒入研缽中研磨均勻[12-15]。合金粉末作為試驗(yàn)過程中的預(yù)敷材料，對試驗(yàn)結(jié)果有著十分重要的影響，因此在粉末選擇時(shí)要遵循如下原則：

(1)為了獲得平整光滑的熔敷層，合金粉末的熔點(diǎn)不宜過高，過高的熔點(diǎn)不易控制熔敷層的稀釋率，且熔點(diǎn)過高還會(huì)導(dǎo)致液體流動(dòng)性較差。因此，為了得到質(zhì)量較高的熔敷層，粉末熔點(diǎn)應(yīng)加以控制。

(2)合金粉末應(yīng)具有一定的使用性能，如耐腐蝕、耐高溫、耐磨、抗氧化等性能。

(3)合金粉末應(yīng)具有良好的潤濕性，良好的潤濕性有利于熔敷過程中液體的流動(dòng)，進(jìn)而影響熔敷層的質(zhì)量[16]。

(4)合金粉末選擇過程中，應(yīng)注意與工作材料的差異。合金粉末與工作材料的導(dǎo)熱性能及熱膨脹系數(shù)等越接近，熔敷層中的殘余應(yīng)力就越小。

(5)由于預(yù)敷材料在整個(gè)試驗(yàn)過程中均需要壓實(shí)去氣，因此需要合金粉末具有一定的隔氣、除氣性能，且應(yīng)造渣良好。合金粉末在干燥、熔化過程中不可避免地會(huì)融入一定的氧氣，進(jìn)而受到氧化作用，因此要求粉末應(yīng)具有良好的脫氧能力，且脫氧產(chǎn)物的比重和熔點(diǎn)要小，這樣氧化產(chǎn)物在熔敷過程中才會(huì)在金屬表面形成保護(hù)層，起到避免氣孔、夾渣缺陷的作用[17-18]。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 熔敷材料制備方法

首先，利用電子天平對原始粉末進(jìn)行稱量，其精度為0.001g,配比粉末的總質(zhì)量為10g,然后將粉末置于研缽中進(jìn)行混合，研磨均勻。取適量合金粉末于培養(yǎng)皿中，用膠頭滴管滴取少量水玻璃作粘結(jié)劑，并用玻璃棒攪拌均勻。攪拌過程中，應(yīng)特別注意粉末的干濕性，因?yàn)轭A(yù)敷在基體上的粉末材料過干，則會(huì)使其不易涂刷，導(dǎo)致結(jié)合不牢固而在干燥過程中脫落；粉末材料過濕，會(huì)使材料中存在間隙，進(jìn)而在熔敷過程中產(chǎn)生氣孔缺陷[19]。

獲得干濕性良好的粉末后，直接將其敷在基體表面上，兩側(cè)用潔凈的鋼鋸條控制預(yù)敷材料的厚度為0.8mm或1.2mm，厚度不宜過厚或過薄，否則將影響焊接效果。然后用經(jīng)酒精擦洗的玻璃板壓實(shí)去氣，使預(yù)敷材料表面平整潔凈。鋼板兩端要留出1mm以上的空隙，以方便引弧操作。將制備好的試樣放在通風(fēng)無水的環(huán)境中自然干燥12h，然后放置在干燥箱中100℃烘干2h,使預(yù)敷材料獲得較高的強(qiáng)度，以抵抗熔敷時(shí)氬氣流的沖擊[20]。預(yù)敷材料如圖2所示。

圖2 預(yù)敷材料

試驗(yàn)采用手持型鎢極氬弧焊機(jī)作為氬弧熔敷設(shè)備，并選用直徑為2.5mm的鎢極，適用于手弧焊接。操作過程中注意對電流、氬氣流速的調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)開關(guān)控制，同時(shí)及時(shí)對高頻高壓進(jìn)行控制，以保證起弧的順利完成。該裝置具有一系列優(yōu)點(diǎn)，相比其他焊接設(shè)備，其具有體積小、重量輕、低能耗、易于操作的特點(diǎn)，對于手持焊槍操作極為有利[21-22]。

2.2.2 熔敷層微觀組織分析方法

氬弧熔敷操作后，將獲得的試件表面進(jìn)行簡單打磨，使其光亮整潔，然后用切割機(jī)將試件進(jìn)行切割，小試樣經(jīng)砂輪機(jī)粗磨打平，得到滿足要求的金相試樣。

(1)金相顯微分析：將20mm×10mm×10mm的試樣依次用240#、400#、600#、800#、1000#、1500#和2000#的砂紙細(xì)磨，然后將試樣送至拋光機(jī)拋光至明亮無劃痕，清洗后用濃度為4%的硝酸進(jìn)行腐蝕，試樣表面變暗后立即用酒精沖洗并用吹風(fēng)機(jī)吹干，最后采用光學(xué)顯微鏡對金相微觀組織及形貌進(jìn)行觀察、分析[23]。

(2)XRD分析：將試件切割成尺寸為6mm×6mm×10mm試樣，用砂紙將表面磨平，得到平整的表面后用酒精進(jìn)行清洗，采用X 射線衍射儀對其進(jìn)行成分分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 熔敷層微觀結(jié)構(gòu)分析

采用TIG弧粉末堆焊技術(shù)在Q235鋼基體表面熔敷預(yù)敷的合金粉末，使合金粉末熔化并與基體結(jié)合，熔池內(nèi)除含有所要求的有益元素外，還含有少量C、Si、Mn、S、P等元素以及其它雜質(zhì)元素。熔敷過程中，工藝參數(shù)的改變對熔敷層及熔池中的元素有著顯著的影響，按照有益元素含量的由高到低，將會(huì)有3種組織形態(tài)出現(xiàn)，分別是過共晶、共晶和亞共晶。熔敷層內(nèi)主要包括熔敷區(qū)、過渡區(qū)及熱影響區(qū)3個(gè)區(qū)域[24-26]。

3.1.1 熔敷區(qū)微觀組織分析

熔敷層上部區(qū)域?yàn)槿鄯髤^(qū)，在熔敷區(qū)增強(qiáng)相顆粒數(shù)目較多，且分布均勻，相比熔敷層下部尺寸大，大多集中在5-10μm。熔體中顆粒的彌散性決定顆粒的分布，還取決于在凝固過程中顆粒推進(jìn)時(shí)與固液界面的相互作用，同時(shí)顆粒間的相互影響也對顆粒的分布產(chǎn)生一定的作用[27]。彌散性以及顆粒間的相互作用對顆粒的分布有著重要的作用，其影響在宏觀，而顆粒推進(jìn)過程與界面的作用則影響在微觀，這對涂層的性能有著十分重要的影響。熔敷區(qū)顯微組織如圖3所示。

(2)500×圖3 熔敷區(qū)顯微組織

如圖所示，TiB2呈棒狀，TiC呈不規(guī)則多邊形。TiB2的密度為4.52g/cm3, TiC密度為4.93 g/cm3，而金屬基體溶液的密度遠(yuǎn)大于兩者，因此顆粒由于熔池的攪拌及氣體的影響因素等會(huì)上浮并聚集，所以相比熔敷層底部，熔敷區(qū)的顆粒較多[28]。

3.1.2 過渡區(qū)微觀組織分析

在熔敷區(qū)與熱影響區(qū)之間的區(qū)域稱為過渡區(qū)。當(dāng)熔敷區(qū)為亞共晶時(shí)，過渡區(qū)并不明顯，過渡區(qū)僅當(dāng)熔敷區(qū)的組織為共晶和過共晶時(shí)才會(huì)明顯出現(xiàn)，厚度大約為0.1mm-0.3mm[29]。過渡區(qū)顯微組織如圖4所示。

(1)200×

(2)500×圖4 過渡區(qū)顯微組織

如圖所示，熔敷區(qū)與熱影響區(qū)之間存在一個(gè)0.2mm左右的過渡區(qū)域，熔池較為明顯。過渡區(qū)的產(chǎn)生主要是由熔池中TiC、TiB2等濃度決定的，它處于基體與熔敷區(qū)之間，靠近基體金屬，受基體金屬影響[29]。自金屬表面至熔合線，基體金屬的含量逐漸遞增，而B、Ti等元素遞減，表面處含量較高，因此產(chǎn)生了過渡區(qū)。

熔敷區(qū)組織為共晶和過共晶時(shí)，兩者對應(yīng)的過渡區(qū)微觀組織略有不同。當(dāng)熔敷區(qū)為共晶時(shí)，過渡區(qū)的B含量會(huì)低于熔敷區(qū)，因此，此時(shí)只包含一個(gè)亞共晶帶區(qū)域[30]。

3.1.3 熱影響區(qū)微觀組織分析

熱影響區(qū)是由于基體受到不均勻的熱處理而導(dǎo)致的，接近熔合線附近的基體不均勻受熱后其溫度較高，而遠(yuǎn)離熔合線的基體溫度較低，且溫度高處冷卻速度快，因此導(dǎo)致了熱影響區(qū)的組織與性能的不均勻性[30]。低碳鋼的熱影響區(qū)的特點(diǎn)如圖5所示。

圖5 低碳鋼的熱影響區(qū)特點(diǎn)示意圖

試驗(yàn)所用基體為Q235鋼，含碳量介于w(C)=0.14%～0.22%，屬于低碳鋼中具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的多相合金，熱影響區(qū)顯微組織如圖6所示。

(1)200×

(2)500×圖6 熱影響區(qū)顯微組織

3.2 熔敷層組織的物相分析

試驗(yàn)過程中，w(Ti)=40%，因此在配比上Fe的含量為40%，Ti與B4C的比例為3∶1，制得的熔敷涂層進(jìn)行X射線衍射分析，結(jié)果表明，衍射圖上主要出現(xiàn)了峰值高度不同的4種峰，為α-Fe、TiC、TiB2以及(Fe，Cr)7C3的衍射峰，由此證明主要由α-Fe、TiC和TiB2相組成了復(fù)合涂層，且衍射圖中并未出現(xiàn)Ti和B4C，證明Ti與B4C完全反應(yīng)。熔敷層XRD分析如圖7所示。

圖7 熔敷層XRD分析

4 結(jié) 論

采用工業(yè)上常見的鈦鐵粉以及B4C粉末為主要原料進(jìn)行預(yù)敷，以鎢極氬弧焊產(chǎn)生的熱量作熔敷熱源，在Q235鋼基體上原位自生Fe基TiC-TiB2復(fù)合涂層，利用金相顯微鏡及X射線衍射儀等對涂層的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，得到的結(jié)論如下：

(1)采用以鎢極為電極的氬弧熔敷技術(shù)對Q235鋼基體和其表面的預(yù)敷材料進(jìn)行加熱，所供給的熱量足以滿足熱源要求，試驗(yàn)成功制備出與Q235基體呈現(xiàn)出良好冶金結(jié)合的TiC-TiB2復(fù)合涂層。試驗(yàn)過程中的電弧電流和焊接速度對預(yù)敷材料的熔化有較大影響。過小的電流極易導(dǎo)致預(yù)敷材料熔化不均勻或與基體難以結(jié)合，而過大的電流更易導(dǎo)致有益合金粉末的燒損。焊接速度的控制對于獲得良好宏觀形貌至關(guān)重要，速度過快易導(dǎo)致粉末熔化后向兩側(cè)偏聚，中心則因凝固不均出現(xiàn)偏析，而速度過慢將可能導(dǎo)致熔化的粉末表面出現(xiàn)氣孔，產(chǎn)生缺陷，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致合金粉末的燒損。因此，氬弧熔敷的最佳工藝參數(shù)為：金屬基體上預(yù)置的粉末涂層厚度為1.0～1.2mm，熔敷電流140A～150A，氬氣流量選擇為6L/min，焊接速度為120mm/min，電壓則控制在20～22V[31-32]。

(2)熔敷涂層經(jīng)XRD物相分析顯示，其組織主要由α-Fe、TiC和TiB2組成。

(3)TiC 和 TiB2在金相顯微鏡下呈現(xiàn)出不同的形狀，TiC呈花瓣?duì)罨虬嗣骟w狀，為面心立方結(jié)構(gòu)，而TiB2呈棒狀，為密排六方結(jié)構(gòu)。

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Study on Process and Microstructure of TiC-TiB2Composite Coating Prepared by TIG Welding

Leng Ju1, Wei He1, Li Xiaochen1, Su Renjie1, Cheng Hanchi2

(1.Northeastern University, Shenyang 110819, Liaoning, China;2.Jiamusi University, Jiamusi 154007, Heilongjiang, China)

TiC-TiB2reinforced Fe-based coating has been in-situ synthesized by TIG melting alloy powder containing ferrotitanium powder, B4C powder replaced in the Q235 steel surface. During the experiment using orthogonal test to optimize technical parameters of argon arc cladding technology, microstructure of the cladding coating will be tested by XRD. The results show that the optimum parameters for the TIG welding are 140A current intensity, 6L/min argon gas flow rate and 120mm/min welding speed; the cladding coating is composed of α-Fe, TiC and TiB2. The coating surface is clean and the coating has a metallurgical bonding between the substrate.

tungsten inert gas welding; TiC-TiB2; composite coating; microstructure

2016-07-31

冷 菊(1992-)，男，東北大學(xué)碩士生，研究方向：冶金新材料。

TG442

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.012