氬弧熔覆技術(shù)制備TiC—TiB2復(fù)合陶瓷涂層力學(xué)性能的研究

冷菊　李曉晨　魏賀　程漢池

摘 要：采用以鎢極為電極的氬弧熔覆技術(shù)，將鈦鐵粉、B4C粉為主要原料的合金粉末預(yù)置在鋼基體表面熔覆，進(jìn)而得到原位合成的TiC-TiB2復(fù)合陶瓷涂層。采用正交試驗(yàn)優(yōu)化氬弧熔覆工藝參數(shù)，通過布氏硬度儀、洛氏硬度儀檢測耐磨涂層的硬度，使用磨損試驗(yàn)機(jī)測試涂層的耐磨性。結(jié)果表明，TIG焊的最佳工藝參數(shù)為：電流強(qiáng)度145 A，氬氣流量6 L/min，焊接速度120 mm/min；熔覆涂層表面及熔合線硬度明顯高于基體，加入Cr、Ni等合金粉末，將提高復(fù)合材料熔覆涂層表面及熔合線附近區(qū)域的硬度；基體內(nèi)并不含有硬質(zhì)相以抵抗磨粒磨損，氬弧熔覆技術(shù)制備的陶瓷涂層能顯著提高材料的耐磨性[1-4]。

關(guān)鍵詞：氬弧熔覆；TiC-TiB2；陶瓷涂層；硬度

1 引言

金屬的磨損與失效是零部件損壞的主要原因，其一般的損壞部分多集中在零件表面，因此對于金屬表面的防護(hù)及修復(fù)成為提高產(chǎn)品使用效率、降低能源材料消耗的關(guān)鍵問題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國每年因材料更換所引起的費(fèi)用高達(dá)數(shù)千億美元，其中以大中型零部件為主。采用表面熔覆涂層不僅對金屬表面進(jìn)行了有效的防護(hù)，更增強(qiáng)了復(fù)合材料的硬度以及耐磨性，是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保、性能可靠的防護(hù)技術(shù)[5]。

目前，針對零部件表面的耐磨改性主要采用噴涂，等離子熔覆或激光熔覆等，它們都能在很大程度上對金屬基體進(jìn)行有效防護(hù)，但成本過高，不適合于工業(yè)生產(chǎn)[6]。而采用氬弧熔覆技術(shù)的方法，應(yīng)用的設(shè)備簡單，操作方便，易于控制，在普通的金屬基表面熔覆一層或多層穩(wěn)定的復(fù)合涂層，不僅增強(qiáng)了金屬表面的性能，更有效降低了成本。熔覆過程中，陶瓷相的加入一般有兩種途徑，一是陶瓷相的直接加入，二是在金屬基體上原位合成陶瓷相。采用第二種原位合成的方法避免了直接加入而引起的裂紋、脫落等缺陷，得到的復(fù)合材料界面潔凈、力學(xué)性能穩(wěn)定，與金屬基體結(jié)合良好。本文研究的目的在于通過氬弧熔覆技術(shù)將涂覆于金屬基體表面的合金粉末熔化，在基體表面原位合成Fe基TiC-TiB2復(fù)合陶瓷相涂層，進(jìn)而探討復(fù)合涂層的力學(xué)性能。

2 制備TiC-TiB2復(fù)合涂層工藝探究

2.1原位自生合成技術(shù)

原位自生合成技術(shù)應(yīng)用于氬弧熔覆焊接之前，它是近年來發(fā)展起來的一種方法，一經(jīng)應(yīng)用便廣受關(guān)注。通過金屬表面顆粒的影響進(jìn)而增強(qiáng)復(fù)合材料的方法主要有兩種：一種是通過外加顆粒，另一種即為原位自生合成。通過外加的方法雖然使增強(qiáng)體與基體之間的自由度增大，但由于外加增強(qiáng)體在理化性質(zhì)上存在一定的不相容性，使得工藝變得復(fù)雜，成本也相應(yīng)增加。而原位反應(yīng)合成因其第二相與金屬基體能夠有理想的原位匹配，且界面無雜質(zhì)對復(fù)合材料污染，所以能顯著提高材料的熱力學(xué)穩(wěn)定性，改善材料界面的結(jié)合狀態(tài)。同時原位合成相對非原位合成能夠有效簡化工藝，降低操作難度，進(jìn)而使得工藝成本顯著下降[7]。

本文采取原位自生合成的方法，將所需的兩種固態(tài)粉末與粉末狀基體按照一定比例進(jìn)行混合，操作過程中需將混合粉末進(jìn)行充分壓實(shí)，干燥去氣，為生成增強(qiáng)體顆粒，需將干燥去氣后的壓坯塊置于溫度高于基體熔點(diǎn)的環(huán)境下快速加熱，使得在熔體介質(zhì)中的兩種混合粉末發(fā)生放熱反應(yīng)，然后通過二次成型即擠壓成型得到待焊接試樣。

原位合成具有一系列能使復(fù)合材料具有良好性能的優(yōu)點(diǎn)，它能避免第二相不均勻分散的問題，同時能夠解決外加顆粒方法中未能避免的界面結(jié)合不牢、理化性質(zhì)不相容等問題[8-9]。

2.2 氬弧熔覆技術(shù)

2.2.1氬弧熔覆技術(shù)的基本原理

氬弧熔覆是利用電弧電離加熱所產(chǎn)生的熱量將涂覆于金屬表面的合金粉末熔化，以使得合金粉末涂層與金屬基體呈牢固的冶金結(jié)合的技術(shù)。氬弧熔覆技術(shù)所用電極為鈰—鎢極，其原理與采用金屬鎢做電極的原理相同，采用純度為99.99%的工業(yè)氬氣作為保護(hù)氣，有效地保護(hù)了電極、熔覆區(qū)域以及金屬基體，減少了有益成份的燒損以及在很大程度上避免了空氣對熔覆過程中金屬的有害影響[10]。其原理示意圖如圖1所示。

2.2.2鎢極氬弧焊工藝

鎢極氬弧焊（又稱TIG焊），是在利用氬氣作為保護(hù)氣的條件下，以鎢或其合金作電極對母材及復(fù)合材料進(jìn)行電弧加熱，以使其熔化焊接的技術(shù)，其間充填材可選擇添加或不添加[11]。

焊接過程需要在一定熱量下進(jìn)行，鎢極氬弧焊利用氣體介質(zhì)電離所產(chǎn)生的電弧熱對材料進(jìn)行熔化，此過程中陰極壓降低，其在放電過程中，電流密度較大，因此加熱速度較其他方法快，同時在局部發(fā)生融化后又以一定的速度冷卻[11]。電弧可分為三個區(qū)域，即電弧各自與電源正負(fù)兩極相連所對應(yīng)的陽極區(qū)、陰極區(qū)以及陰陽兩極間的弧柱區(qū)。熱量的傳遞過程則包含輻射，對流以及熱傳遞三種，熱源與焊件之間的傳遞為輻射與對流，而母材受熱后的熱量傳播則為熱傳遞。

焊接時熔化的母材與焊接金屬組成的具有一定形狀的液體金屬稱之為熔池，它的形狀，尺寸等參數(shù)對于熔池中的合金相以及冶金反應(yīng)等有著重要的影響，同時熔覆過程中的缺陷均與熔池的形成有著不可分割的聯(lián)系。熔池產(chǎn)生主要有過渡期、準(zhǔn)穩(wěn)定期及之后的穩(wěn)定階段。熔池形成初期稱為過渡期，之后進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)定期，這期間熔池的形狀、尺寸等均不再變化[12]。其準(zhǔn)穩(wěn)定期形狀如圖2所示。

2.2.3 氬弧熔覆制備工藝的特點(diǎn)

氬弧熔覆技術(shù)是一種性能優(yōu)良，可有效保護(hù)熔覆過程的耐磨涂層制備工藝，其由于良好的應(yīng)用性，在工業(yè)中的得到了很大程度的推廣。其優(yōu)點(diǎn)主要有：在整個熔覆過程采用氬氣進(jìn)行保護(hù)，有效降低了燒損和氧化現(xiàn)象的發(fā)生；利用氬弧進(jìn)行加熱能有效利用熱能，其熱量集中，能加熱大部分材料，雖溫度不及激光束，但性能足以滿足工業(yè)需求；成本較低，設(shè)備廉價且易于操作，工程中應(yīng)用較廣；熔覆過程可采用手工焊接，操作靈活，可在復(fù)雜環(huán)境條件下進(jìn)行野外作業(yè)[13]。

在實(shí)際操作過程中，氬弧熔覆也存在如下不足：采用手工焊接過程中，如在野外進(jìn)行操作，其受作業(yè)環(huán)境影響較大，氬弧熔覆易受氣流影響，因此對于易蒸發(fā)或低熔點(diǎn)的金屬焊接難度較大。采用鎢極作為保護(hù)電極時，其可負(fù)載的電流能力有限，致使焊接的速度以及焊縫的深度受到功率的影響，其結(jié)果是焊接速度較低且焊縫的熔深較淺。但正是由于這一特點(diǎn)，此工藝適宜制備陶瓷耐磨涂層。

2.3研究內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1研究內(nèi)容

（1）熔覆涂層的工藝設(shè)計(jì)及成分配比

1）以鈦鐵粉、B4C粉為原料，通過計(jì)算設(shè)計(jì)出初步配比方案，對試驗(yàn)原料的配比進(jìn)行分組，并分別進(jìn)行均勻混合。

2）試驗(yàn)過程中，采用正交實(shí)驗(yàn)法以確定最佳的焊接參數(shù)，如氬氣流量、焊接速度以及熔覆電流等，進(jìn)而制備出符合實(shí)驗(yàn)要求的耐磨涂層。

（2）熔覆涂層的性能測定與對比分析

1）用布氏硬度計(jì)和洛氏硬度計(jì)分別對金屬基體及耐磨涂層進(jìn)行硬度測定，對比分析熔覆工藝對金屬硬度的改善以及實(shí)驗(yàn)因素、參數(shù)對硬度的影響。

2）通過上述試驗(yàn)測定進(jìn)而研究硬度等因素對復(fù)合材料耐磨性能的影響。

2.3.2實(shí)驗(yàn)方法

首先，利用電子天平對原始粉末進(jìn)行稱量，其精度為0.001 g，配比粉末的總質(zhì)量為10 g，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，粉末材料過濕會使材料中存在間隙，進(jìn)而在熔覆過程中產(chǎn)生氣孔缺陷。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0.8 mm或1.2 mm，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1 mm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12 h，然后放置在干燥箱中100℃烘干2 h，使預(yù)敷材料獲得較高的強(qiáng)度，以抵抗熔覆時氬氣流的沖擊。

然后采用手持型鎢極氬弧焊機(jī)作為氬弧熔覆設(shè)備，并選用直徑為2.5 mm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)手動開關(guān)控制，同時及時對高頻高壓進(jìn)行控制，以保證起弧的順利完成。

3 熔覆涂層力學(xué)性能的探究

3.1 熔覆涂層硬度測試

硬度是反映材料強(qiáng)度、韌性等性能的主要標(biāo)準(zhǔn)，是檢測綜合性能的重要指標(biāo)之一?；w采用布氏硬度計(jì)測試，試驗(yàn)力14710 F/N，平均直徑4.15，硬度測試結(jié)果如表1所示。

熔覆涂層表面采用洛氏硬度計(jì)進(jìn)行測試，結(jié)果如表2所示。

試樣斷面熔合線采用洛氏硬度計(jì)進(jìn)行測試，結(jié)果如表3所示。

合金粉末中加入5%的Cr、Ni粉末，熔覆涂層表面洛氏硬度及斷面熔合線硬度分別如表4、5所示。

試驗(yàn)過程中，通過檢測顯示，采用熔覆電流為140 A，氬氣流速為6 L/min所得到的試件硬度最佳，其顯著高于基體的硬度。

3.2 熔覆涂層耐磨性

試驗(yàn)中所用基體材料主要由鐵素體及少量珠光體組成，其在磨粒磨損試驗(yàn)中失重較大，以此證明基體材料內(nèi)并不含有硬質(zhì)相以抵抗磨粒磨損。熔覆電流對復(fù)合材料的耐磨性也有著重要影響，當(dāng)電流為120～160 A時，其耐磨層性能較好，電流為140 A時，耐磨性能最佳[14]。

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)生的熱量作熔覆熱源，在Q235鋼基體上原位自生TiC-TiB2復(fù)合陶瓷涂層，利用布氏硬度儀、洛氏硬度儀以及耐磨試驗(yàn)機(jī)等對涂層的力學(xué)性能進(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覆技術(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，實(shí)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)合陶瓷涂層[15-16]；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。氬弧熔覆的最佳工藝參數(shù)為：金屬基體上預(yù)置的粉末涂層厚度為0.8～1.2 mm，熔覆電流145A～155 A，氬氣流量選擇為5.5～6 L/min，焊接速度為120 mm/min，電壓則控制在20～22 V。

（2）預(yù)敷鈦鐵粉及B4C混合粉末時，測得的熔覆涂層表面及熔合線硬度明顯高于基體，加入Cr、Ni等合金粉末，將提高復(fù)合材料熔覆涂層表面及熔合線附近區(qū)域的硬度[17]；合適的電流大小及熔覆速度有益于得到硬度較高的復(fù)合材料，當(dāng)熔覆電流為160 A時，隨著電流的降低以及熔覆速度的提高，熔覆層的硬度逐漸增大，電流140 A時最佳。

（3）Q235鋼基體內(nèi)并不含有硬質(zhì)相以抵抗磨粒磨損，氬弧熔覆技術(shù)制備的陶瓷涂層能顯著提高材料的耐磨性[18]。

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