堆焊電流對鎳基合金等離子堆焊層組織及性能的影響

(1.沈陽鼓風機集團核電泵業(yè)有限公司，沈陽 110869；2.沈陽工業(yè)大學 材料科學與工程學院，沈陽 110870)

0 序 言

粉末等離子堆焊是以等離子弧為熱源，使合金粉熔覆于基材表面上的一種堆焊方法，該方法焊接的產(chǎn)品具有強度高、耐腐蝕和耐磨損等優(yōu)點，能顯著提高產(chǎn)品的使用壽命[1-3]；等離子堆焊還可以修復已磨損報廢的零部件，實現(xiàn)變廢為寶的再生利用，因此，在冶金、建材、能源、電力等行業(yè)制造和維修方面具有很大的應用潛力[4-7]。

傳統(tǒng)的核電用Z2CN18-10奧氏體不銹鋼采用鈷基合金堆焊來進行表面強化，堆焊層具有較高的耐磨性及耐蝕性[8-9]，但在服役過程中堆焊層中的鈷元素會發(fā)生轉(zhuǎn)變產(chǎn)生放射線，因此尋求無鈷合金作為強化材料勢在必行[10]。鎳基堆焊合金具有優(yōu)良的力學性能，且熔點低，固液相溫度區(qū)間寬，對多種基體都有很強的潤濕能力，還具有較好的耐磨性、耐腐蝕性和優(yōu)異的高溫性能[11-15]，為核電無鈷堆焊表面強化提供了一種可能。由于等離子堆焊工藝可控參數(shù)較多，其中堆焊電流是重要的參數(shù)之一，因此文中主要研究堆焊電流對鎳基合金堆焊層的組織結(jié)構(gòu)、顯微硬度和耐磨性的影響規(guī)律，并對其作用機理進行分析和討論。

1 材料與方法

堆焊用基體材料為Z2CN18-10奧氏體不銹鋼，試樣尺寸為100 mm × 30 mm × 15 mm，堆焊材料為Ni-Cr-B-Si自熔性合金粉末，粉末的粒度為57～150 μm，其化學成分見表1。Z2CN18-10基體材料采用320號金相砂紙打磨光滑以去除氧化皮等雜質(zhì)，而后用丙酮清洗待加工表面去除油污后備用。將合金粉末置于180 ℃的干燥箱中干燥2 h。采用PTA-200A型移動式粉末等離子噴焊機進行堆焊試驗，堆焊工藝參數(shù)見表2。焊前無預熱，焊后空冷。

表1 Z2CN18-10不銹鋼及Ni基合金粉末化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表2 等離子堆焊工藝參數(shù)

堆焊后的樣品用線切割機沿垂直于焊道方向切取10 mm × 10 mm × 5 mm的試樣進行截面鑲嵌，經(jīng)打磨、拋光制成金相樣品，用于后續(xù)的顯微硬度測試及金相組織成分分析。采用HVS-1000型顯微硬度計對樣品截面縱向進行顯微硬度測試，載荷200 g，加載時間10 s，由堆焊層頂端開始，每隔300 μm測試一個點。采用金相顯微鏡及S-3400N型掃描電子顯微鏡觀察堆焊層組織形貌并進行成分分析。利用D/Max-2500PC型X射線衍射儀對等離子堆焊層的相組成進行分析。采用MMU-5G材料端面摩擦磨損試驗機對鎳基合金等離子堆焊層進行摩擦磨損性能測試，采用銷-盤接觸的方式測試鎳基合金對焊層的耐磨性能，上摩擦副銷試樣分別為鎳基合金堆焊層和基材Z2CN18-10鋼，尺寸為φ4 mm × 15 mm；下摩擦盤為基材Z2CN18-10奧氏體不銹鋼，尺寸為φ42 mm × 5 mm；磨損時間為t=15 min，轉(zhuǎn)速為ω=10 m/min，法向載荷為F=150 N。磨損前后分別采用精確度為±0.1 g電子天平稱量銷的重量，計算失重量及相對耐磨性。相對耐磨性的計算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 鎳基合金堆焊層的宏觀形貌及顯微組織

圖1為3種不同堆焊電流的鎳基合金堆焊層宏觀形貌。從圖中可以看出，隨著堆焊電流的增加，堆焊層高度不斷降低，而寬度隨之增加。這是因為堆焊電流增加，相應地等離子弧柱的能量增大，合金粉末吸收的能量越多，熔化越充分，熔融的金屬液鋪展的范圍越廣。堆焊層內(nèi)部均勻、致密，成形性良好，僅當電流為130 A時出現(xiàn)了少量氣孔。

圖2為鎳基合金堆焊層的X射線衍射圖譜。分析可知，鎳基合金堆焊層中除了含有基體相γ-Ni，還含有FeNi3,Cr23C6,Cr7C3和CrB等析出相，這些相的析出對于提高堆焊層的硬度及耐磨性起著積極的作用。主要的析出相包括圖3a中的團簇狀組織A、灰色的魚骨狀組織B、圖3b中深灰色的塊狀組織C以及圖3c中的水草狀組織D。圖3為不同堆焊電流的鎳基合金堆焊層中部顯微組織。當堆焊電流為110 A時，如圖3a所示，堆焊層內(nèi)部γ-Ni基體中彌散分布著細密的團簇花瓣狀組織及條狀、塊狀和魚骨狀組織。隨著堆焊電流增加到120 A，如圖3b所示，團簇花瓣狀組織變得疏松且分散，同時出現(xiàn)了很多形狀不規(guī)則的深灰色大塊狀組織。當堆焊電流增加到130 A時，如圖3c所示，堆焊層中沒有觀察到團簇花瓣狀組織和不規(guī)則大塊晶，而是分布著水草狀組織和細長的條狀組織。

圖1 不同堆焊電流條件下鎳基合金堆焊層的宏觀形貌

圖2 鎳基合金堆焊層X射線衍射圖譜

圖3 不同堆焊電流的鎳基合金堆焊層中部顯微組織

圖4為鎳基合金堆焊層不同組織的成分分析譜圖。從檢測結(jié)果中可以看出，圖3a中團簇花瓣狀組織的A點處富集了大量的Cr元素，還含有不同程度的B,C等元素，結(jié)合XRD分析結(jié)果可知，團簇花瓣狀組織主要為鉻的碳化物和硼化物組成的共晶化合物。Chen等人[16]認為魚骨狀組織和團簇花瓣組織都是γ-(Ni，F(xiàn)e)/Cr7C3共晶體，而Kesavan等人[17]認為魚骨狀組織為γ-(Ni，F(xiàn)e)/Cr7C3共晶體，團簇花瓣組織都是Cr/Cr7C3共晶體。在文中圖3a中的魚骨狀組織B點同時富集了Cr元素和C元素，而B元素非常少，結(jié)合XRD分析結(jié)果，該組織主要為Cr的碳化物Cr23C6,Cr7C3等硬質(zhì)相。圖3b中不規(guī)則塊狀組織(C區(qū)域)的能譜分析結(jié)果顯示該區(qū)域富含B,Cr兩種元素，進而可以推斷該組織為CrB，但其組織比較粗大。當堆焊電流達到130 A時，由于注入堆焊層中的能量增加，固溶到γ-Ni中的其他元素含量也隨之增加，這與圖4d中的檢測結(jié)果一致，觀察發(fā)現(xiàn)，D區(qū)域如圖3c所示，還出現(xiàn)了較多的Fe元素，說明鎳基合金堆焊層出現(xiàn)了不同程度的稀釋，分布在γ-Ni固溶體上狹長細密的水草狀枝晶組織，實為析出的二次碳化物，與圖3a中的一次碳化物相比，其形態(tài)發(fā)生了較大的改變。

圖4 鎳基合金堆焊層能譜成分分析譜線

結(jié)合圖2和圖4的分析結(jié)果可知，這些析出相多為鉻的化合物。由此可見，元素鉻在鎳基合金堆焊層中，一方面起到固溶強化的作用，而更重要的是作為強化相元素存在[18-19]。

2.2 堆焊電流對堆焊層顯微硬度的影響

圖5為不同堆焊電流的鎳基合金堆焊層顯微硬度分布曲線。觀察發(fā)現(xiàn)，鎳基合金堆焊層的顯微硬度較基體(300 HV左右)明顯提高，最高硬度(1 180 HV)出現(xiàn)在電流110 A的堆焊層中，約為不銹鋼基體的4倍。由于鉻的碳化物和硼化物等強化相和團簇花瓣狀共晶化合物相對集中的分布，使得硬度達到最高值。界面處顯微硬度值迅速降低，這是由于受基體元素稀釋的影響，該區(qū)域顯微組織粗大，硬度值略低。堆焊電流110 A的鎳基合金堆焊層平均硬度為898 HV，靠近表面的區(qū)域顯微硬度值起伏較大，這是因為鎳基合金堆焊層中含有較多粗大的碳化物、硼化物等硬質(zhì)相，存在組織的不均勻性，導致顯微硬度在一定范圍內(nèi)有較大的波動。堆焊電流120 A的鎳基合金堆焊層平均硬度為710 HV，從熔合線到表面，硬度呈逐漸下降的趨勢。導致鎳基合金堆焊層顯微硬度降低的原因有兩方面：一是電流的增加使功率密度增加，因此注入堆焊層的能量增加，致使晶粒長大；二是能量的增加促使堆焊層內(nèi)的一次碳化物發(fā)生了分解，硬質(zhì)相的體積分數(shù)減少也導致了硬度下降。當堆焊電流增加到130 A時，鎳基合金堆焊層的平均硬度為800 HV，在接近熔合線處，硬度值上升到850 HV，這是因為輸入能量的繼續(xù)增加使冷卻速度減小，碳化物有機會重新析出，即二次碳化物，硬質(zhì)相的增多使其硬度有了提高，但與電流為110 A時相比，晶粒長大，組織粗化，且二次碳化物的硬度較一次碳化物硬度低，因此硬度值雖有增加卻仍低于電流為110 A時的硬度。

圖5 不同堆焊電流的鎳基合金堆焊層顯微硬度曲線

2.3 鎳基堆焊層磨損性能分析

由于堆焊電流110 A的鎳基合金堆焊層組織均勻、細密，而且硬度最高，所以將鎳基合金堆焊層制成的銷試樣與奧氏體不銹鋼加工成的盤試樣進行摩擦磨損試驗并計算磨損重量和相對耐磨性。經(jīng)測試，鎳基合金堆焊層和不銹鋼基材的失重量分別為2.6 mg和35.8 mg，鎳基合金堆焊層的相對耐磨性為不銹鋼基材的13.8倍。

圖6為不銹鋼基材和鎳基合金等離子堆焊層表面的磨痕形貌。觀察發(fā)現(xiàn)，不銹鋼基材表面磨損嚴重，磨損表面出現(xiàn)明顯犁溝，且與磨損方向一致，局部出現(xiàn)了少量由于硬質(zhì)相剝落而留下的凹坑，還能觀察到明顯的撕裂狀裂紋，具有粘著磨損的特征。相同條件下的鎳基合金堆焊層只有極少量輕微的犁溝狀磨痕，整個表面均勻地分布著白色點狀氧化產(chǎn)物和形狀各異的深灰色組織。從上述組織形貌和相結(jié)構(gòu)分析可知，白色點狀氧化物是由于摩擦磨損過程中發(fā)熱引起化學變化產(chǎn)生的，氧化有利于阻止進一步磨損的產(chǎn)生。深灰色組織為碳化物Cr23C6,Cr7C3和硼化物CrB的共晶化合物，正是由于這些硬質(zhì)相的大量存在，且均勻彌散的分布在堆焊層中，形成了“硬質(zhì)骨架”，進一步抑制了磨損凹坑的產(chǎn)生，提高了耐磨性，其磨損機制為前期的粘著磨損和磨粒磨損及后期的氧化磨損[20-21]。

圖6 不銹鋼基材和鎳基合金堆焊層微觀磨損形貌

3 結(jié) 論

(1)鎳基合金堆焊層的相組成物主要由γ-Ni基體，F(xiàn)eNi3，Cr23C6，Cr7C3和CrB組成。隨著堆焊電流的增加，堆焊層的形貌發(fā)生明顯變化，堆焊電流為110 A的堆焊層組織為γ-Ni基體上彌散分布細密的團簇花瓣狀組織及條狀、塊狀和魚骨狀組織。

(2)堆焊電流從110 A增加到130 A時，鎳基合金堆焊層的硬度呈現(xiàn)先減小、后增加的變化趨勢，堆焊電流為110 A時硬度最高，平均硬度為898 HV。

(3)堆焊電流為110 A時，與奧氏體不銹鋼基材相比，鎳基合金堆焊層的相對耐磨性為13.8。鎳基合金堆焊層耐磨性的提高歸因于堆焊層基體中彌散分布的大量硬質(zhì)相，其磨損機制為前期的粘著磨損和磨粒磨損以及后期的氧化磨損。

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