紫銅表面等離子堆焊Ni60涂層組織與硬度的研究

汪 超，朱協(xié)彬*，程敬卿

(1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.安徽省鼎恒再制造研究院，安徽 蕪湖 241000)

石墨槽與耐火材料槽是有色冶金行業(yè)的出銅槽，但現(xiàn)在已被銅溜槽所取代。由于銅溜槽的耐用性要比其他出銅槽長(zhǎng)久，為企業(yè)降低了成本，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度也得到了減弱，因此銅溜槽受到有色冶金行業(yè)的普遍認(rèn)可和廣泛應(yīng)用。銅溜槽是以紫銅澆鑄而成，包含壁體、進(jìn)出水管道和連接法蘭，而壁體內(nèi)預(yù)先埋置了冷卻銅管，其冷卻銅管的兩端分別與進(jìn)、出水管道連通，且冷卻銅管、進(jìn)出水管道為一體式結(jié)構(gòu)，壁體截面形狀為U形。該銅溜槽通過(guò)一系列結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，使銅液銅渣對(duì)溜槽無(wú)具體沖擊點(diǎn)且減輕了對(duì)溜槽的沖刷。一般情況下銅溜槽的使用壽命為半年，但用戶希望銅溜槽的使用壽命能更長(zhǎng)。為此在不改變紫銅基體各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)上采用表面改性技術(shù)提高其工作面性能[1]，從而延長(zhǎng)了使用壽命，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

高家誠(chéng)[2]等為了尋找一種簡(jiǎn)單而有效的方法來(lái)提高銅部件的使用壽命，采用氧乙炔火焰噴涂重熔法在純銅表面制備了氧化鋁基陶瓷涂層。其結(jié)果表明：該種涂層與銅基具有良好的連接強(qiáng)度，耐熱性和耐堿性有了大幅提高，可以在工業(yè)中推廣使用。高陽(yáng)[3]等采用激光熔覆熱障涂層在銅基表面制備了ZrO2涂層。其結(jié)果表明：采用激光熱源在銅基上熔覆熱障涂層，可得到密實(shí)的氧化鋯陶瓷涂層。目前在純銅表面利用激光熔覆技術(shù)制備涂層存在一些問(wèn)題：激光熔覆設(shè)備價(jià)格比較昂貴[4]；需要編寫程序；在操作過(guò)程中要穿特殊防護(hù)服，避免激光輻射[5]。

等離子堆焊可以在無(wú)需經(jīng)過(guò)復(fù)雜預(yù)處理的金屬零部件表面直接進(jìn)行[6]，操作簡(jiǎn)單、快捷，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)化。堆焊合金粉末涂層與基體呈冶金結(jié)合，稀釋率低且焊層均勻美觀，與其他焊接工藝相比，等離子堆焊結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、節(jié)能，操作起來(lái)也更加方便，焊層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，設(shè)備容易維修和保養(yǎng)[7-8]。由于等離子弧會(huì)產(chǎn)生輻射，導(dǎo)致皮膚表層脫皮，所以在操作過(guò)程中注意穿好防護(hù)服。等離子粉末堆焊技術(shù)雖然在鋼鐵表面強(qiáng)化方面取得了一定的成效和經(jīng)濟(jì)效益，但由于銅及其銅合金獨(dú)特的物理化學(xué)性能，不能局部加熱導(dǎo)致焊接成為難題，因而紫銅表面等離子粉末堆焊鮮見(jiàn)報(bào)道。如何在紫銅表面等離子堆焊制備出無(wú)缺陷、冶金結(jié)合、耐高溫沖刷且具有一定厚度的理想堆焊層成為科研人員和技術(shù)工程人員亟待解決的難題。研究針對(duì)某公司要求銅溜槽使用壽命更長(zhǎng)的問(wèn)題，采用等離子粉末堆焊的方法，著重開(kāi)展了紫銅表面等離子粉末堆焊Ni60涂層組織及性能的研究。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

以紫銅作為基體，將其加工成200 mm×150 mm×20 mm的樣塊。選用Ni60粉末，采用3V成分分析光譜儀分析Ni60成分如表1所示。其微觀形貌如圖1所示。采用BT-9300ST激光粒度分布儀測(cè)出其粒度分布如圖2所示。由圖2可以看出粒徑分布在2～400 μm。

表1 Ni60粉末化學(xué)成分

圖1 Ni60微觀形貌

圖2 Ni60粉末的激光粒度

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

PTR-BX-400A粉末等離子堆焊專機(jī)、UM200i/UMT200i系列正置/透反射金相顯微鏡、BT-9300ST激光粒度分布儀、3V成分分析光譜儀、ZYH-30自控退紅外焊條烘干爐、超景深顯微鏡、里氏硬度計(jì)。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

使用PTR-BX-400A粉末等離子堆焊專機(jī)(見(jiàn)圖3a)，氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣，氬氣作為離子氣，工藝參數(shù)如表2所示。 堆焊前基體預(yù)熱到800 ℃(見(jiàn)圖3b)。Ni60粉末在ZYH-30自控退紅外焊條烘干爐中恒溫150 ℃烘干15 min待使用。

圖3 設(shè)備與過(guò)程

表2 等離子堆焊工藝參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 焊層的形貌表征

等離子堆焊Ni60涂層的宏觀表面形貌如圖4所示。由圖4可知，表面無(wú)明顯的氣孔、裂紋等缺陷，焊道均勻平整[9]。截面宏觀形貌如圖5所示。圖5中焊層厚度為3mm，由圖5可以看出，等離子粉末堆焊試樣的堆焊層與紫銅基材界面有明顯的光亮帶，表明為冶金結(jié)合，與銅無(wú)限固熔[10]。

圖4 焊層表面宏觀形貌 圖5 焊層截面宏觀形貌

2.2 焊層的金相組織

由于等離子弧的溫度可達(dá)10 000～50 000 K，熔融的金屬粉末在凝固過(guò)程中是非平衡的，等離子弧在快速加熱和高溫梯度、過(guò)冷度和快速凝固速率下產(chǎn)生的銅基熔體的快速凝固過(guò)程，使等離子堆焊過(guò)程中的結(jié)晶以非平衡的方式進(jìn)行，最終導(dǎo)致Ni60粉末等離子堆焊層組織成為單一針狀晶體結(jié)構(gòu)或樹(shù)枝枝晶特征[11]。

對(duì)焊層的各個(gè)區(qū)域進(jìn)行金相顯微觀察如圖6所示。由圖6可知，焊層各區(qū)域的微觀組織明顯不同，這是因?yàn)樵诘入x子粉末堆焊的過(guò)程中，熔池存在高溫梯度，由于紫銅良好的散熱性，隨著焊接層厚度的增加，冷卻速度加快，隨著溫度梯度的減小，近表面區(qū)G/R(G為溫度梯度，R為冷卻速率)趨于零，從而導(dǎo)致明顯的焊層梯度組織[12]。從圖6b可以看出，焊接結(jié)合界面層晶粒尺寸較為粗大，這是因?yàn)樵诘入x子粉末堆焊過(guò)程中，Ni60合金粉末沒(méi)有完全熔融,并且與局部熔融的紫銅基體表面形成了一個(gè)典型的液固界面，晶核沿界面法線方向向液相中快速垂直生長(zhǎng)。從圖6c、圖6d可以看出，焊層中間是細(xì)小的針狀結(jié)構(gòu)，在焊層的頂部形成枝晶和等軸晶。這是由于Ni60自溶性合金粉末中含B和Si兩種元素。根據(jù)非平衡快速凝固理論，當(dāng)晶體生長(zhǎng)速率和溫度梯度恒定時(shí)，隨著合金熔體中溶質(zhì)濃度的增加，其成分過(guò)冷傾向增大，導(dǎo)致枝晶甚至等軸晶的形成[13]。在焊層中部區(qū)域，其組織形貌表現(xiàn)為細(xì)針狀結(jié)晶區(qū)更加細(xì)小[14-15]，這是因?yàn)樽香~基板導(dǎo)熱、傳熱能力很好，底部的熔融液態(tài)金屬迅速冷卻。由于較大的過(guò)冷度導(dǎo)致晶粒細(xì)化，焊層頂部的微觀組織主要是枝晶，與其他區(qū)域組織相比，枝晶結(jié)構(gòu)變粗，顯示了短小的鋸齒狀二次分枝間距增大[11]。這是因?yàn)楹附訉禹敳康纳嶂饕悄痰墓腆w導(dǎo)熱和自然冷卻，并且晶體的生長(zhǎng)速度降低。當(dāng)速率達(dá)到枝晶轉(zhuǎn)變的臨界速率時(shí)，晶體以枝晶的形式生長(zhǎng)[16]。

圖6 焊層各區(qū)域微觀組織形貌

2.3 焊層的顯微硬度

采用HVS-1000Z數(shù)顯顯微硬度計(jì)(見(jiàn)圖7)測(cè)量Ni60合金焊層與紫銅基體的界面硬度，樣塊為拍金相的試樣，焊層厚度約3 mm，依次從基體到焊層頂部打出硬度。

圖7 HVS-1000Z數(shù)顯顯微硬度計(jì)

焊層沿焊接深度方向的顯微硬度分布曲線如圖8所示[17-18]?；w材料的硬度為60.5HV0.1，熔合過(guò)渡區(qū)硬度為200HV0.1。近熔合區(qū)硬度明顯增大，在接近焊層表面處硬度達(dá)到650HV0.1，然后呈緩慢下降的趨勢(shì)[19]。

圖8 焊層顯微硬度曲線分布

與基體相比，焊層各區(qū)域的硬度均有所提高，且硬度分布明顯。這是由于焊接熔合區(qū)附近的底層為典型的液-固界面，分布了大量的鎳鉻硼化物合金固溶體，起到了固溶強(qiáng)化的效果，焊層中部和頂部擴(kuò)散分布的小黑點(diǎn)是由于鎳基合金含有更多的B、Si、Cr等元素。這些元素形成等離子堆焊過(guò)程中的硬脆性化合物，其快速凝固過(guò)程起到彌散強(qiáng)化的效果，從而大大提高了硬度。焊接層頂部的顯微硬度有緩慢下降的趨勢(shì)，這可能是硬質(zhì)相的數(shù)量和大小分散在不同的位置，加上晶體中不同位錯(cuò)的相互作用，導(dǎo)致顯微硬度存在區(qū)別[20]。

3 結(jié)論

在紫銅基體表面采用等離子粉末堆焊技術(shù)制備Ni60合金粉末涂層，表面無(wú)明顯的氣孔、裂紋等缺陷，焊道成型美觀。焊層與基體呈冶金結(jié)合，焊層中部為針狀結(jié)構(gòu)，頂部組織呈明顯的樹(shù)枝狀和長(zhǎng)條狀。Ni60焊層的熔點(diǎn)1 400 ℃較紫銅1 083 ℃明顯提高，耐高溫沖刷較好。焊層中部、頂部都具有很高的硬度，這是固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化共同作用的結(jié)果，最高維氏硬度為650HV0.1，較紫銅硬度60.5HV0.1有了大幅度的提升。