Ni3Al基金屬粉芯焊絲的堆焊工藝性研究

卓曉，唐衛(wèi)崗，羅壽根，劉金湘，羅良良，趙琳

摘要：采用非熔化極氣體保護(hù)焊（TIG）進(jìn)行熔覆堆焊，研究Ni3Al及Ni3Al+Cr3C2金屬間化合物基金屬粉芯焊絲在45#鋼、304不銹鋼、42CrMo合金鋼、4Cr14Ni14W2Mo耐熱不銹鋼基板上的熔覆層組織和性能。結(jié)果表明：（1）Ni3Al+Cr3C2熔覆后的平均稀釋率（34.55%）低于Ni3Al熔覆后的平均稀釋率（42.8%）;（2）采用純Ni3Al金屬粉芯焊絲堆焊后的熔覆層主要為單一的γ'-Ni3Al相，采用Ni3Al+Cr3C2時，熔覆層主要由γ'-Ni3Al相MC型及M23C6型碳化物組成;（3）Ni3Al+Cr3C2熔覆層的顯微硬度顯著高于純Ni3Al熔覆層;（4）采用Ni3Al、Ni3Al+Cr3C2金屬粉芯焊絲在4種實驗基板上熔覆，焊道冶金結(jié)合良好、潤濕良好，堆焊后缺陷少，堆焊層硬度高于母材，能夠用于相關(guān)材料表面增強熔覆。

關(guān)鍵詞：Ni3Al;Ni3Al+Cr3C2;工藝性;熔覆層;金屬粉芯焊絲

中圖分類號：TG422.3? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）10-0015-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.03

0? ? 前言

堆焊技術(shù)是最普遍的表面改性及修復(fù)方法，與電鍍鉻、熱噴涂、激光熔覆等技術(shù)相比，堆焊操作方便，對設(shè)備要求低。非精密零件采用堆焊進(jìn)行表面改性能夠大大提升零件的耐磨性能和使用壽命，從而顯著降低成本。常見的高溫耐磨堆焊材料有以Stellite 6、12為代表的鈷基合金，Ni-Cr-B-Si、Ni-Cr-Mo-W系合金為代表的鎳基合金等。

Ni3Al是一種鎳鋁基金屬間化合物，其具備的超位錯在材料力學(xué)特征上表現(xiàn)為高變形抗力、高加工硬化率和反常的屈服強度-溫度變化規(guī)律，是最具備潛力的下一代高溫結(jié)構(gòu)材料。索進(jìn)平[1]等人研究了水平連鑄的Ni3Al焊條和粉末冶金制備的WC/Ni3Al復(fù)合材料焊條的焊接性能，結(jié)果表明WC中的C原子在堆焊中優(yōu)先與氧結(jié)合，從而減少了鋁的氧化。李尚平[2]等人對Ni3Al基焊絲中復(fù)合的碳化物特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在氬弧堆焊中添加的WC仍然以原始大顆粒狀態(tài)存在，而添加的Cr3C2則會轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小彌散的Cr7C3，起到良好的彌散強化作用。安同邦、傅麗華、李尚平等人[3-5]分別研究了水平連鑄、熱等靜壓、真空燒結(jié)的Cr3C2/Ni3Al材料的耐磨性能及高溫抗氧化性能：室溫條件下，磨粒磨損性能是Stellite12的2倍，微動磨損條件耐磨性是Stellite6的3倍;高溫條件下（室溫至900 ℃），硬度顯著高于Stellite6、Stellite12，溫度越高優(yōu)勢越明顯;1 000 ℃條件下，氧化速率僅為Stellite12的1/2，適應(yīng)于高溫服役條件。相比之下，金屬粉芯焊絲形式的Ni3Al焊絲具有材料利用率高、配方可調(diào)控等特點，但相關(guān)堆焊材料工程化應(yīng)用研究的介紹卻甚少。

文中通過對Ni3Al基金屬粉芯焊絲在不同基板上的堆焊工藝及熔覆層性能進(jìn)行研究，以期為Ni3Al基堆焊材料的工程化應(yīng)用提供參考。

1 試驗材料與方法

焊絲外皮采用N6純鎳皮（6 mm×0.3 mm），芯部添加φ0.8 mm的純鋁芯絲及一定比例混合的Ni3Al合金粉、碳化鉻粉等，填充率為25%。Ni3Al合金粉末化學(xué)成分如表1所示。Ni3Al+Cr3C2焊絲添加的碳化鉻粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。

基板材料為市售的45#鋼、304不銹鋼、42CrMo合金鋼、4Cr14Ni14W2Mo耐熱不銹鋼，其化學(xué)成分如表2所示。采用TIG進(jìn)行熔覆堆焊，焊前不預(yù)熱，焊后在室溫下冷卻，保護(hù)氣為高純氬氣，保護(hù)氣流量為10 L/min。

試樣經(jīng)線切割及磨拋后，采用HCl-FeCl3試劑腐蝕，采用Leica DM6M金相顯微鏡對熔覆層進(jìn)行分析;Image Pro Plus 6.0軟件計算各區(qū)域面積并分析稀釋率;QATM Master10+顯微維氏硬度計測量硬度;BRUKER D8 ADVANCE X射線衍射儀分析熔覆層物相，并通過Apreo 2 S Hivac場發(fā)射掃描電鏡分析顯微結(jié)構(gòu)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 焊接工藝性

采用不同的焊接電流進(jìn)行熔覆堆焊，Ni3Al+Cr3C2的焊后外觀如圖1所示。可以看出，各焊接工藝下焊道表面光亮、無明顯缺陷。當(dāng)電流小于80 A時，單道熔覆金屬的外觀較為狹小，潤濕性較差，隨著電流增大，潤濕性得到明顯改善，焊道鋪開良好，表面美觀。在焊接過程中，當(dāng)電流小于80 A時出現(xiàn)送絲困難，電流大于110 A時手工送絲速度難以持續(xù)跟上焊絲熔化速度。此外，熔覆4Cr14Ni14W2Mo過程中會出現(xiàn)嚴(yán)重的焊接明顯飛濺，而在其他3種基板材料上堆焊時并無明顯飛濺，這可能與Mo元素在熔池中的氧化反應(yīng)生成易揮發(fā)的氧化鉬有關(guān)。使用純Ni3Al焊絲進(jìn)行相同試驗，現(xiàn)象較為一致。

2.2 熔覆層橫截面及稀釋率

焊接電流90 A時，兩種焊絲在4種基板上熔覆的焊道橫截面如圖2所示?？梢钥闯觯魅鄹矊咏饘倬c基板材料產(chǎn)生了冶金結(jié)合。其中，Ni3Al焊絲在45#鋼和4Cr14Ni14W2Mo的熔覆層有出現(xiàn)未熔合、裂紋等缺陷。未熔合缺陷與送絲速度、焊接電流過小等因素有關(guān)，由于鋁、鎳的熔點差異大，容易產(chǎn)生熔池不均勻的問題，因此合理的TIG堆焊是保證堆焊質(zhì)量的關(guān)鍵。裂紋缺陷主要位于熔覆金屬位置，堆焊前未預(yù)熱、焊絲成分均勻性等問題均對該類裂紋有較大的影響。

各焊道橫截面基本形狀如圖3所示。焊道稀釋率為λ=S2/（S1+S2），稀釋率統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，采用Ni3Al焊絲在各基板上熔覆的平均稀釋率為42.8%，采用Ni3Al+Cr3C2焊絲在各基板上熔覆的平均稀釋率為34.55%。在相同基板上采用Ni3Al+Cr3C2焊絲進(jìn)行堆焊的稀釋率總是低于采用純Ni3Al焊絲的，這與鎳鋁類材料的自蔓燃效應(yīng)有關(guān)[6]。在TIG堆焊過程中，非消耗電極鎢極產(chǎn)生熱量對母材和焊絲起到了加熱作用，焊絲的鎳皮、鋁芯被熔化在熔池中發(fā)生自蔓燃反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱，進(jìn)一步提高了熔池溫度。而在相同工藝條件下，一方面Ni3Al+Cr3C2焊絲在單位時間內(nèi)參與自蔓燃的鎳、鋁含量較純Ni3Al焊絲少，另一方面Cr3C2的加入在熔化過程吸收大量的熱，降低了熔池的峰值溫度，從而降低了稀釋率。

2.3 XRD及顯微形貌

Ni3Al焊絲和Ni3Al+Cr3C2焊絲熔覆層的XRD分析結(jié)果分別如圖5、圖6所示。可以看出，當(dāng)采用Ni3Al焊絲進(jìn)行堆焊時，熔覆層主要為單相的γ'-Ni3Al相。采用Ni3Al+Cr3C2焊絲堆焊時，在304和45#鋼基板的熔覆層中，碳化物主要以M23C6形式存在，在42CrMo和4Cr14Ni14W2Mo基板的熔覆層中以MC、M23C6形式存在。

熔覆層的背散射相如圖7所示，可以看出，碳化物以原位自生的形式生成，具有細(xì)小、彌散的特點。其中MC型碳化物主要受Mo元素影響，M23C6型碳化物生成過程為碳、鉻等原子在高溫時溶入液體，在溫度下降時，碳、鉻等溶質(zhì)原子由于過飽和最終以碳化物析出[7]，其分布和形態(tài)具備固態(tài)相變的特點。陳翠欣[8]等人介紹了Ni3Al/Cr3C2激光熔覆層中的碳化物主要以M7C3型碳化物形式存在，可能與焊接熱輸入及更高的原始碳化物復(fù)合度有關(guān)。

2.4 顯微硬度

對Ni3Al焊絲和Ni3Al+Cr3C2焊絲在不同基板上的熔覆層進(jìn)行顯微硬度測試，結(jié)果分別如圖8、圖9所示。可以看出，Ni3Al+Cr3C2焊絲的熔覆層硬度顯著高于母材和Ni3Al焊絲的熔覆層硬度。在42CrMo、4Cr14Ni14W2Mo基板上堆焊層硬度達(dá)到500 HV0.2。

Ni3Al基材料的性能依靠強原子結(jié)合力的L12晶體結(jié)構(gòu)，超高的加工硬化率，反常的屈服強度—溫度變化規(guī)律（800℃以下，溫度升高，強度升高），保證了其在服役過程中具備超高的耐磨性能[9]。

在高溫高強的Ni3Al基體上進(jìn)一步復(fù)合碳化物，碳化物在堆焊過程中部分熔入基體起到固溶強化作用，部分碳化物彌散析出，強化了熔覆層整體，從而使得復(fù)合碳化物的熔覆層硬度大幅提升，顯著高于基體。同時，Ni3Al+Cr3C2熔覆層在磨損服役過程中，碳化物有效支撐起了基體，減小接觸面，從而進(jìn)一步提升了耐磨性并對摩擦副友好[8]。

3 結(jié)論

（1）Ni3Al及Ni3Al+Cr3C2焊絲在45#鋼、304不銹鋼、42CrMo合金鋼、4Cr14Ni14W2Mo耐熱不銹鋼上熔覆時，焊道與基板潤濕良好、外觀光亮，無明顯缺陷產(chǎn)生。

（2）采用相同工藝熔覆時，Ni3Al焊絲單道熔覆層的平均稀釋率為42.8%，較于Ni3Al+

Cr3C2焊絲單道熔覆層的平均稀釋率高8.25%。

（3）Ni3Al焊絲熔覆層由為γ'-Ni3Al相組成，Ni3Al+Cr3C2焊絲熔覆層主要由γ'-Ni3Al相及MC型、M23C6型碳化物組成，碳化物細(xì)小彌散。

（4）Ni3Al+Cr3C2熔覆層的硬度顯著高于純Ni3Al焊絲熔覆層的硬度。

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