Q235鋼表面CMT電弧熔覆鎳基合金復(fù)合板的組織與性能研究

禹 東，劉奮成，高 健，高興昊，熊 劍

（1. 南昌航空大學(xué) 輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063；2. 江西恒大高新技術(shù)股份有限公司，南昌 330096）

前 言

Q235鋼是一種普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有較好的塑性、焊接性和可加工性，多用于建筑鋼材和工程結(jié)構(gòu)件，由于服役條件惡劣，容易在使用過程中發(fā)生腐蝕、疲勞、磨損等多種時(shí)效行為[1]，在實(shí)際應(yīng)用過程中常采用表面技術(shù)在Q235鋼表面熔覆一層高強(qiáng)合金，不僅可以提高表面的耐蝕性、耐磨性和強(qiáng)度，還可以延長使用壽命，節(jié)省材料[2-3]。鎳基合金作為一種耐腐蝕、高強(qiáng)度性材料，是目前生產(chǎn)應(yīng)用首選的合金涂層之一。GH4169高溫合金是一種Nb強(qiáng)化的沉淀硬化型鎳基高溫合金。在?253 ℃~650 ℃溫度范圍內(nèi)具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能良好，并且焊接性能優(yōu)良，常被運(yùn)用于石油工業(yè)和擠壓模具中等行業(yè)中[4~5]，Q235鋼表面熔覆GH4169高溫合金有望獲得理想的復(fù)合板材，提升材料的使用壽命。

在眾多表面改性技術(shù)中，電弧表面熔覆方法具有熔覆金屬厚度大，與基體為冶金結(jié)合，不易脫落，熔覆質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，冷金屬過渡（Cold Metal Transfer，CMT）熔覆技術(shù)相較于激光熔覆技術(shù)[6]、氬弧熔覆[7]、等離子熔覆[8]等具有生產(chǎn)效率高、熔覆工藝成本低且涂層結(jié)合強(qiáng)度高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。CMT技術(shù)是一種新的熔化極氣體保護(hù)焊方法[9]，將熔滴過渡和焊絲回抽相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)焊接過程中冷熱交替，無飛濺產(chǎn)生。其次，CMT的熱輸入較低，熔深小，融合比小，對(duì)基材的影響小，可以得到一條平直熔合線，最大限度減小對(duì)基材的影響。本文采用CMT焊接技術(shù)在Q235鋼表面熔覆GH4169鎳基高溫合金制備復(fù)合板的方法提高低碳鋼Q235的強(qiáng)度和耐沖擊性能，并對(duì)其組織與力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用Q235鋼為基材，尺寸為100 mm×100 mm×20 mm。熔覆焊絲選用直徑為1.2 mm的GH4169焊絲。本實(shí)驗(yàn)采用的GH4169焊絲化學(xué)成分如表1所示。實(shí)驗(yàn)復(fù)合板成形設(shè)備采用Fronius CMT Transpulse Synerigic 2700焊機(jī)。該設(shè)備由焊機(jī)、機(jī)械臂和工作臺(tái)3個(gè)部分組成，利用機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)焊接。熔覆過程中，機(jī)械臂動(dòng)作嚴(yán)格按照先前輸入的機(jī)器人匯編語言執(zhí)行。

表1 GH4169焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)

熔覆前將基材表面用粗砂紙打磨，除去表面雜質(zhì)和氧化物，使其露出金屬光澤。Q235基材表面CMT熔覆GH4169合金為異種金屬連接，熔合效果較差，因而使用BGG-3.6-4型450X600電熱板，將Q235基材加熱到200 ℃并保溫2 h，提升GH4169合金在Q235板上的潤濕性。待Q235基材充分預(yù)熱之后，再進(jìn)行熔覆。兩層熔覆路徑呈十字交叉，同一層內(nèi)相鄰兩道方向相反，直到整個(gè)熔覆面填滿GH4169合金，采用這種行走路徑能夠有效避免起弧點(diǎn)和收弧點(diǎn)產(chǎn)生高度差導(dǎo)致成形面不平整的現(xiàn)象（圖1）。

圖1 熔覆成形路徑示意圖

CMT熔覆采用的主要工藝參數(shù)為：第一層施焊電流為370 A，第二層施焊電流270 A；焊絲干伸長度為14 mm，焊接速度為4.8 mm/s，送絲速度為4.2 m/min，搭接率選擇50%。層間冷卻時(shí)間為20 s。保護(hù)氣體為99.99%的氬氣，焊接保護(hù)氣體流量為10 L/min，箱內(nèi)保護(hù)氣體流量為3 L/min。得到熔覆試樣。經(jīng)過電火花線切割，去掉多余熔覆金屬和基材之后，得到V型缺口深2 mm，角度為45° ± 2°，如圖2a所示的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，夏比沖擊試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm。其上半部分為GH4169熔覆層，厚度為6 mm，其余為Q235基材，基材厚度為4 mm。

圖2 夏比沖擊標(biāo)準(zhǔn)試樣

對(duì)沖擊試樣進(jìn)行組織分析和性能測(cè)試。性能測(cè)試主要包括維氏硬度測(cè)試和夏比沖擊測(cè)試。試樣經(jīng)金相打磨拋光之后，分為兩組，每組3個(gè)試樣。第一組試樣分別采用王水和FeCl3溶液對(duì)GH4169高溫合金和Q235基材進(jìn)行腐蝕，而后進(jìn)行金相組織觀察。第二組熱處理之后使用相同腐蝕劑進(jìn)行腐蝕后進(jìn)行金相組織觀察。其中第二組試樣熱處理工藝為1030 ℃固溶處理1 h，740 ℃保溫處理8 h，再進(jìn)行800 ℃下淬火10 min。采用WT-401MVD顯微硬度計(jì)對(duì)CMT熔覆GH4169合金試樣進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，沿著基材?熱影響區(qū)?熔覆層進(jìn)行測(cè)量，加載載荷為200 g，加載持續(xù)時(shí)間15 s，測(cè)試點(diǎn)相距0.5 mm。夏比沖擊試驗(yàn)是將試樣放在試驗(yàn)機(jī)上，使之處于簡(jiǎn)支梁狀態(tài)，將擺錘放到一定高度進(jìn)行一次性打擊，測(cè)量試樣在這種沖擊下折斷吸收的能量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 熔覆成形試樣的宏觀形貌

觀察熔覆試樣的宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)熔覆層表面平整，道與道之間搭接良好，未出現(xiàn)凹坑等表面缺陷。圖3c為熔覆試樣側(cè)面宏觀形貌，上層為GH4169合金熔覆層，下層為Q235鋼基體,熔覆層和基材之間成形較好，熔合線附近未出現(xiàn)氣孔、未熔合等成形缺陷。

圖3 Q235/GH4169復(fù)合板試樣宏觀形貌和結(jié)合面

2.2 復(fù)合板界面結(jié)構(gòu)

圖4a為Q235和GH4169合金之間熔合線附近微觀形貌，沖擊試樣包括基材和兩層GH4169合金共三層。其中Q235基材與GH4169熔覆層的微觀界面形成了一條彎曲的熔合線，沒有觀察到明顯的焊接缺陷，說明GH4169熔覆層和Q235基材之間達(dá)到冶金結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了原子間連接，熔覆質(zhì)量良好。圖4b為GH4169合金兩層熔覆層之間的微觀形貌。GH4169合金的熔覆層的層與層之間有明顯的熔合線，且熔合線附近分布著外延生長的枝晶組織，晶粒取向差別明顯，主要與熔覆層中熔池的熱量擴(kuò)散有關(guān)，枝晶總是沿著溫度梯度最大的方向生長。高強(qiáng)層焊道與焊道之間搭接良好，無宏觀缺陷，GH4169合金熔覆層成形質(zhì)量良好。

圖4 Q235表面熔覆GH4169合金微觀組織形貌

如圖5a所示，熱處理之前Q235基材為退火態(tài)的鐵素體和珠光體組織，同時(shí)因?yàn)槔滠堉?，晶粒發(fā)生了一定量的變形。在經(jīng)過淬火和低溫回火后，Q235基材得到片狀馬氏體組織。同時(shí)，原來因?yàn)槔滠堉贫a(chǎn)生的晶粒變形也得到改善。如圖5b所示，在熔覆過后，GH4169的沉積態(tài)組織主要為柱狀晶或樹枝晶。熱處理后，枝晶結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化。但GH4169的Laves相的長條狀變成的顆粒狀。Laves相為一種脆硬相，是一種化學(xué)式主要為AB2型的密排立方或者六方結(jié)構(gòu)得金屬間化合物。據(jù)陳偉[10]和Sui[11]研究發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過熱處理之后GH4169組織中的Laves相大量減少，大量Nb元素不僅可以固溶到γ基體中，起到固溶強(qiáng)化作用，還能造成γ″相大量增加，其中γ″相（Ni3Nb）為GH4169合金的主要強(qiáng)化相，大大提升GH4169的綜合性能。

圖5 熱處理前后Q235基材組織和GH4169高強(qiáng)層

2.3 復(fù)合板硬度測(cè)試和沖擊韌性

圖6為熔覆層到基材的顯微硬度分布圖，圖中給出了沉積態(tài)試樣和熱處理之后試樣的顯微硬度分布。沉積態(tài)時(shí)，GH4169合金熔覆層維氏硬度240 HV，Q235基材的維氏硬度由高到低分為3個(gè)部分，維氏硬度最高的是重熔區(qū)，為183.5 HV，其次是熱影響區(qū)168.9 HV，最低的是Q235基材維氏硬度146.3 HV。經(jīng)過熱處理之后，試樣硬度更加均勻，GH4169合金熔覆層平均維氏硬度達(dá)到422 HV，硬度大幅提升，主要是熱處理后，γ″相強(qiáng)化作用，提升熔覆層的硬度。Q235基材的平均硬度172 HV，接近沉積態(tài)熱影響區(qū)的硬度值。根據(jù)以上結(jié)果可知，熔覆過程中的熱累積對(duì)Q235基材的熱影響區(qū)的有一定的淬火作用，使該區(qū)域硬度明顯上升，同時(shí)GH4169合金中合金元素在熔覆過程中部分進(jìn)入基體中，使其硬度值也有一定的提升效果。因此，在Q235基體部分硬度值呈現(xiàn)并且呈現(xiàn)梯度分布。

圖6 熔覆試樣顯微硬度

2.4 夏比沖擊測(cè)試結(jié)果分析

夏比沖擊測(cè)試結(jié)果為，沉積態(tài)試樣的沖擊功平均值為32 J，經(jīng)過熱處理試樣的沖擊功平均值為55 J。圖7為沖擊斷口宏觀形貌。熱處理后沖擊試樣斷口有兩個(gè)區(qū)域，塑性區(qū)和解理區(qū)，塑性區(qū)大約有四分之一區(qū)域，有明顯的的塑性變形，說明熱處理沖擊試樣具有較高的沖擊能量；而沉積態(tài)的斷口幾乎全是解理面，為脆性斷裂，沖擊吸收能量差。熔覆GH4169合金之后的復(fù)合板沖擊韌性提高，主要是由于固溶處理之后，Laves相減少，γ″相的析出，合金元素均勻化，使復(fù)合板沖擊韌性提高，其沖擊功從32 J提高到55 J，均高于材料標(biāo)準(zhǔn)沖擊功27 J要求。

圖7 夏比沖擊試樣斷口示意圖

3 結(jié) 論

1）當(dāng)電流為370 A時(shí)，采用CMT熔覆過后Q235基體與GH4169高強(qiáng)層搭接良好，無宏觀缺陷，GH4169層與層之間也未出現(xiàn)孔洞、夾渣等焊接缺陷。復(fù)合板成形質(zhì)量良好。

2）冷金屬過渡技術(shù)雖然對(duì)基材熱影響小，但是依然對(duì)Q235基材有淬火作用，使的Q235基材硬度上升，同時(shí)在重熔區(qū)，部分合金元素進(jìn)入Q235基體中，使其硬度值高于熱影響區(qū)。

3）固溶處理之后，GH4169合金內(nèi)部Laves相由長條狀變成顆粒狀，γ″相大量析出，使得GH4169的硬度從240 HV升高到422 HV，并且沖擊性能也由沉積態(tài)的32 J提升到55 J，同時(shí)對(duì)Q235基材進(jìn)行分級(jí)熱處理之后，也得到均勻的馬氏體組織。