熱處理對電弧噴涂用CuNiIn 絲材性能的影響

諶曲平，張淑婷，汪云程，云海濤，歐陽佩旋

（1.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，株洲 412002；2.北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144）

0 引言

鈦合金由于具有密度低、比強(qiáng)度高、耐蝕性好、與復(fù)合材料相容性好等特點(diǎn)被廣泛用于制備航空發(fā)動機(jī)重要受力結(jié)構(gòu)，如發(fā)動機(jī)殼體、壓氣機(jī)葉片等零件[1-3]。但鈦合金活性高，熱傳導(dǎo)率低，在微動磨損過程中極易發(fā)生氧化而形成氧化層，在微動過程中隨著氧化層的不斷生成和磨損，導(dǎo)致鈦合金基體損傷，特別是一些重載微動的連接部位如葉片榫頭、輪盤榫槽等，微動損傷使零件連接間隙增大，大大降低疲勞極限，加速零部件失效[4-5]。目前，鈦合金零件廣泛采用CuNiIn 涂層進(jìn)行表面防護(hù)，提高發(fā)動機(jī)等部件的可靠性和運(yùn)行安全性。

CuNiIn 是一種耐摩減磨涂層材料，合金涂層的彈性模量低，易變形,可吸收微動振動過程中的能量,提高涂層的潤滑性和抗咬合性能，有效減緩葉片和葉輪等零件的微動磨損，從而使裂紋在更高的應(yīng)力水平或更長的循環(huán)次數(shù)產(chǎn)生，顯著延長零件的使用壽命[6-7]。在鈦合金微動磨損防護(hù)方面，CuNiIn 涂層通常用大氣等離子噴涂、電弧噴涂、火焰噴涂等方法制備。與其他涂層制備工藝相比，電弧噴涂CuNiIn 絲材的設(shè)備操作靈活、工藝簡單，易于現(xiàn)場施工，涂層中的氧化物及缺陷含量低、涂層致密，可以減少發(fā)動機(jī)修理時間，降低維修成本。通常電弧噴涂制備涂層主要采用Φ2.0 mm 的Cu35Ni5In 絲材，但在絲材的制備中，合金元素熔點(diǎn)和蒸氣壓差別較大，易出現(xiàn)偏析，導(dǎo)致絲材加工過程出現(xiàn)脆斷，絲材的組織結(jié)構(gòu)不均勻等問題。目前CuNiIn 涂層的相關(guān)研究公開報(bào)道了不同熱噴涂工藝下涂層的性能，不同粉末制備工藝對涂層性能的影響，以及涂層的磨損失效機(jī)理研究等[8-10]。但關(guān)于CuNiIn 絲材制備工藝鮮有報(bào)道，因此本文采用真空鑄錠-鍛造-拉拔的工藝制備Φ2.0 mm 的Cu35Ni5In 絲材，研究加工及處理工藝過程對絲材物相組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，期望為電弧噴涂工藝的發(fā)展提供參考。

1 試驗(yàn)方法與過程

試驗(yàn)設(shè)備選用VIM-50 真空感應(yīng)熔煉爐，真空度6.67×10-2Pa，為控制合金中的雜質(zhì)，原料選用電解鎳(Ni ≥ 99.988%)、陰極銅(Cu+Ag≥99.98%)和純銦錠(In ≥ 99.99)。將原料按設(shè)計(jì)配料后和裝爐進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉。熔煉后對鑄錠采用STG-100-14 型真空氣氛管式電阻爐進(jìn)行退火處理，采用HITACHI S-500 型掃描電鏡(SEM)及能譜儀(EDS)進(jìn)行微觀組織分析。將退火后的鑄錠去皮，并進(jìn)行熱擠壓以及多道次拉拔減徑，對6 mm 的絲桿經(jīng)中間退火后，采用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試，采用Rigaku-Ultima IV 型X 射線衍射儀進(jìn)行物相分析，并對成品退火后的絲材進(jìn)行微觀組織分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鑄錠退火溫度對合金組織的影響

CuNiIn 合金中三種元素熔點(diǎn)差異較大，其中Cu 和Ni 的熔點(diǎn)超過1000 ℃，而In 的熔點(diǎn)僅為156 ℃，并且受銅模尺寸、充填速度及熔煉溫度等因素的影響，實(shí)際冷卻速率約為100～103K/s[11]，因此凝固過程過快的冷卻速率及低熔點(diǎn)合金填充使得合金鑄態(tài)組織中極易出現(xiàn)偏析，會對CuNiIn 合金塑性產(chǎn)生較大影響。退火能使合金進(jìn)行均質(zhì)化擴(kuò)散，降低偏析，有利于消除應(yīng)力，提高塑性，易于后處理加工[12-13]。CuNiIn 鑄態(tài)組織的SEM照片及成分分析結(jié)果如圖1 所示，從對應(yīng)的能譜分析結(jié)果可以看出，A 點(diǎn)能譜結(jié)果較接近合金目標(biāo)成分。B 點(diǎn)（黑色）中Ni 元素含量很高，超過55%，而Cu 和In 較低，為Ni 富集區(qū)，C 點(diǎn)（灰白色）中In 元素含量超過12%，因此，CuNiIn的鑄態(tài)相結(jié)構(gòu)及成分分布不均勻，偏析較嚴(yán)重。

圖1 CuNiIn 合金鑄態(tài)組織及能譜分析位置Fig.1 As-casted microstructure and EDS of CuNiIn alloy

表1 CuNiIn 合金鑄態(tài)組織能譜分析結(jié)果Table 1 EDS results of as-casted microstructure of CuNiIn alloy

Cu35Ni5In 的熔點(diǎn)約為1150 ℃，均勻化退火應(yīng)在固相線以下固溶度線以上的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，并盡可能地把均勻化溫度提高一些，以增加結(jié)晶結(jié)構(gòu)的原子活動力，強(qiáng)化擴(kuò)散而縮短均勻化時間，均勻化退火溫度一般選擇0.8-0.9T熔點(diǎn)，試驗(yàn)參考Cu-Ni 相圖[14]，選擇900 ℃、950 ℃以及1000 ℃進(jìn)行2 h 退火研究，圖2 為退火后金相照片。

圖2 Cu35Ni5In 鑄錠均勻化溫度退火后的金相照片：(a) 900℃;(b) 950℃;(c) 1000℃Fig.2 Metallographic photos of Cu35Ni5In ingot after annealing at homogenization temperature:(a) 900℃;(b) 950 ℃;(c) 1000 ℃

從圖2 中可以看出，而隨著溫度的提高，在相同的時間內(nèi)，Cu35Ni5In 合金的鑄錠組織均勻性有了明顯的改善，900 ℃退火的金相中雖然枝晶的形貌還有所保留，但黑色相的分布已比較均勻，經(jīng)950 ℃的退火后，金相中無明顯的枝晶形貌，而經(jīng)1000 ℃退火后金相組織均勻程度進(jìn)一步提高，枝晶基本消失。均勻化退火是基于原子的擴(kuò)散運(yùn)動，根據(jù)擴(kuò)散的阿累尼烏斯方程，擴(kuò)散系數(shù)D與溫度T的關(guān)系為：

式中Q為擴(kuò)散激活能，R為常數(shù)，此式表明，溫度的升高將顯著提高擴(kuò)散系數(shù)D，因此將大大加速擴(kuò)散過程，因此為了加速均勻化過程[15]，應(yīng)盡可能提高退火溫度。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，提高均勻化退火溫度，CuNiIn 組織及結(jié)構(gòu)均勻化程度均獲得顯著改善。

2.2 中間退火工藝對絲材性能的影響

金屬及合金在冷變形加工中以及工件在切削加工過程中會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。若內(nèi)應(yīng)力較大而未及時予以去除，常導(dǎo)致工件變形甚至形成裂紋。去除應(yīng)力退火是將工件加熱并保溫一段時間，使金屬內(nèi)部發(fā)生弛豫，然后緩冷下來。通過退火金屬內(nèi)部組織變得細(xì)小，可消除形變硬化，恢復(fù)金屬或合金的塑性和形變能力[16]。熔鑄后經(jīng)熱處理得到的CuNiIn 合金錠需要進(jìn)行減徑，以得到可用于拉拔的線桿。

CuNiIn 絲材在制備過程中采用800 ℃旋鍛開坯，將獲得的15 mm 的絲桿再經(jīng)5 道次減徑為6 mm 的絲桿，絲桿的強(qiáng)度是影響最終產(chǎn)品直徑、表面狀態(tài)和力學(xué)性能的關(guān)鍵，因此絲桿的熱處理工藝尤為重要，絲桿進(jìn)行均勻退火可消除材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力和因加工引起的組織缺陷，提高CuNiIn 絲桿的組織和成分均勻性，也有助于晶粒細(xì)化。本文對650～800 ℃恒溫1 h 的均勻退火工藝進(jìn)行對比，退火后將絲桿進(jìn)行力學(xué)性能測試，抗拉強(qiáng)度結(jié)果如圖3 所示。從圖3 中可以看出，650～800 ℃隨著退火溫度的升高，抗拉強(qiáng)度從282 MPa 逐漸增加至450 MPa，溫度升高至850 ℃之后，抗拉強(qiáng)度略有下降。800℃退火后對合金進(jìn)行物相分析，結(jié)果如圖4 所示，從圖中可以看出，Cu35Ni5In 物相為單一的CuNi 相，根據(jù)Cu-Ni 二元相圖，在本文組分范圍內(nèi)，Ni 固溶于Cu 基體，屬于面心立方結(jié)構(gòu)，在退火過程中未發(fā)生相變，但是退火溫度愈高，晶粒易發(fā)生長大，晶粒粗化會嚴(yán)重惡化室溫塑性[17]，這可能是絲桿抗拉強(qiáng)度會隨之下降的主要原因。因此，必須正確選擇合適的退火工藝，以便在獲得良好的相穩(wěn)定性的同時，保持足夠的室溫強(qiáng)度，以保證絲桿繼續(xù)減徑過程的連續(xù)性和力學(xué)性能。

圖3 退火溫度對絲桿強(qiáng)度的影響Fig.3 Influence of annealing temperature on screw strength

圖4 800℃退火后Cu35Ni5In 的XRD 分析結(jié)果Fig.4 XRD of Cu35Ni5In after annealing at 800℃

2.3 成品退火溫度對合金組織的影響

適合電弧噴涂的CuNiIn 絲材直徑約為2 mm，因此當(dāng)絲桿繼續(xù)由6 mm 減徑拉拔至2 mm過程中，CuNiIn 絲材表面可能會出現(xiàn)毛刺和機(jī)械損傷，甚至拉絲加工過程會出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，因此為了保證絲材的表面質(zhì)量和組織成分均勻性，需要在拉絲結(jié)束后進(jìn)行成品退火處理。成品退火可消除絲材由于拉絲過程塑性形變加工而造成的殘余應(yīng)力，絲材再次進(jìn)行均勻化以及穩(wěn)定晶粒尺寸。試驗(yàn)選用650～750℃退火溫度進(jìn)行研究，退火時間1 h，金相樣品磨面取自絲材橫截面，研磨拋光后用溶液侵蝕，對金相組織進(jìn)行觀察和分析，不同溫度絲材截面的組織如圖5 所示。從圖5 中可以看出，650 ℃時合金的晶粒大小從10 μm 到20 μm 不等，尺寸不均勻，隨著溫度由650 ℃升高至700 ℃，晶粒尺寸趨于均勻，而 750 ℃退火1 h 后，晶粒長大明顯，部分晶粒尺寸超過30 μm，因此合適的成品退火工藝為700℃、1 h。對退火后的絲材進(jìn)行SEM 分析，如圖6 所示，Cu35Ni5In 絲材的元素分布及微觀組織均勻，未見明顯的偏析現(xiàn)象，絲材良好的組織結(jié)構(gòu)均勻性有助于提高涂層的性能。

圖5 不同成品退火溫度對組織的影響：(a) 650℃;(b) 700℃;(c) 750℃Fig.5 Effects of different annealing temperature on microstructure:(a) 650℃;(b) 700 ℃;(c) 750 ℃

圖6 700℃、1h 退火后Cu35Ni5In 絲材的SEM 照片F(xiàn)ig.6 SEM image of Cu35Ni5In wire annealed at 700 ℃ for 1 h

3 結(jié)論

(1) 均勻化退火顯著提高了Cu35Ni5In 的鑄態(tài)組織及成分分布均勻性，消除了枝晶和晶內(nèi)出現(xiàn)的偏析。850～1000 ℃范圍內(nèi)，隨著熱處理溫度的提高，合金的鑄錠組織均勻性有了明顯的改善，經(jīng)1000 ℃退火后枝晶基本消失，綜合考慮合金的熔點(diǎn)，合適的均勻化退火溫度以1000 ℃×2 h為宜。

(2) CuNiIn 絲桿進(jìn)行中間退火提高了CuNiIn絲桿的力學(xué)性能。650～800 ℃隨著退火溫度的升高，抗拉強(qiáng)度從282 MPa 逐漸增加至450 MPa，在退火過程中未發(fā)生相變。溫度升高至850 ℃之后，抗拉強(qiáng)度略有下降。

(3) 成品退火可使CuNiIn 絲材組織再次進(jìn)行均勻化以及穩(wěn)定晶粒尺寸。650～700 ℃隨著成品退火溫度的升高，合金的晶粒尺寸從10 μm 長大至約20 μm，晶粒尺寸趨于均勻，絲材的元素分布及微觀組織均勻，未見明顯的偏析現(xiàn)象，而750 ℃退火1 小時后，晶粒長大明顯，部分晶粒尺寸超過30 μm。