Q345R表面鈦涂層的激光熔覆制備及顯微組織研究

周彬彬，卞祥宇 ，丁 度，陸 鼎，張萬超，于 鵬，業(yè) 成，張伯君

(1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué) 工程技術(shù)實訓(xùn)中心，南京 210023；2.南京鍋爐壓力容器檢驗研究院 技術(shù)研發(fā)部，南京 210028)

作為一種具有優(yōu)異性價比的新興表面改性技術(shù)，激光熔覆技術(shù)可以降低材料消耗，提高加工效率，相較于傳統(tǒng)金屬焊接及加工工藝體現(xiàn)出極大優(yōu)勢。并且，智能化及自動化的發(fā)展趨勢使激光熔覆技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景[1-5]。

鈦/鋼復(fù)合板是將鈦的優(yōu)異耐腐蝕性及鋼材的優(yōu)秀力學(xué)性能相結(jié)合，從而降低了純鈦設(shè)備的制造成本，因此被廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)的醋酸、醋酐、對苯二甲酸及核電設(shè)備裝置中[6-7]。目前，制造鈦/鋼復(fù)合板最常采用的是爆炸焊接軋制技術(shù)，然而，爆炸焊接技術(shù)參數(shù)設(shè)置不精準(zhǔn)，將導(dǎo)致界面焊接缺陷[8-9]。近年來，鋼材表面鈦涂層的激光熔覆制備研究已逐漸取得進展。趙志偉等[10]對鋼材表面激光熔覆制備鈦涂層的顯微組織展開研究，發(fā)現(xiàn)鈦層組織從柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪罹Ш偷容S晶，Q235 鋼熱影響區(qū)為晶粒細(xì)化的馬氏體組織，界面過渡層形成的新組織為TiFe和Fe2Ti。楊勝等[11]研究了鈦/鋼激光焊接接頭微觀組織，研究發(fā)現(xiàn)，提高焊接速度會降低過渡區(qū)Ti-Fe化合物的含量。

由于鈦材與鋼材存在顯著的物理化學(xué)性能差異，為了防止界面處產(chǎn)生脆性Ti-Fe金屬間化合物，通常采用銅、鎳、釩作為過渡層[12-13]。王培等[14]研究了Q235鋼表面激光熔覆鈦涂層的顯微組織，發(fā)現(xiàn)鎳過渡層的引入能夠有效減少脆性金屬間化合物的生成。邊婧如等[15]研究了鈦/銅/鋼異種金屬等離子焊接頭的顯微組織分布，發(fā)現(xiàn)鈦層、銅層的顯微組織分別為細(xì)針狀樹枝晶和柱狀樹枝晶，鋼層熱影響區(qū)組成相包括細(xì)小的珠光體、細(xì)小的鐵素體以及粗大的鐵素體，銅/鈦界面有大量CuTi2、CuTi等低脆性金屬間化合物析出。銅的熱膨脹系數(shù)介于鈦與鋼，且等離子焊接中以其為過渡層的鈦涂層界面處硬度，要遠小于采用鎳、釩作為過渡層時的硬度值。郝開放[16]對以銅為填充材料的激光焊接接頭的研究表明，銅/鐵熔合線附近區(qū)域元素擴散距離較短，有利于避免形成過多的金屬間化合物，銅向鈦側(cè)擴散距離較短，僅在界面附近以及銅側(cè)存在Cu-Ti化合物。目前，以銅為過渡層的鈦涂層激光熔覆制備研究還十分欠缺。

為此，本文將采用銅為過渡層、表面激光熔覆鈦涂層的Q345R鋼板為研究對象，研究各層凝固組織、結(jié)合界面顯微組織、元素擴散行為及顯微硬度，以期為鋼材表面激光熔覆制備鈦涂層的工程應(yīng)用提供理論參考。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗采用基材為Q345R板，尺寸為600 mm×300 mm×22 mm。過渡層和覆層分別采用Cu和工業(yè)純鈦TA2粉末進行熔覆，兩種粉末規(guī)格一致，為100～300目。激光器為創(chuàng)鑫6 000 W光纖激光器，通過同軸送粉的方式進行單道次熔覆。首先在Q345R基體上熔覆Cu過渡層，待其冷卻后，用酒精將表面擦洗干凈，然后再熔覆TA2層。激光熔覆過渡層前，采用角磨機打磨Q345R低碳鋼板，去除表面氧化物，而后用丙酮清洗焊接區(qū)以去除油污。激光熔覆參數(shù)如下：Cu過渡層，功率1 400 W、光斑4 mm、速度800 mm/min、送粉量2 g/s；TA2覆層，功率2 400 W、光斑4 mm、速度800 mm/ min、送粉量2.5 g/s，三通道，氬氣保護，流速5 L/min。兩層均采用搭接2 mm，搭接率50%。過渡層和覆層熔覆層數(shù)均為1層，沿寬度方向進行熔覆，道數(shù)約為300。熔覆后，Cu過渡層厚度約為1 mm，覆層厚度約為0.98 mm。

1.2 測試方法

首先進行金相觀察，腐蝕液選擇如下：Q345R，4%硝酸酒精溶液；銅過渡層，7 g FeCl3+30 mL HCl+60 mL H2O；鈦層，4 mL HF+6 mL HNO3+70 mL H2O。采用蔡司AXIO Imager Alm光學(xué)顯微鏡觀察3種材料的顯微組織。使用Horiba 7021-H能譜分析儀(EDS)對元素擴散行為進行分析。采用HV S-1000Z型顯微硬度計測量材料厚度方向顯微硬度分布。測試方法為:以Q345R/Cu結(jié)合面為基準(zhǔn)線，分別向Q345R層、Cu層和TA2層進行測量，測量點間隔約0.25 mm，測試力F=1.96 N，加載時間t=10 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織觀察

激光熔覆的凝固過程屬于快速凝固過程，顯微組織取決于二者的比值(溫度梯度G/凝固速率R)。熔池底部，G/R最大，易形成無明顯組織特征的界面熔合組織。在熔覆層中部，G/R逐漸減小，形成柱狀晶組織，方向垂直于界面。在熔覆層頂部，G/R最小，易形成胞狀晶和等軸晶[10]。

2.1.1 TA2層

觀察每一條熔覆軌跡，發(fā)現(xiàn)鈦層中部組織為均勻分布的單一柱狀樹枝晶，如圖1(a)所示，與前一條熔覆軌跡交界處為不具備明顯方向性的樹枝晶。

圖1 TA2層宏觀形貌(a)及顯微組織(b)Fig.1 Macro-morphology (a) and microstructure (b) of TA2 layer

凝固過程中，樹枝晶的形態(tài)取決于結(jié)晶前沿的溫度情況。熔池中部，由于凝固速率較大，晶核形成后向成分過冷深處不斷生長，從而形成大量柱狀樹枝晶。與前一條熔覆軌跡交界處的溫度梯度大于鈦熔覆層中部，因此，來不及形成柱狀樹枝晶，微觀上表現(xiàn)為不具備明顯方向性的樹枝晶。此外，由于反應(yīng)氣體來不及逸出，在相鄰熔覆軌跡交界處觀察到氣孔缺陷，見圖1(b)。

2.1.2 TA2/Cu結(jié)合界面

激光熔覆過程中，銅層表面為半熔化狀態(tài)，使得熔融鈦能夠深入到銅層內(nèi)部，因此，TA2/Cu結(jié)合界面呈現(xiàn)出不規(guī)則的波紋形貌。鈦材中結(jié)合界面附近觀察到等軸樹枝晶，距離界面越近，枝晶尺寸越細(xì)小，如圖2(a)所示。

圖2 TA2/Cu界面顯微組織Fig.2 Microstructure of TA2/Cu interface: (a) TA2 side; (b) Cu side

激光熔覆過程中，銅層為過渡層，先于鈦層進行熔覆。熔覆鈦粉時，銅層為冷端，融化的鈦粉遇到銅層后，溫度急劇下降，冷卻速率較快，因此，晶粒來不及長大，從而形成細(xì)小而緊密的等軸樹枝晶。在結(jié)合界面處銅側(cè)觀察到5～10 μm的熔合層，即無組織結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示。緊靠熔合層的是形狀不規(guī)則的細(xì)小晶粒，稍遠處為尺寸較大的柱狀樹枝晶。

通常，結(jié)晶由形核和晶體長大兩個過程組成，形核速率和生長速率的相對大小決定晶粒的數(shù)量和大??；而凝固前沿的過冷度是其決定因素。鈦側(cè)結(jié)合界面處過冷度大，并且銅表面的異質(zhì)形核質(zhì)點促使形核速率較大而生長速率相對較小，同時凝固前沿過冷度相對均勻，這是細(xì)小等軸晶形成的主要原因。

2.1.3 Cu層

銅層中部區(qū)域的顯微組織為典型柱狀樹枝晶，枝晶趨向于垂直相鄰熔覆軌跡表面生長，如圖3(a)所示。本文中，相鄰熔覆軌跡搭接2 mm，因此，銅層(熱端)向前一條熔覆軌跡(冷端)散熱形成垂直溫度梯度，柱狀樹枝晶生長方向垂直于前一條熔覆軌跡表面，主要原因是銅層在快速凝固過程中，晶粒沿熔池中散熱較快的方向迅速長大。

圖3 Cu層顯微組織Fig.3 Microstructure of Cu layer: (a) overall morphology; (b) near the interface

另一方面，在銅/鋼結(jié)合界面銅側(cè)，與鋼層接觸的未搭接區(qū)域，顯微組織表現(xiàn)為垂直于界面的細(xì)小樹枝晶向等軸樹枝晶的過渡，細(xì)小樹枝晶垂直方向的厚度約為20 μm，如圖3(b)所示。細(xì)小樹枝晶的形成是由于較高的凝固前沿過冷度，而類似等軸樹枝晶的晶粒的形成是由于該區(qū)域受到后一條熔覆軌跡搭接的影響，晶粒在不均勻的熱量影響下發(fā)生晶?；貜?fù)，但由于未達到完全再結(jié)晶溫度，因此并不是真正的等軸晶。

2.1.4 Cu/Q345R結(jié)合界面

銅層與鋼層形成了平直的結(jié)合界面，無裂紋及明顯的熔覆缺陷，兩側(cè)顯微組織如圖4所示。由于銅不屬于碳化物形成元素，因此，僅以原子狀態(tài)存在于鐵素體、奧氏體等固溶體中，故銅/鋼界面處亦不存在第二相。圖4(a)中，結(jié)合界面銅側(cè)可觀察到厚度約為20 μm的細(xì)小樹枝晶分布帶。該部分樹枝晶尺寸明顯小于銅層中部柱狀樹枝晶，且方向基本垂直于結(jié)合界面，與凝固過程中溫度梯度方向一致。

圖4 Cu/Q345R界面顯微組織Fig.4 Microstructure of Cu/Q345R interface: (a) Cu side; (b) Q345R side

圖4(b)中，鋼側(cè)顯微組織由粒狀貝氏體、細(xì)小的鐵素體和珠光體組成。熔覆過程中產(chǎn)生的大量熱量導(dǎo)致該區(qū)域發(fā)生了重結(jié)晶或不完全重結(jié)晶，區(qū)域組織發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生細(xì)小的鐵素體相和珠光體相。

2.1.5 Q345R層

由圖5可見，Q345R層近界面處組織及遠離界面處組織存在顯著差異。激光熔覆過程中，Q345R層作為基材，在其表面熔覆Cu粉末時，Q345R組織受到強烈的熱量影響，顯微組織發(fā)生顯著變化，存在明顯的熱影響區(qū)。

圖5 Q345R層顯微組織Fig.5 Microstructure of Q345R layer: (a) near the interface; (b) far away from the interface

熱影響區(qū)組織晶粒尺寸細(xì)小且分布不均勻，見圖5(a)。熔覆過程中產(chǎn)生的大量熱量導(dǎo)致熱影響區(qū)組織發(fā)生了重結(jié)晶或不完全重結(jié)晶。近界面組織受到熱量影響，碳化物向鐵素體擴散，導(dǎo)致鐵素體晶界變得模糊，與珠光體不再呈現(xiàn)明顯的分層結(jié)構(gòu)。熱影響區(qū)觀察到細(xì)小的鐵素體相和珠光體相，表面熱影響區(qū)組織發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。遠離界面處鋼材顯微組織為典型Q345R母材顯微組織，即由鐵素體和珠光體組織組成，呈現(xiàn)帶狀分布，如圖5(b)所示。

2.2 元素擴散行為

TA2/Cu界面處元素擴散結(jié)果如圖6所示，可以看到存在明顯的過渡區(qū)域。圖6表明，距離鈦層越近，銅元素的含量越低，熔合區(qū)中的金屬間化合物的成分也隨之發(fā)生變化。熔合區(qū)的顯微組織方面，銅和鈦在高溫下會形成多種低熔點共晶體和金屬間化合物，包括 Ti2Cu、TiCu、Ti3Cu4、Ti2Cu3等[15]。對TA2/Cu界面處熔合區(qū)進行的XRD分析結(jié)果表明，熔合區(qū)組織為金屬化合物TiCu2和融入該區(qū)域的Cu，如圖7所示。

圖6 TA2/Cu結(jié)合界面元素擴散行為Fig.6 Element diffusion behavior at TA2/Cu bonding interface:(a) scanning path; (b) element diffusion

圖7 鈦-銅過渡層的XRD譜圖Fig.7 XRD patterns of TA2-Cu transition layer

從圖 8可以看出，Cu、Fe元素在Cu/Q345R結(jié)合界面處的含量急劇變化，元素擴散距離約為1～2 μm，表明激光熔覆過程中，銅/鐵界面處的Cu、Fe元素擴散行為并不顯著。

圖8 Cu/Q345R界面元素擴散行為Fig.8 Element diffusion behavior at Cu/Q345R interface:(a) scanning path; (b) element diffusion

2.3 顯微硬度分析

圖9為材料厚度方向上維氏硬度(HV)測試結(jié)果。圖9表明，銅層硬度最低，鋼層硬度最高。銅/鋼界面硬度與銅層接近，顯著低于鋼層硬度，主要是因為其結(jié)合界面處沒有產(chǎn)生脆性金屬化合物，且不存在元素擴散。

圖9 激光熔覆TA2/Cu/Q345R顯微硬度Fig.9 Micro-hardness of laser cladding TA2/Cu/Q345R composite plate

鈦/銅界面過渡區(qū)存在多種金屬化合物，但其硬度較低，硬度介于鈦層與銅層硬度之間，形成了過渡層與覆層之間的性能過渡。銅作為過渡層，與TA2、Q345R均具有良好的焊接性能，銅作為中間層能夠有效避免TA2與Q345R直接復(fù)合產(chǎn)生脆性金屬化合物。

3 結(jié) 論

Cu與TA2、Q345R均具有良好的焊接性能，銅作為中間層能夠有效避免TA2與Q345R直接復(fù)合產(chǎn)生脆性金屬化合物。

1)TA2層以均勻分布的單一柱狀樹枝晶為主，近界面形成了細(xì)小而緊密的等軸樹枝晶。TA2/Cu結(jié)合界面，界面出現(xiàn)熔合區(qū)，組織呈現(xiàn)多樣性。熔合區(qū)銅側(cè)觀察到5～10 μm的熔合層，熔合層Cu側(cè)組織為細(xì)小柱狀樹枝晶。

2)Cu層組織以柱狀樹枝晶為主，枝晶趨向于垂直相鄰熔覆軌跡表面生長。Cu/Q345R結(jié)合界面銅側(cè)的未搭接區(qū)域，組織為垂直于界面的細(xì)小樹枝晶向等軸樹枝晶的過渡。

3)Q345R層熱影響區(qū)組織由粒狀貝氏體、細(xì)小的鐵素體和珠光體組成，這主要是由于該區(qū)域發(fā)生了重結(jié)晶或不完全重結(jié)晶。遠離界面處組織為典型的鐵素體和珠光體組織，呈現(xiàn)帶狀分布。

4)TA2/Cu結(jié)合界面存在熔合區(qū)，觀察到顯著的元素擴散行為，而Cu/Q345R結(jié)合界面不存在熔合區(qū)，Cu、Fe元素在Cu/Q345R結(jié)合界面處的含量急劇變化，擴散距離約為1～2 μm。

5)顯微硬度方面，鈦/銅界面硬度低于鈦層，高于銅層。銅/鋼界面硬度高于銅層，低于鋼層。可見，結(jié)合界面的硬度實現(xiàn)了兩側(cè)材料硬度的過渡，表明熔覆過程中界面處未產(chǎn)生脆性化合物，有效避免了界面微裂紋的產(chǎn)生。