基于響應(yīng)曲面法優(yōu)化2205雙相不銹鋼層等離子弧熔覆工藝

杜道忠,張 超,謝 鵬,饒嘉威

(1.江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院公用事業(yè)學(xué)院,常州 213000;2.江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

石油工業(yè)中的冷卻水交換器、大型儲油罐,核電燃料池與海水淡化系統(tǒng)等所用大型鋼鐵結(jié)構(gòu)件大多服役于較為嚴(yán)苛的腐蝕環(huán)境,其材料的耐腐蝕性能要求很高。出于對成本控制與焊接性的考慮,這些結(jié)構(gòu)件大部分采用碳素鋼或低合金鋼,表面極易發(fā)生局部腐蝕[1-4]。2205雙相不銹鋼不僅具備奧氏體鋼良好的塑韌性及焊接性,還擁有鐵素體鋼的高強(qiáng)度和優(yōu)異的耐腐蝕性[5],熔覆于低碳鋼表面,可提高其表面耐腐蝕性能,同時保證一定的強(qiáng)度,進(jìn)而延長服役壽命。

等離子弧熔覆技術(shù)是利用等離子弧熱源熔化合金粉末或絲材及基體近表層,冷卻凝固后形成冶金結(jié)合層的一種表面強(qiáng)化技術(shù),具有稀釋率小、熔覆層組織致密且與基體結(jié)合良好、熱影響區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)。相比于激光熔覆層,等離子弧熔覆層不易產(chǎn)生氣孔、組織偏析及裂紋等缺陷[6-8]。利用這一技術(shù)對不銹鋼大型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行表面強(qiáng)化與修復(fù),有利于延長其使用壽命。目前,學(xué)者們對等離子弧熔覆工藝進(jìn)行了大量研究。朱凱等[9]研究發(fā)現(xiàn),等離子弧堆焊工藝參數(shù)中對司太立合金堆焊層稀釋率影響程度從大到小的排序?yàn)樗头哿?、轉(zhuǎn)移弧電流、堆焊速度,最優(yōu)工藝參數(shù)下的堆焊層稀釋率僅為2.2%,表面硬度達(dá)到440 HV左右。黃詩銘等[10]對等離子弧噴焊原位TiN顆粒增強(qiáng)層工藝進(jìn)行了正交優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化層表面硬度與耐磨性能影響因素的主次順序?yàn)楹附与娏鳌⑺头哿亢秃附铀俣?。WEI等[11]研究發(fā)現(xiàn),在最佳等離子弧熔覆工藝參數(shù)下制備的碳化鎢增強(qiáng)鎳基合金熔覆層無裂紋,擁有極高的硬度與良好的耐磨性。然而,采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化材料工藝參數(shù),只能分析離散型數(shù)據(jù),無法考慮工藝參數(shù)之間的交互作用。響應(yīng)曲面法則能直接得出影響因子與響應(yīng)值間的擬合函數(shù)與三維曲面圖,直觀反映影響因子與響應(yīng)值間的關(guān)系和因子間的交互作用。因此,作者采用等離子弧熔覆技術(shù)在Q345鋼表面制備2205雙相不銹鋼熔覆層,采用響應(yīng)曲面法分析了熔覆速度、熔覆電流和送絲速度及其相互作用對熔覆層稀釋率、寬高比的影響,并獲得了優(yōu)化的等離子弧熔覆工藝,以期為不銹鋼大型結(jié)構(gòu)件用熔覆層質(zhì)量的預(yù)測與控制提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用熔覆絲材為直徑1.2 mm的2205雙相不銹鋼實(shí)心焊絲,基板為Q345鋼,尺寸為160 mm×70 mm×10 mm,兩者化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)如表1所示。對基板進(jìn)行機(jī)械清理,去除表面鐵銹,再用無水乙醇清洗表面并烘干。

表1 2205雙相不銹鋼焊絲與Q345鋼基板的化學(xué)成分

采用DML-V03AD型等離子弧熔覆設(shè)備在Q345鋼表面制備2205雙相不銹鋼熔覆層。通過前期調(diào)研及單因素試驗(yàn),優(yōu)選熔覆電流X1、熔覆速度X2、送絲速度X3作為主要影響因子,相應(yīng)的稀釋率η、寬高比ψ作為響應(yīng)值,設(shè)計了3因素5水平(見表2)的試驗(yàn)。采用Design-Expert軟件中的Central composite design(CCD)設(shè)計試驗(yàn),并進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,設(shè)計試驗(yàn)數(shù)為20組。等離子弧熔覆其他工藝參數(shù)如下:保護(hù)氣體和離子氣體均為氬氣,保護(hù)氣體流量為17 L·min-1,離子氣體流量為1.5 L·min-1,噴嘴與基板距離為12 mm。熔覆路徑及熔覆層截面如圖1所示,圖中B為熔寬,h為熔深,H為層高。

圖1 熔覆路徑和熔覆層截面形狀示意Fig.1 Schematic of cladding path (a) and sectional shape of cladding layer (b)

表2 響應(yīng)曲面試驗(yàn)因素及水平

沿2205雙相不銹鋼熔覆層垂直方向截取尺寸為25 mm×25 mm×10 mm的金相試樣,對試樣進(jìn)行研磨、拋光后用Behara試劑(88 mL H2O+12 mL HCl+1.2 g K2S2O5)腐蝕10 s,采用ZEISS Axioskop 2 MAT型光學(xué)顯微鏡觀察橫截面宏觀形貌,測量熔覆層橫截面的熔寬、熔深和層高,計算稀釋率和寬高比,計算公式如下:

(1)

(2)

通過稀釋率與寬高比判斷熔覆層成形質(zhì)量:稀釋率表征基材中元素溶入引起的熔覆層成分的變化程度,過大或過小都會影響熔覆層性能[12-15];寬高比越大,熔覆絲材在基材表面的鋪展能力越強(qiáng),則熔覆層越扁平,搭接率越大[16-17]。

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)曲面分析結(jié)果

采用二次多項式數(shù)學(xué)模型對試驗(yàn)結(jié)果(見表3)進(jìn)行擬合,二次回歸方程的一般表達(dá)式如下:

(3)

式中:y為回歸模型的輸出響應(yīng)值;xj為影響因素;b0、bj、bkj、bjj為二次回歸系數(shù)。

通過對二次模型方程進(jìn)行分析,最終獲得稀釋率與寬高比的擬合方程分別為

η=7.32+6.70X1-1.14X2-4.96X3-

0.17X1X2-1.35X1X3-0.20X2X3+

(4)

ψ=2.72+1.28X1-0.16X2-0.93X3-

0.024X1X2-0.28X1X3+0.021X2X3+

(5)

由表4和表5可知:稀釋率與寬高比擬合模型的p值均小于0.000 1,表明模型顯著性高;兩者失擬度的p值分別為0.136 7,0.326 7,均大于0.05,并不顯著,表明模型具有良好的精度,選取的影響因素對響應(yīng)目標(biāo)的影響顯著;兩者的r2分別為0.984 4,0.982 1,均十分接近1,說明與試驗(yàn)測試值極為接近,模型的相關(guān)性好;兩者的信噪比精度均遠(yuǎn)大于4,說明模型在試驗(yàn)中的信號充足,進(jìn)一步表明模型可靠。

表4 稀釋率擬合模型的方差分析結(jié)果

表5 寬高比擬合模型的方差分析結(jié)果

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷捻憫?yīng)曲面圖

由圖2(a)可知:3種工藝參數(shù)對稀釋率的影響程度由大到小依次為熔覆電流、送絲速度、熔覆速度。隨著熔覆電流增大,稀釋率急劇增加,這是由于增大電流會增大熱輸入,在送絲量不變的情況下,額外的熱量會熔化更多的母材,另外增大電流使得焊槍中產(chǎn)生的磁場對等離子弧的壓縮作用更強(qiáng),穩(wěn)定的弧柱對熔池產(chǎn)生沖擊作用,使熔池發(fā)生下陷,熔深增加;當(dāng)送絲速度小于65 mm·s-1(編碼值為0.5)時,稀釋率隨著送絲速度增大而減小,影響較為顯著,這是因?yàn)榭偀彷斎氩蛔兊那闆r下增大單位時間內(nèi)的送絲量,熔覆層單位面積內(nèi)的熱輸入降低,且送絲量增大后熔池的流動性降低,故稀釋率減小;熔覆速度對稀釋率的影響并不明顯。稀釋率擬合模型的方差分析結(jié)果表明,在稀釋率模型的兩因素交互作用中,熔覆電流和送絲速度的p值最小,r2非常顯著。綜上可知,熔覆電流和送絲速度的交互作用將對熔覆層的稀釋率產(chǎn)生顯著影響。利用式(4)繪制相應(yīng)的響應(yīng)曲面圖(熔覆速度為5 mm·s-1),見圖2(b),可知:熔覆電流和送絲速度的交互作用對熔覆層稀釋率的影響比較顯著;熔覆電流越大,送絲速度越小,稀釋率越大,當(dāng)熔覆電流為120 A,送絲速度為40 mm·s-1時,稀釋率高達(dá)60%。綜上,為了獲得稀釋率低的熔覆層,盡量采用小熔覆電流、高送絲速度的工藝參數(shù)。

圖2 熔覆層稀釋率的攝動圖和響應(yīng)曲面圖Fig.2 Perturbation diagram (a) and response surface diagram (b) of dilution rate of cladding layer

由圖3(a)可知:3種工藝參數(shù)對寬高比的影響程度由大到小依次為熔覆電流、送絲速度、熔覆速度。當(dāng)熔覆電流增大時,寬高比增大,這是因?yàn)殡娏髟龃笫沟萌鄹步z材在基板表面的鋪展能力增強(qiáng),熔寬增大,同時基板表層熔化,使得熔池下陷,熔覆層余高減小;當(dāng)送絲速度增大時,寬高比減小,這是因?yàn)樗徒z速度增大導(dǎo)致單位面積熱輸入減小,熔覆絲材鋪展能力減弱,故熔寬減小,余高增大;熔覆速度對寬高比的影響并不明顯。結(jié)合寬高比擬合模型的方差分析結(jié)果可知,熔覆電流和送絲速度的交互作用將對熔覆層的寬高比產(chǎn)生顯著影響。利用式(5)繪制相應(yīng)的響應(yīng)曲面圖(熔覆速度為5 mm·s-1),結(jié)果如圖3(b)所示,可知熔覆電流和送絲速度的交互作用對熔覆層寬高比的影響效應(yīng)比較顯著。綜上,為獲得寬高比較大、均勻平坦的熔覆層,應(yīng)盡可能采用大熔覆電流、小送絲速度的工藝參數(shù)。

圖3 熔覆層寬高比的攝動圖和響應(yīng)曲面圖Fig.3 Perturbation diagram (a) and response surface diagram (b) of width to height ratio of cladding layer

2.3 最優(yōu)工藝的確定及試驗(yàn)驗(yàn)證

預(yù)測得到的最優(yōu)工藝參數(shù)為熔覆電流99 A、熔覆速度6 mm·s-1、送絲速度50 mm·s-1,此時所制備的2205雙相不銹鋼熔覆層稀釋率和寬高比分別為14.8%和4.36。

最優(yōu)工藝參數(shù)下制備的熔覆層形貌見圖4,熔覆層光滑連續(xù),有金屬光澤,成形較好。試驗(yàn)測得最優(yōu)工藝參數(shù)下制備熔覆層的平均稀釋率約為14.6%,平均寬高比為4.33。 稀釋率和寬高比預(yù)測值與試驗(yàn)值之間的相對誤差分別為2.9%和2.3%,表明該優(yōu)化模型具有較高的精確度。

圖4 最優(yōu)工藝制備2205雙相不銹鋼熔覆層的表面形貌和截面形貌Fig.4 Surface morphology (left) and cross section morphology (right) of 2205 duplex stainless steel cladding layer prepared under optimal process

3 結(jié) 論

(1) 通過響應(yīng)曲面法建立了2205雙相不銹鋼等離子弧熔覆層稀釋率、寬高比的二次數(shù)學(xué)模型,可知熔覆電流與送絲速度及其交互作用均對熔覆層的稀釋率與寬高比具有顯著的影響。當(dāng)采用小熔覆電流和大送絲速度等離子弧熔覆工藝時,熔覆層稀釋率較小;當(dāng)采取大熔覆電流和小送絲速度熔覆工藝時,熔覆層寬高比較大。

(2) 預(yù)測得到的最優(yōu)工藝參數(shù)為熔覆電流99 A、熔覆速度6 mm·s-1、送絲速度50 mm·s-1,此時熔覆層稀釋率和寬高比分別為14.8%和4.36,與試驗(yàn)值的相對誤差分別為2.9%和2.3%,說明模型可靠。采用最優(yōu)工藝制備的熔覆層光滑連續(xù),成形較好。