李永平, 徐依文, 徐培全

(1.上海工程技術(shù)大學航空運輸學院,上海 201620;2.同濟大學航空航天與力學學院,上海 200092;3.上海工程技術(shù)大學材料工程學院,上海 201620）

一種基于稀土堆焊合金的鎳基合金表面堆焊研究

李永平1,2, 徐依文3, 徐培全3

(1.上海工程技術(shù)大學航空運輸學院,上海 201620;2.同濟大學航空航天與力學學院,上海 200092;3.上海工程技術(shù)大學材料工程學院,上海 201620）

研究了鎳基合金的組織、相組成,進行了鎳基合金表面堆焊工藝試驗,研究了堆焊層宏觀組織及微觀組織的分布,并進行了堆焊層及界面區(qū)域的顯微硬度分布測試。結(jié)果表明:提出的鎳基合金由γ-(Ni,Fe）,FeNi3,Ni和少量的Fe2C組成,堆焊層組織分布均勻,無開裂、氣孔等缺陷,顯微硬度從174HV0.2提高到780HV0.2。

鎳基合金;堆焊層;線膨脹系數(shù);顯微組織

由于鎳基合金具有低膨脹系數(shù)的特點,在航空航天精密關(guān)鍵零部件、軍事武器以及石油運輸容器等儀器、設(shè)備的生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛[1]。由于鎳基合金強度較低,耐磨性和高溫性能差,在特殊的應(yīng)用場合,常常無法發(fā)揮優(yōu)勢。國內(nèi)外在鎳基合金強化領(lǐng)域開展了許多研究,包括鎳基合金體系強化、時效強化、利用B提高鎳基合金高溫熱強性以及鎳基合金表面改性等[2,3],但鎳基合金強度仍然無法滿足特殊場合強度要求及高溫熱強性要求,堆焊技術(shù)仍是目前廣泛常用的修復(fù)方法之一[4]。

目前常規(guī)修復(fù)技術(shù)的種類很多,每種技術(shù)有其擅長之處,也有應(yīng)用的局限性,而精密可控成形再制造的修復(fù)技術(shù)已成為重要發(fā)展方向。目前采用的修復(fù)技術(shù)主要有機械加工、電刷鍍、電弧或火焰堆焊、TIG(鎢極氬?。┖浮釃娡?(火焰、等離子 ）、激光熔覆等[5]。利用堆焊技術(shù)可以改變零件表面的化學成分和組織結(jié)構(gòu),完善其性能,延長零件的使用壽命,具有重要的經(jīng)濟價值?，F(xiàn)代裝備制造領(lǐng)域產(chǎn)品的修復(fù)已經(jīng)由計劃維修發(fā)展到診斷維修、預(yù)知維修,進而跨越發(fā)展到“再制造”階段,這是推進高科技維修手段產(chǎn)業(yè)化的重大突破。憑借高科技維修方式,可使老化、發(fā)生故障的重大裝備重新煥發(fā)生機,“再制造”的成本僅是生產(chǎn)新品的40%左右[6,7]。

在堆焊合金中,加入少量的稀土將起到很好的作用,作為稀土資源的最大擁有國,合理開發(fā)利用豐富的稀土資源,對我國國民經(jīng)濟的發(fā)展具有舉足輕重的現(xiàn)實價值和戰(zhàn)略意義。稀土在堆焊層界面的作用包括:微合金化作用、凈化作用、捕氫作用、彌散強化作用,往往偏聚于晶界,引起晶界的結(jié)構(gòu)、化學成分和能量的變化,使界面層組織顯著細化,并影響其它元素的擴散與新相的形核和長大,最終引起界面組織與性能的變化[8～10]。本研究采用稀土堆焊合金,研究了鎳基合金表面的TIG堆焊工藝及組織和性能。

1 試驗材料與試驗方法

本試驗選擇鎳鐵基合金作為堆焊試驗?zāi)覆?選擇WC-Y2O3-SiC作為堆焊合金,成分如表1所示。鎳鐵基合金的成分為42%Ni,58%Fe,屬于因瓦合金的一種,該合金采用真空感應(yīng)熔煉的方法熔煉而成,經(jīng)測試,該合金在30～100℃,30～200℃,30～300℃范圍的平均熱脹系數(shù)分別為:α30～100=4.38 ×10-6;α30～200=4.74 ×10-6;α30～300=4.94 ×10-6,符合合金的因瓦性 。所有試樣在使用之前要用丙酮或酒精仔細清洗,去除油圬,稀土堆焊合金由WC,Y2O3和SiC組成,成分(質(zhì)量分數(shù)）分別為48%,4%和48%。

本試驗選用鎢極氬弧焊接方法,采用MASTERTIG AC/DC 2500型焊機。堆焊工藝如表2所示,試驗采用氬氣為保護氣體,氬氣流量為10L/min。LYMPUS-BX51M型光學顯微鏡下進行分析,利用HXD-1000型顯微硬度儀測試堆焊層界面顯微硬度分布。

表1 堆焊試驗?zāi)覆募岸押负辖鸪煞?質(zhì)量分數(shù)/%）Table 1 Chemical composition of body material and deposited metal for welding(mass fraction/%）

表2 堆焊工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters for overlaying welding

2 試驗結(jié)果與分析

堆焊組織采用5%的鹽酸溶液腐蝕或者采用草酸和HF的混合酸作為腐蝕液,腐蝕后在O-

3.1 鎳基合金顯微組織分析

基體顯微組織如圖1所示,圖1a是母材顯微組織,1050℃退火2h后的組織如圖1b所示,鎳基合金有明顯的晶界,基體主要為 γ-(Ni,Fe）,晶界有塊狀體析出,在退火后,部分析出物又重新溶入基體,析出物減少,鎳基合金主要相組成如圖2所示,分析得知,主要的相包括 γ-(Ni,Fe）,FeNi3,Ni和少量的Fe2C。

圖1 鎳基合金顯微組織分析 (a）母材顯微組織;(b）退火(1050℃/2h）顯微組織Fig.1 Microstructure analysis of NiFe nickel alloy(a）NiFe nickel alloy microstructure;(b）microstructure after 1050℃annealing for two hours

圖2 鎳基合金主要相組成Fig.2 Primary phase's analysis

2.2 堆焊層宏觀組織分析

利用TIG氬弧焊堆焊技術(shù),表面堆焊后所形成的外觀如圖3所示。

在堆焊過程中,因為焊接環(huán)境限制或者是焊接工藝參數(shù)的問題,也容易形成焊接缺陷,主要缺陷如圖4所示。

整個堆焊過程都采用鎢極氬弧焊堆焊的方法,但由于受焊接技術(shù)環(huán)境條件制約,比如不能很好的固定堆焊合金等,導(dǎo)致焊接不成型或不完全溶透。另外由于電流調(diào)的過大,導(dǎo)致個別試樣熔塌和過熔合。

2.3 堆焊層及過度界面顯微組織分析

利用TIG堆焊技術(shù),在鎳基合金表面獲得的堆焊層及其界面如圖5所示。

從鎳基合金堆焊層界面的光學顯微組織圖中可以看出,母材與堆焊合金的過渡界面明顯,兩種材料的晶界差別較大,并在交界的地方自然轉(zhuǎn)換,成一條不規(guī)則的曲線。晶粒比較細的是堆焊層,晶粒比較大的是母材即鎳基合金。在圖上還能看到一些黑色的點,有些是殘留在材料上的雜質(zhì),另外的一些可能是焊接冷卻工程中產(chǎn)生的小氣孔,還能看到有一些微小的裂紋及磨制過程中產(chǎn)生的劃痕。利用TIG堆焊技術(shù),在鎳基合金表面獲得的堆焊層宏觀組織如圖6所示。

從圖6很可以看出,堆焊宏觀組織分布均勻,無 未熔合、氣孔、夾雜等缺陷,顯微組織如圖7所示。

圖7 堆焊層顯微組織分布 (a）低倍堆焊層顯微組織;(b）高倍堆焊層顯微組織;(c）遠離界面顯微組織;(d）近界面區(qū)域;Fig.7 Microstructure distribution in deposited clad (a）low powered microstructure for deposited clad;(b）high powered microstructure for deposited clad;(c）microstructure far from interface;(d）microstructure near interface

從圖中可以看出,可以看出清晰的組織結(jié)構(gòu),總體分布較為均勻。圖中的較大塊白色小面的是材料基體,在其上有很多細小的顆粒狀組織,是堆焊層中的強化相。

在組織分析的基礎(chǔ)上,測試了堆焊層及過渡區(qū)的顯微硬度分布,測試結(jié)果如圖8所示,從圖中可以看出,從鎳基合金到堆焊層,有明顯的過渡區(qū),硬度從174HV0.2升高到780HV0.2,堆焊層的顯微硬度明顯高于鎳基合金,硬度曲線過渡平滑,堆焊層與鎳基合金實現(xiàn)了充分的冶金結(jié)合。

圖8 堆焊層及界面顯微硬度分布曲線Fig.8 Microhardness distribution curve

4 結(jié)論

利用鎢極氬弧焊堆焊技術(shù),以WC-Y2O3-SiC作為堆焊合金,以鎳基合金作為基體按不同匹配進行堆焊試驗,得到了完整的過渡組織,結(jié)論如下:

(1）熱脹系數(shù)接近的鎳基合金 NiFe和WCY2O3-SiC堆焊合金,易于獲得冶金結(jié)合良好的堆焊層,界面無開裂現(xiàn)象。

(2）堆焊層與界面組織分布均勻,過渡區(qū)過渡平滑。

[1]曹臘梅,李相輝,薛明,等.一種含錸和碳的鎳基單晶高溫合金顯微組織的研究[J].航空材料學報,2010,30(6）:11-15.

[2]HA T K,LEE K D,SONG J H,et al.Effect of aging treatment conditions on the microstructure and strength of Fe-36Ni based invar alloy[C]//Key Engineering Materials,The Mechanical Behavior of Materials X Part 1:10th International Conference on the Mechanical Behavior of Materials,2007,345～346:109-112.

[3]GAARD A,KRAKHMALEV P,BERGSTROM J.Micro-structural characterization and wear behavior of(Fe,Ni）-TiC MMC prepared by DMLS[J].Journal of Alloys and Compounds,2006,421(1～2）:166-171.

[4]黃海軍.Y族稀土元素對Stellite6鈷基合金激光熔覆層的組織性能影響的機理研究[D].上海:上海交通大學,2006,2.

[5]陳學定.表面涂層技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1994.

[6]徐濱士,劉世參,史佩京.再制造工程的發(fā)展及推進產(chǎn)業(yè)化中的前沿問題[J].中國表面工程,2008,21(1）:1-6.

[7]胡木林.激光熔覆材料相容性的基礎(chǔ)研究[D].武漢:華中科技大學,2001.

[8]陳文威.金屬表面涂層技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社,1996.

[9]DUBOURG L,HLAWKA F,CORNET A.Residual stress analysis of laser-cladded Al/Si coatings onto aluminum alloy substrates[C]//Proceedings of the 18th international Conference on Surface Modification Technologies,2006,331-334.

[10]MUTHUKANNAN D,ROLF G,STEPHAN S.Particleladen liquid impact erosion characteristics of laser clad Ni-based intermetallic matrix composites with TIC and WC reinforcements[J].Lasers in engineering,2005,15(5～6）:355-373.

Study on Clad of Nickel Base Alloys Based on Rare Earth Added Clad Alloy

LI Yong-ping1,2, XU Yi-wen3, XU Pei-quan3
(1 College of Air Transportation,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China;2School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics,Tongji University,Shanghai 200092,China;3 College of Materials Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China.）

On the basis,overlaying welding experiment was carried out and the macrostructure and microstructure distribution were analyzed.Consequently,the micro hardness distribution was detected.The results show that the proposed nickel base alloy consists of γ-(Ni,Fe）,FeNi3,Ni and little Fe2C.The microstructure of clad distributed homogeneously without gas porosity and cracking.The micro hardness is increased from 174HV0.2to 780HV0.2.

nickel base alloy;clad;linear expansion coefficient;microstructure

10.3969/j.issn.1005-5053.2011.5.006

TG146.1;TG455

A

1005-5053(2011）05-0029-05

2010-11-20;

2011-03-24

上海市自然科學基金(10ZR1412900）,上海教委重點學科(J51403）,上海教委重點學科(J51402）

李永平(1979—）,男,博士研究生,講師,從事航空復(fù)合材料及其維修工程研究,(E-mail）manlyp@sues.edu.cn。