邵君昊 梅乾龍 洪 蕾 李文戈

（上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海 201306）

隨著材料修復(fù)再制造技術(shù)的發(fā)展與提高，綠色環(huán)保新型材料修復(fù)技術(shù)和表面強(qiáng)化技術(shù)成為研究熱點(diǎn)[1-3]。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，等離子堆焊技術(shù)被廣泛應(yīng)用在工程材料領(lǐng)域。它是利用鎢極作為電流的負(fù)極，基體作為電流的正極，正負(fù)極之間形成等離子體產(chǎn)生大量熱量。將熱量轉(zhuǎn)移到工件表面，同時(shí)向該熱能區(qū)域輸送焊接粉末，使其熔覆在工件表面達(dá)到零件表面強(qiáng)化和硬化的目的。

目前，常用的等離子堆焊的合金粉末主要為鈷基、鎳基和鐵基粉末。鎳基合金熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好，具有良好的耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在堆焊涂層研究中[4-5]。Ni60自溶合金是鎳基合金粉末系列中比較重要的牌號(hào)之一[6]。鎳基合金具備耐磨、耐腐蝕、抗熱等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到材料表面改性中。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用基體材料為100mm×80mm×8mm的Q235鋼板，其化學(xué)成分如表1所示，表面經(jīng)高能?chē)娡璩P處理再用超聲波無(wú)水乙醇清洗后烘干。表面堆焊材料為自熔性鎳基合金粉末，化學(xué)成分如表1、表2所示。

表1 Q235鋼化學(xué)成分

表2 Ni60合金粉末化學(xué)成分

試驗(yàn)前，用洛氏硬度計(jì)對(duì)基體和Ni60做硬度測(cè)試，在相同條件下，Ni60的硬度比基體有明顯優(yōu)勢(shì)。

等離子堆焊工藝參數(shù)的選擇直接影響堆焊層的質(zhì)量，堆焊工藝參數(shù)主要有：堆焊電流、堆焊速度、送粉率、離子氣和送粉氣流量、焊槍擺動(dòng)速度和頻率、噴嘴距離工件的距離等。在試驗(yàn)中不斷改進(jìn)工藝參數(shù)，選擇合理的堆焊工藝，獲得稀釋率合理、宏觀質(zhì)量較好的堆焊層。

堆焊設(shè)備采用LS-PTA-DGN200型號(hào)等離子對(duì)焊機(jī)，在不斷試驗(yàn)中選取合理粉末堆焊工藝，具體參數(shù)如表3所示。

表3 等離子堆焊焊接參數(shù)

利用型號(hào)為HITACHI-TM3030的掃描電鏡觀察分析堆焊合金層顯微組織；型號(hào)為SHBRV-187.5的數(shù)顯布洛維氏硬度計(jì)測(cè)量堆焊合金層表面的宏觀硬度。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆焊層的顯微形貌分析

利用線(xiàn)切割的方法將堆焊圖層進(jìn)行加工，做出15mm×15mm的試樣。對(duì)試樣進(jìn)行打磨等處理，利用掃描電鏡對(duì)堆焊層進(jìn)行顯微觀察，如圖1所示。

圖1 中，組織主要由淺白色塊狀、黑色不規(guī)則塊狀組成，區(qū)域有明顯的分界線(xiàn)，它是堆焊層與基體的熔合分界線(xiàn)。圖中分界線(xiàn)右側(cè)顏色基體沒(méi)有變化，說(shuō)明右側(cè)是基體部分，左側(cè)部分是堆焊層。

由圖2可以看出，堆焊層的組織結(jié)構(gòu)明顯不同，熔合線(xiàn)處于靠近表面的區(qū)域組織形貌，可以看出底部熔合線(xiàn)是一條平滑的直線(xiàn)，由于各區(qū)域部位吸收的熱量不同，冷卻速度不同，出現(xiàn)了組織的不均勻[7]。左側(cè)部分圖中有明暗相間的區(qū)域，根據(jù)EDS能譜分析顯示明亮區(qū)域以Ni和Fe元素為主，明亮部分均勻分散在熔合區(qū)域，通過(guò)等離子堆焊技術(shù)能將鎳基合金作用在目標(biāo)基體上，與工件冶金結(jié)合提升工件表面機(jī)械性能。顏色暗點(diǎn)的區(qū)域根據(jù)EDS能譜分析顯示以Fe、C為主，說(shuō)明在等離子堆焊過(guò)程中，基體靠近表面的部分被稀釋進(jìn)入堆焊層。

由圖2還可以看出，在靠近基體的區(qū)域，明亮區(qū)域的占比要比暗區(qū)域的要低，并且隨著遠(yuǎn)離基體，明亮區(qū)域的面積逐漸增大，在縮小50um電鏡下觀察堆焊層顯微形貌，可以看出等離子堆焊的稀釋率低。稀釋率的大小影響堆焊層的硬度、耐磨性能，堆焊層的稀釋率過(guò)大，會(huì)使堆焊層表面硬度下降，在保證硬度條件下，控制堆焊層的稀釋率對(duì)提升材料性能十分重要[8-9]。

2.2 堆焊層組織分析

鎳基合金粉末在等離子堆焊過(guò)程中，合金粉末在熔融狀態(tài)下具有流動(dòng)性，在焊接過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定的稀釋率，Ni60合金粉末的熔點(diǎn)在1223～1337K，而低碳鋼Q235的熔點(diǎn)在1550～1700K[10]。為了進(jìn)一步分析堆焊層的組織結(jié)構(gòu)，利用EDS能譜分析儀分析，分別在圖2中取4、5、6號(hào)點(diǎn)并得出A、B、C三組數(shù)據(jù)。

由圖2A的能譜分析可以看出，圖2中的4號(hào)點(diǎn)位置以Fe元素為主要成分，其中夾雜含量微小的Ni元素，可見(jiàn)Ni元素向4號(hào)位置部分?jǐn)U散程度較低，而在熔合線(xiàn)附近的5、6號(hào)點(diǎn)Fe元素要比Ni元素?cái)U(kuò)散的含量大，這是由于相對(duì)較高的溫度有利于Fe元素的擴(kuò)散[10]，說(shuō)明堆焊層還沒(méi)有影響到基體部位，推斷這個(gè)部分應(yīng)屬于基體部位，5、6號(hào)點(diǎn)位置出現(xiàn)大量Ni元素，同時(shí)5、6號(hào)位置中有Fe元素，一方面由于Ni60合金粉末含有Fe元素，另一方面跟Fe元素的擴(kuò)散有關(guān)。這說(shuō)明在這個(gè)位置鎳基合金與基體表面熔合在一起，互相滲透，它屬于堆焊層與基體表面的過(guò)渡區(qū)域。在此區(qū)域中，鎳基合金與基體材料互相熔合，合金成分在過(guò)渡區(qū)分布呈現(xiàn)靠近基體部分稀少，遠(yuǎn)離基體部位增多的現(xiàn)象，這是由于靠近基體部位基體融化與合金組織夾雜，隨著堆焊層的不斷增加，基體材料進(jìn)入堆焊層減少，鎳基合金不斷堆積，形成均勻分布的鎳基合金堆焊層。在5號(hào)點(diǎn)位置淺白色區(qū)域，EDS分析結(jié)果顯示此區(qū)域富含Ni和Si元素，推測(cè)該組織應(yīng)該為鎳與鎳硅化合物形成的共晶體[11-12]。鎳基合金具有耐腐蝕、耐磨損等性能，均勻分布在涂層中使基體表面的耐磨損、耐腐蝕性能得到提高。

2.3 堆焊層元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)性能的影響

等離子堆焊形成的堆焊合金中原有的成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生改變，其在數(shù)量、尺寸以及形態(tài)上都發(fā)生了改變，因此會(huì)改變其原來(lái)的性能。對(duì)Ni60合金粉末在堆焊完成后形成的涂層進(jìn)行分析，同樣選取圖2中4、5、6位置對(duì)其元素含量分析并作對(duì)比，分析在不同位置下元素成分的不同對(duì)組織形成的影響，進(jìn)而分析其對(duì)堆焊層性能的影響，如圖3所示。

在4號(hào)點(diǎn)位置Fe元素大量集中，較其他區(qū)域Ni、Cr等元素含量較低，應(yīng)屬于未影響區(qū)域；5號(hào)區(qū)域相比于4號(hào)位置Fe元素含量急劇下降，而Ni元素含量增加；6號(hào)區(qū)域的Cr元素含量明顯增加，Ni元素含量明顯降低。進(jìn)一步對(duì)這三個(gè)區(qū)域進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，4號(hào)位置的硬度比其他兩位置較低，根據(jù)數(shù)據(jù)推斷4號(hào)位置應(yīng)屬于基體組織，5號(hào)和6號(hào)位置C元素的含量較高，因?yàn)殒嚮辖鸨旧砗蠧元素，這也說(shuō)明基體中的C元素?cái)U(kuò)散到堆焊層中，在等離子堆焊過(guò)程中，在高溫下形成碳化物。在6號(hào)點(diǎn)位置，Cr元素與C元素含量較高，已形成富含Cr的碳化物，而Cr元素可以起到固溶強(qiáng)化和形成硬質(zhì)相的作用[11]。

Ni60合金粉末中的Cr含量較高，在涂層起到固溶強(qiáng)化作用，形成的硬質(zhì)相相對(duì)含量較高，形成了6號(hào)點(diǎn)所代表的的黑色區(qū)域，黑色顆粒彌散在堆焊層中，顯著提高了堆焊合金的耐磨和硬度性能[13-14]。EDS給出的數(shù)據(jù)顯示，Ni60的硬度要比Ni50、Ni40大，在相同工藝參數(shù)下，材料的成分決定了材料的組成結(jié)構(gòu)，Ni60中Cr元素的含量要高于Ni50、Ni40，強(qiáng)化相的相對(duì)含量比較高，除了Cr元素含量高，C、B等元素相對(duì)含量也都很高，硬度測(cè)試顯示，Ni60的堆焊層硬度性能提升很多。鎳基合金除了具備優(yōu)異的耐腐蝕、耐磨損性能，還可以作為黏結(jié)合金，Ni元素的含量直接影響堆焊層的黏結(jié)強(qiáng)度，影響碳化物硬質(zhì)相的分布，黏結(jié)相與硬質(zhì)相彌散分布在堆焊層中，對(duì)增加涂層強(qiáng)度非常有利[15-16]。

圖3 堆焊層元素含量柱狀圖

3 結(jié)語(yǔ)

等離子堆焊技術(shù)能將性能優(yōu)異的合金粉末均勻地在基體表面成型，并使基體表面獲取合金粉末的優(yōu)異性能，為提高工業(yè)設(shè)備的壽命和性能提供依據(jù)。鎳基合金涂層主要由以Ni元素為主的黏結(jié)相和以碳化物為主的硬質(zhì)相組成，同時(shí)還有Cr、B等元素的固溶強(qiáng)化作用，提高了低碳鋼的耐磨損、耐腐蝕等性能。Ni60鎳基合金形成的堆焊層在熔合區(qū)域有針狀組織和魚(yú)骨狀組織存在，此外還存在片狀、板條狀組織。在硬度測(cè)試中，鎳基合金顯著提高了低碳鋼的耐磨能力。分析堆焊層各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)研究堆焊層性能有著十分重要的意義，根據(jù)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，人們可以分析出各元素在堆焊層中的作用，以進(jìn)一步研究復(fù)合合金粉末。