（材料加工工程专业论文）氩弧堆焊制备tic颗粒增强铝基复合材料涂层.pdf

摘要 摘要 金属基复合材料具有高强度、高刚度、高硬度、耐磨及抗冲击等特点，在 铝合金表面形成铝基复合材料涂层，将大大改善铝合金的表面性能。若采用堆 焊的方法在铝合金表面形成铝基复合材料熔覆层，对合理使用材料、改进产品 性能、扩大铝合金的使用范围及降低生产成本都有很重要的意义，但目前尚未 见相关的研究报道。因此，采用氩弧堆焊制备t i c 颗粒增强铝基复合材料涂层， 很值得进行试验研究。 本文试验将础粉、t i 粉、石墨粉以一定比例混合均匀，采用预置合金粉 末或压制成近4 0 m i n x l o m i n x1 m m 的合金粉块放置在铝板上进行钨极氩弧焊熔 覆，通过调整焊接工艺参数，在铝板表面制备舢t i c 合金体系的涂层，从热 力学角度分析了焊接熔池中可能存在的各种反应。试验采用q u a n t - 2 0 0 扫描电 镜和e d a x 能谱仪对堆焊层的组织及成分分布进行了研究，采用x d 一3 自动x 射线衍射仪对堆焊层的物相进行了分析，并测试了堆焊层的硬度和耐磨性。 研究结果表明：采用预置m ，n c 合金粉末，在铝板表面t i g 焊熔覆用氦 气保护时，才形成了呈冶金结合的熔覆层；采用压制的舢n c 合金粉块，在 铝板表面用氩气保护t i g 焊熔覆，熔覆层中有不均匀分布的白色颗粒，但t i c 含量很少；趟t i c 系t i g 焊时的反应过程是：砧先熔化，然后与t i 或c 反应 生成砧3 t i 或弛c 3 ，同时舢3 n 和a h c 3 在高温下分解，铝液中的钛、碳原子 通过扩散而反应生成t i c ，此反应不能完全进行时将有a 1 3 t i 、a 1 4 c 3 及n 甜x c x 等多种中间相；采用压制的砧t i c 合金粉块，在铜板上进行大电流t i g 电弧 熔化制成填充材料，其组织为砧基体和弥散分布的t i c 增强相，颗粒尺寸约 为2 4 叫l ，t i c 颗粒的重量百分比约为1 4 ，以此作为填充材料在铝板上进行 t i g 焊熔覆，由于母材的稀释，获得的铝基复合材料涂层中t i c 颗粒在3 8 。 所制备的t i c 颗粒增强铝基复合材料涂层的硬度及耐磨性比铝基体有很大 提高，但作为工程材料，耐磨性仍然很低。今后的研究应考虑在增加t i c 含量的 同时，要加大堆焊层中基体本身的硬度。 关键词：氩弧堆焊；碳化钛；铝基复合材料；涂层 a b s t r a c t a b s t r a c t m m c sh a v eh i g hs t r e n g t h ，h i g hr i g i d i t y ，h i g hh a r d n e s s ，w e a l a n di m p a c tr e s i s t a n t , f o r m i n ga l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t ec o a t i n go nt h es u r f a c eo fa l u m i n u ma l l o yc a l l i m p r o v ei t ss u r f a c ep r o p e r t i e sg r e a t l y t h ef o r m e do fa l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e sb y r e s u r f a c i n gw e l d i n gh a v ev e r yi m p o r t a n ts e n s e f o rr e a s o n a b l eu s em a t e r i a l ，i m p r o v e p r o d u c tp e r f o r m a n c e ，e x p a n dt h es c o p eo fa p p l i c a t i o no fa l u m i n u ma l l o ya n dr e d u c e p r o d u c t i o nc o s t ，b u th a sy e tt os e et h er e l a t e dr e s e a r c hr e p o r t t h e r e f o r e ，i tw o r t h t o t e s tt h ep r e p a r a t i o no ft i cp a r t i c l e sr e i n f o r c e da l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t ec o a t i n g b y t i g ak i n do ft i ，a 1 ，g r a p h i t em i x e dp o w d e ra sc e r t a i np r o p o r t i o n ，a d o p tp r e s e tt h i s a l l o yp o w d e ro rp r e s s e di ti n t oaa l l o yp o w d e rb l o c kn e a r l y4 0 m i n xl o m m xl m m b y t i gc l a d d i n g ，f o r m e daa i - t i cs y s t e mc o a t i n gi np u r ea l u m i n u m ( l10 6 0 ) s u r f a c e t h r o u g ha d j u s t i n gw e l d i n gt e c h n o l o g yp a r a m e t e r s a n a l y s i sa l lk i n d s o fr e a c t i o n s c o u l de x i s ti nw e l d i n gp o o lf r o mt h e r m o d y n a m i c sa n g l e s t u d yt h es a m p l eo r g a n i z a - t i o nc o m p o s i t i o na n dp h a s ea n a l y s i sb yq u a n t - 2 0 0s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ea n d e d a xa n a l y s i st h ep h a s eo fh a r d f a c i n gl a y e rb yx r dr a y s ，t e s t st h eh a r d n e s sa n d w e a r a b i l i t yo ft h eh a r d n c i n gl a y e r t h er e s u l t ss h o wt h a t ：a d o p tp r e s e t sa 1 - t i ca l l o yp o w d e ro nt h es u r f a c eo f a l u m i n u m ，w i t ht i g ，j u s tf o r m e dam e t a l l u r g i c a lc o m b i n a t i o nc l a d d i n gl a y e rw h e n u s e h eg a s ；a d o p tp r e s s e dt h i sp o w d e ri n t oaa l l o yp o w d e rb l o c k ，b yt i gc l a d d i n g , t h e c o a t i n go n l yc o n t a i n sw h i t eg r a n u l a ro r g a n i z a t i o n , b u tt h et i cp a r t i c l e si sv e r yl i t t l e t h er e a c t i o np r o c e s so fa 1 t i ci st h a t , f i r s ta 1m e l t ，t h e nr e a c t sw i t ht io rcf o r m e d 触3 t io ra h c 3 ，m e a n w h i l et h e 灿3 t ia n da h c 3d e c o m p o s i t i o nu n d e rt h eh i g ht e m p e - r a t u r e ，t h e nt h et ia n dci nt h el i q u i da l u m i n u md i f f u s i o na n dr e a c tf o r m e dt i c ，t h e r e w i l lf o r ma 1 3 t i 、a 1 4 c 3a n dt i a l x c xw h e nt h er e a c ta r ei n c o m p l e t e ；a d o p tp r e s s e dt h i s p o w d e ri n t oaa l l o yp o w d e rb l o c k , a n dt h e np l a c e dt h i sb l o c ki nc o p p e rp l a t e sa n d m a k ei tm e l ti nh i g ht e m p e r a t u r e ，t h eo r g a n i z a t i o ni st h ea im a t r i xa n dd i s p e r s i o nd i s t r i b u t i o no ft i cp a r t i c l e ，t h es i z eo ft i cp a r t i c l ei sa p p r o x i m a t e l y2 - 4l x m ，t h ew e i g h t a b s t r a c t p e r c e n t a g eo ft i cp a r t i c l e si sa b o u t14 ，t h e np l a c e dt h em e l ta l l o y o nt h ea l u m i n u m p l a t e sb yt i g ，b e c a u s et h ed i l u t i o no ft h em a t r i x ，t h ep e r c e n t a g eo ft i cp a r t i c l e si n t h ea l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e sl a y e ri sa b o u t3 - 8 t h eh a r d n e s sa n dw e a r a b i l i t yo ft h ec o a t i n gh a sg r e a t l yi m p r o v e dt h a na l u m i n u m m a t r i x ，b u tf i t se n g i n e e r i n gm a t e r i a l s ，t h ew e a r a b i l i t yi s s t i l ll o w f u t u r er e s e a r c h s h o l l l db ec o n s i d e r e di n c r e a s et h ec o n t e n to ft i c ，w h i l ei n c r e a s et h eh a r d n e s so ft h e h a r d f a c i n gl a y e ri t s e l fi nt h em a t r i x k e y w o r d s ：t i gc l a d d i n g ，t i c ，a l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e ，c o a t i n g 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 颗粒增强铝基复合材料具有质量轻、比模量高、比强度高、热膨胀系数小、 耐高温、耐磨、抗辐射、尺寸稳定性好等特点，在航空航天、电子、汽车、造 船、兵器等许多行业均具有广泛的应用前景，成为当今材料科学与工程领域的 研究热点之一【1 1 。在铝合金表面制备颗粒增强的铝基复合材料涂层，早已成为 表面工程研究的热点之一。目前主要利用激光熔覆技术、等离子熔覆技术、热 喷涂技术、氩弧熔覆等技术来制备表层颗粒增强的复合材料，然而现阶段制备 铝基复合材料涂层多采用激光熔覆技术。 激光熔覆技术是在被熔覆基体表面上以不同的添料方式放置选择的覆层材 料，经过激光辐照，使之和基体表面薄层同时熔化，快速凝固形成稀释度极低、 与基体材料呈冶金结合的表面覆层，以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、 耐热、抗氧化等性能的工艺方法。激光熔覆技术能准确的控制焊接热输入，焊 接速度高，冷却速度快，热畸变小，成分和稀释率可控性好，但激光熔覆中陶 瓷增强相分布不易控制、易产生裂纹、陶瓷颗粒易熔化等，在激光作用层内存 在热应力和开裂倾向是激光熔敷的主要缺点【2 】。 等离子熔敷技术是以联合型或转移型等离子弧作为热源，熔化焊丝或合金 粉末为填充金属来制备熔敷层【3 1 ，等离子弧弧柱稳定，温度高，热量集中，规 范参数容易调节，熔敷效率高，通过调节参数可获得熔深浅且熔宽宽的熔敷层。 但其设备成本高，噪音大，紫外线强，易产生臭氧污染等，不符合可持续发展 的先进加工技术要求。 复合材料等离子弧堆焊技术是指利用等离子弧堆焊技术获得高耐磨性复合 堆焊层的方法，是等离子弧堆焊应用技术的重要发展。近年来，发达国家复合 材料堆焊技术取得的进展主要表现在其工艺方法的进一步完善以及基体性能的 改善和碳化物种类的多样化应用上【4 j 。 热喷涂是利用热源将喷涂材料加热至熔化或软化，同时通过高速气流，将 熔滴雾化并以一定的速度喷射到基体表面从而形成表面涂层的工艺方法【5 。7 1 。气 体火焰喷涂喷焊技术和电弧喷涂技术是现阶段常用的喷涂方法。利用热喷涂技 1 绪论 术获得耐磨，抗氧化或耐腐蚀等特殊性能的涂层，可应用于产品快速修复及制 造，改善了产品的内在质量和外观形貌，延长了零部件的使用寿命。但是由于 工艺条件及设备的限制，其得到的表面涂层致密性差，与基体金属的结合强度 较低，难以满足较高的使用要求。 虽然上述方法均能获得具有特殊性能的熔敷层，但这些方法中所用到的设 备通常比较昂贵，操作复杂。而氩弧熔敷具有热量高、熔深大、易操作、成本 低、适应性强等优点，是提高材料耐磨性及耐蚀性的一项新的表面技术，因而 采用氩弧熔敷在基体表面获得特殊性能的熔覆层将有较大的优势【8 - 9 1 。 1 1 1 铝基复合材料中增强相的选择 铝基复合材料熔敷层中的增强相，除了要求在物理性能上与基体匹配形成 良好的冶金结合状态，获得优异的综合力学性能外，通常还要求增强相本身是 具有高强度、高抗磨损、耐高温、耐腐蚀性能的增强颗粒。 因此选择的增强相需要具有一些性能【io j ： 首先，必须具有优良的物理力学性能，如刚性、强度、硬度等； 其次，在实际工作环境中，增强相不能熔解，其形态不能发生变化，防止 复合材料性能的降低； 最后，为了避免由于工作温度而产生裂纹或形成较大的应力集中，其热膨 胀系数与基体金属的差别不能太大。 根据以上这个原则，目前可选择的增强相主要有碳化物、硼化物、氧化物 等，也可以是金属间化合物。早期的研究中，选择的增强相主要是s i c 颗粒， 目前所选用的增强颗粒已经发展到t i b 、t i b 2 、t i c 、w c 等【l l - 1 2 】。 在各颗粒增强相中，t i c 颗粒具有高硬度( h v 3 2 0 0 ) 和良好的热稳定性【1 3 d 4 1 。 低温时最强键t i c 键上的共价电子数为0 4 6 8 7 6 ，键能值约为8 0 1 9 k j m o l ，而 高温时n c 键上的共价电子数则为0 4 8 5 8 7 ，键能值则约为8 5 3 1 k j m o l 。随着 共价电子数的增多，前，c 原子间的结合力也加强，这说明随着温度升高，t i c 颗粒的热稳定性也逐渐增强，因此高温停留时间对原位反应生成t i c 有较大影 响，高温停留时间长将更有利于t i c 的合成。另外，从t i c 的价电子结构可以 看出，其共价电子数较多，键能值较大。所以，t i c 晶体的硬度很高【l o l 。另外， t i c 形成自由能低且易于合成，在基体组织中多以细小的颗粒析出，呈弥散分 布状态，能很好的强化基体金属的性能。 2 1 绪论 因此，本试验主要选择t i c 作为铝基复合材料的增强体，以砧、t i 、c 为 合金元素，以工业生产中应用较多的铝板为基体。通过氩弧焊在基体表面熔敷 一层以原位合成的t i c 作为增强相的复合材料涂层。 1 1 2 铝基复合材料中增强相的引入方式 在颗粒增强铝基复合材料的研究领域中，一般通过外加或内生两种方式来 引入颗粒相。然而外加的颗粒尺寸大小不易控制、表面有污染、界面结合差且 易生成脆性相产物。这些缺点的存在导致采用外加的方式制备颗粒增强铝基复 合材料的成本高、工艺复杂、颗粒与基体之间的润湿性和相容性差、性能不稳 定、可靠性低等，从而大大限制了该类材料的发展l l 引。 利用内生方式引入的颗粒多是通过合金元素之间的原位反应合成，其基本 原理是在一定条件下，在固态或液态铝或铝合金基体中，通过元素间或元素与 化合物间的化学反应，在金属体内原位生成一种或几种高硬度、高弹性模量的 陶瓷增强相，从而达到强化基体的目的。本试验中主要是在液态的铝熔池中， 通过趟、t i 、c 三种元素间化学反应生成所需的t i c 增强颗粒，从而提高熔覆 层的硬度。 由于内生的增强体是直接从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相， 与外加颗粒工艺相比，该合成工艺具有以下优点【1 6 】：反应所生成的颗粒尺寸细 小，粒度一般在纳米水平，强化效果显著；增强相是直接与基体原位反应生成 的热力学稳定相，与基体间的相容性好，结合强度也较高；能够根据需要来合 理的选择反应物的类型和成分，从而有效的控制原位生成增强相的种类、大小 和数量；增强相是在基体中直接生成，工艺简单，成本相对较低；能够结合焊 接工艺在实际生产中实现最终成型。 鉴于内生颗粒的合成工艺有以上所述多种优点，本文主要选择将a l 、t i 、 c 三种粉末混合后，在焊接工艺条件下使其发生反应，原位反应生成所需的t i c 增强颗粒，简化焊接工艺，降低焊接成本。 1 1 3 本试验需要解决的主要问题 本试验铝合金焊接过程中主要有以下几大难点： 3 1 绪论 1 1 3 1 夹杂及气孔 颗粒增强铝基复合材料在焊接的过程中，往往出现熔池金属粘滞、流动性 差，焊缝成形不好、产生夹杂和气孔等缺陷旧。 针对这种情况，应该在焊前尽力去除铝板及填充材料表面的氧化膜，并在 焊接过程中充分运用惰性气体的保护作用，来减少焊接过程中夹杂物的产生。 同时，铝合金采用t i g 焊时，熔池表面与弧柱气氛充分接触，熔池比表面 积小，熔池的温度较低，比起其他焊接弧柱温度吸附氢的能力小，因此同样条 件下t i g 焊弧柱水分引起的气孔倾向便小些，其次t i g 焊有阴极雾化作用，可 以比较好的消除生成的氧化膜，从而减少氧化膜中吸附的水分含量，最终减少 气孔的产生。 本试验过程中，基本解决了气孔问题的出现，难点主要在于氧化膜问题， 阻止填充粉末与基体熔合，使的在焊缝表面形成很多夹杂，影响焊缝成型。 1 1 3 2 中i 司产物 颗粒增强铝基复合材料在熔化焊的过程中，往往出现合金元素之间各种冶 金反应的发生，难免会生成一些脆性化合物，不利于焊缝组织性能的提高。 例如s i c p a i 熔化焊时，增强体s i c 与基体砧之间会发生界面反应，生成 脆性化合物a 1 4 c 3 ，严重降低焊接接头的力学性能。 为避免和抑制该界面反应，我们通常从冶金和工艺两个方面去研究解决： 在冶金方面，通常采用加入一些比基体金属活性更强的元素，使之与增强 相反应，生成无害的物质。例如在焊缝金属中加入一定量的1 f i 可以诱发“原位 反应的发生，抑制砧与s i c 反应，不仅避免了脆性化合物a k c 3 的产生，而且 新生成的t i c 又充当增强体，起到强化作用。这是由于在温度高于8 0 0 c 时， n 与c 的亲和力比a l 与c 的亲和力更大，使t i c 的生成自由能比虬c 3 的生 成自由能低得多，结果在熔池中t i 优先于朋与s i c 结合，生成t i c 从熔池析 出，从而有效地抑制了a h c 3 的生成【吲。 在工艺上，通常采用控* u j j n 热温度和焊缝在高温的停留时间来抑制界面反 应的发生。采用脉冲电弧，在增强电弧对熔池金属搅拌作用的同时，还可减少 熔池的热输入，有利于界面反应的减轻。 目前有关利用氩弧焊制备t i c p a 1 的研究还未见报道。在本试验制备t i c 颗粒增强复合材料的过程中，同样需要仔细控制焊接工艺参数，使焊接熔池控 4 l 绪论 制在合适的温度，尽量避免a h c 3 及a 1 3 t i 等中间产物的生成或促进这些中间产 物完全转化为t i c 。 1 1 3 3 氧化膜问题 颗粒增强铝基复合材料在焊接过程中合金粉块和母材熔池之间由于受热往 往会生成a 1 2 0 3 薄膜，其熔点高达2 0 5 0 c ，在焊接过程中很难熔化，阻止了填 充合金和母材之间很好的熔合，使熔池反应不能完全进行。针对这个问题可以 考虑在t i g 时适当提高焊接热输入，提高熔池高温停留时间来抑制氧化膜的产 生，使母材与填充材料之间充分的熔合。 本试验着重从提高焊接热输入方面不断试验改变焊接工艺，探索合适的工 艺方法。 1 2 国内外研究现状 实际生产中，几乎所有适用于铝合金的焊接方法同样也适用于铝基复合材 料的焊接，如钎焊、扩散焊、电阻焊、电弧焊、摩擦焊、激光焊和真空电子束 焊等。虽然铝基复合材料的焊接方法多种多样，但相同条件下，由于复合材料 的增强体与基体的熔点、导热性和热膨胀系数等热物理性能参量之间存在巨大 差异，使得铝基复合材料的焊接与比铝合金的焊接存在较大的困难。 国内的堆焊技术起源于2 0 世纪5 0 年代末，直到2 0 世纪9 0 年代堆焊技术 与智能控制技术和精密磨削技术相结合形成了近净形技术，这才标志着堆焊技 术从技艺走向了科学【1 9 1 。 近些年来，国内外的研究多集中在高能密度热源的粉末堆焊技术上，高能 束粉末堆焊主要包括等离子弧堆焊 2 0 l 、电子柬堆焊、激光堆焊以及刚刚发展起 来的聚焦光束堆焊【2 1 - 2 2 1 。 复合材料堆焊技术是用堆焊的方法将高硬质颗粒均匀地钎镶于堆焊层金属 中，形成具有某种增强颗粒的复合堆焊层。这种复合堆焊层中一般含有两种以 上具有不同性质的异种材料，一种是在堆焊层中起主要作用的碳化物硬质颗粒， 如w c 、s i c 、 r i b 、t i b 2 、t i c 、a 1 2 0 3 等，另一种是在堆焊层中起支撑增强颗 粒作用的基体金属【4 】。 现阶段a 1 t i c 体系原位合成整体复合材料的研究已获得很大的进展【2 3 之6 1 。 1 绪论 在焊接领域，目前制备颗粒增强铝基复合材料涂层的方法主要是激光熔覆技术， 但目前并未见到氩弧熔覆制备触n c 合金体系堆焊层的相关报道。由于氩弧 堆焊相对于激光熔覆技术有很多优点，若采用氩弧熔敷在铝板表面成功制备铝 基复合材料涂层，将具有很好的推广应用价值。因此本实验采用氩弧熔覆来制 备a 1 t i c 合金体系堆焊层。 1 2 1 激光熔敷技术 有关激光熔覆技术的研究起源于2 0 世纪7 0 年代，其激光熔敷层与基体金 属呈冶金结合状态，其结合强度高，力学性能好，可以满足特殊的力学性能要 求。与原有焊接方法相比，激光熔敷能量密度大、加热速度快、焊接变形小， 应力集中小；但其设备昂贵，投资成本较高；工艺复杂，焊前的准备工作量大； 不易在施工现场施焊，生产环境要求高等。 激光熔覆在材料表面强化中受到重视，国内外已先后开展了这方面的研究， 并获得一定的成果，如已经用自熔性合金粉末及陶瓷相在碳钢、钛基金属、不 锈钢、铸铁、铝合金及特殊合金上进行激光熔覆的研究1 2 7 瑚】，主要研究有张细 菊【2 9 】等先将t i c 颗粒与f e 基自熔性合金粉末混和，然后预置在基体表面，用 激光作为热源进行单道熔敷，在2 0 4 钢表面成功熔敷了t i c 颗粒与f e 基自熔合 金耐磨的复合材料涂层；g o d f r e y t 3 0 l 等研究了激光熔敷技术中的各种参数如熔敷 角度、深度、熔宽及其影响因素，并寻找出最佳的参数配置；h a m i d r e z a t 3 t l 等在 低碳钢表面利用激光熔敷技术原位合成了t i c 0 3 增强的c o 。n 合金熔敷层。 目前制备铝基复合材料涂层的方法也多用激光熔覆技术。如张松，康煜平等 以t i 和s i c 混合粉末作为预置合金涂层，利用激光熔覆技术在6 0 6 1 铝合金表 面原位自生t i c 颗粒增强m 基复合材料涂层，其熔覆层的硬度可达h v 6 5 0 ， 且生成的t i c 颗粒与6 0 6 1 铝合金基材呈良好的冶金结合，明显地改善了铝合 金的表面性能，扩大了其使用范围f 3 2 】；山东大学田宪法等利用激光熔覆法在 z l l 0 8 表面得到硬度为1 9 0 h v - 2 1 0 h v 的熔敷层，提高了合金化层的硬度，其 耐磨性也明显改善，提高了应用在汽车发动机复杂铸件方面的铝硅铸造合金的 使用寿命【j 引。 1 2 2 钨极氩弧熔敷技术 钨极氩弧焊又叫作“t i g ”焊，是气体保护焊的一种，其电极是难熔的金 6 1 绪论 属钨或钨合金棒。在电弧燃烧过程中，不发生电极熔化，因此其电弧长度容易 控制，焊接过程比较稳定。施焊时，电极和电弧区以及熔化金属等整个焊接反 应区都处于氩气的保护气氛中，完全隔绝了空气，降低了空气对熔化金属的有 害作用，合金元素的烧损和氧化损失也相对减小。然而，由于钨极有限的载流 能力限制了电弧功率，使得焊缝熔深较浅，焊接速度较低，而这一特点正好适 用于表面改性处理，以此来制备特殊性能的材料涂层。因此，用钨极氩弧熔敷 方法来制备含原位自生t i c 增强相的复合材料涂层将有很好的应用前景。 目前国内外关于钨极氩弧熔敷的研究较少。国外的研究中多用于在钛合金 或不锈钢表面制各增强或耐蚀的涂层【3 4 。3 6 】。如gr u c k e r t 3 4 1 等利用钨极氩弧熔敷 技术在a i s l 3 0 4 l 不锈钢表面采用优化设计制备了s i 涂层：s o n e rb u y t o z l 3 5 j 等利 用钨极氩弧熔敷技术在a i s l 4 3 4 0 不锈钢表面制备了w c 增强的熔敷层，并对 熔敷层的硬度进行了研究，得出熔敷层的微观组织与熔敷参数有关，其硬度在 9 5 0 h v 到1 2 0 0 h v 之间；e t c h e n g 3 6 】等在a i s l 3 1 6 不锈钢表面用t i g 焊熔敷了 n i 面合金涂层，其涂层显微硬度约7 5 0 h v 。 而国内关于钨极氩弧熔敷的研究多限于低碳钢表面熔敷自熔性合金粉末和 铸铁表面重熔强化方面【3 7 。9 】，也有些把钨极氩弧焊接件的缺陷区域作为研究的 对象来获得“熔修 效果。如张传明【3 7 】等利用氩弧熔覆工艺在q 2 3 5 钢基体表 面上获得与基体结合良好、组织细密、具有较高硬度和耐蚀性的f 1 0 2 f e 镍基 合金熔覆层；宗培1 3 8 】等通过采用t i g 熔修技术，对船体结构焊接接头焊趾处进 行t i g 熔修效果的试验研究，不但改善了焊趾部形状，实现了焊缝到母材的光 顺过渡，降低了应力集中，而且改善了焊接热影响区的金相组织，提高了船体 结构焊接接头的抗断裂韧性，特别是提高了船体结构的抗爆炸冲击性能；郝建 军【3 9 】等以氩弧为热源，采用预置法在q 2 3 5 钢基体上制备了n i 6 0 a 合金熔覆层， 该熔覆层可用于农机刀具的制造和再制造。 相对激光熔覆技术，氩弧熔敷具有成本低、热量高、熔深大、易操作、适 应性强等优点。若采用氩弧熔敷成功制备铝基复合材料涂层，将具有很好的推 广应用价值。但目前并未见到采用氩弧堆焊制备越t i c 合金体系涂层的相关 报道。 7 l 绪论 1 3 课题的主要内容及研究意义 1 3 1 课题的研究意义 颗粒增强金属基复合材料可分为整体复合材料和表层复合材料。但某些整 体复合材料硬度过高，以及由于硬质颗粒的存在，难以采用传统的机加工方法 进行加工来满足复杂结构零件的要求。表层复合材料技术整合了表面涂层技术 和复合材料技术的优势，可以根据零部件的不同需求，以很低的成本在材料表 层制备出满足高性能要求的颗粒增强的复合材料涂层，充分发挥出基体材料的 强度、韧性优势的同时，又能达到极高的性能要求，而且涂层和基体为冶金结 合，从而使整体性能大幅度提升。 在实际生产中，不需要整体复合材料的零件，在其表面堆焊一薄层熔敷层 制备成具有某种特殊性能的表层复合材料可简化工艺，并且大大降低了成本。 而氩弧熔覆工艺简单、适应性强，因此采用这种方法具有很好的推广应用价值。 采用堆焊技术在铝合金表面形成一层复合材料涂层，对于改善铝合金的表 面性能，扩大其使用范围，具有重要的意义。然而当前，有关铝基复合材料的 很多方面的工艺，均已做了大量的研究，但其焊接工艺及焊接性方面的研究远 远落后于其他方面，严重限制了该类材料的实用化发展。因为铝基复合材料的 增强相与基体之间的物理及化学性能有很大差别，导致其焊接性很差，且焊接 工艺参数难以控制，使得铝基复合材料在焊接领域的研究工作难以进行。因此 成功实现铝基复合材料的焊接是国内外普遍关注而又急待解决的问题。铝基复 合材料的堆焊是一个全新的研究领域，内容新颖丰富且艰难。今后，随着该类 材料应用范围的不断扩大，对其焊接方面的要求也越来越多，需要进一步深入 研究其焊接性和焊接工艺，以扩大其应用范围。因此必须找到一种工艺简单且 焊接质量稳定的焊接方法，实现颗粒增强铝基复合材料的高质量焊接，从而大 大推动颗粒增强铝基复合材料的应用和发展。 利用激光熔敷合成含t i c 颗粒增强的复合材料涂层，耗能多且成本高，工 艺复杂，在实际工业生产中难以大量应用。钨极氩弧熔敷技术克服了上述制备 方法的弱点，同时其设备低廉，在实际工业生产中能够大量使用、操作简单可 靠、焊接设备成本低，能够适应较灵活的工作场合。若采用氩弧熔敷成功制备 铝基复合材料涂层，将具有很好的推广应用价值。但目前并未见到氩弧熔覆制 备t i c 颗粒增强铝基复合材料涂层的相关报道。 i 绪论 本实验初步探讨铝基复合材料的氩弧熔覆工艺，在铝合金表面熔敷制备颗 粒增强铝基复合材料，以期制各一层t i c 颗粒增强的铝基复合材料涂层，其理 论意义和应用价值很高。 1 3 2 主要研究内容 该试验的研究重点是，在钨极氩弧焊条件下，探讨合适的制备工艺，来制 各颗粒增强的铝基复合材料涂层。探讨采取合理的焊接工艺措施改善熔池金属 的流动性和对增强颗粒的润湿性，减少接头焊缝中夹杂及脆性化合物等缺陷的 形成，提高接头强度等，以及重点考虑如何避免或尽量减少增强体与基体合金 之间发生界面反应的问题，进一步研究焊接热输入对熔池反应及其生成物的影 响。 试验着重从热力学角度探讨和分析焊接过程中熔池内发生的反应，明确 甜面c 体系中生成的表面复合材料熔覆层中t i c 的生成机制，探索合适的焊接 工艺，以便更好的制备综合性能良好的面c 颗粒增强铝基复合材料熔覆层。 9 2 试验材料及主要试验仪器 2 试验材料及主要试验仪器 2 1 试验材料 试验所采用的基体材料为l 1 0 6 0 ，合金粉末主要由a 1 、t i 和石墨粉配比组 成，采用钨极氩弧堆焊来制备颗粒增强的铝基复合材料涂层，提高铝合金的表 面性能，扩大其使用范围。 2 1 1 母材金属 该实验选用的基体材料为生产中广泛应用的l 1 0 6 0 铝合金板，其化学成分 如表2 1 所示，厚度约2 m m 。 表2 1l 1 0 6 0 板的化学成分 t a b 2 1c h e m i c m c o m p o n e n to f p u r em u m i n u m ( l 1 0 6 0 ) a ls ic u m g z nm nt ivf e 其他单个 9 9 6 0 0 2 5o 0 50 0 30 0 50 0 3o 0 3o 0 50 3 5 00 0 3 w t 施焊前，用线切割机截取尺寸为2 0 0 m m x1 0 0 m m x 5 m m 的焊接试板，并用 砂纸充分打磨试板表面以去除其表面氧化膜。 2 1 2 合金粉末 试验主要选用的合金粉末分别是：a l 粉( 纯度9 9 5 ，粒度7 5 1 x m ) ，t i 粉 ( 纯度9 9 ，粒度7 5 t m ) ，石墨粉( 纯度9 9 ，粒度4 8 m n ) 。焊接时，用天平 按比例称取各粉末后混合均匀。 2 1 3 压块铜槽 试验需要使用模具将混合后的合金粉末压制成近4 0 m m xl o m m xl m m 的合 金粉块，所需的压块铜槽用铜板截取而成，首先在一大块厚约4 m m 的铜板中 间用线切割机截取出一长约4 0 m m 宽约l o m m 的通槽，如图2 1 ( a ) 所示。再截 取一尺寸约4 0 m i n x l o m m x t m m 方块做压块时的槽盖使用，如图2 1 ( b ) 所示。 l o 2 试验材料及主要试验仪器 ( a ) 压块铜槽( b ) 压板 图2 1 压块模具示意图 f i g 2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fp r e s sb l o c km o u l d 2 2 主要试验设备及仪器 本试验主要用到以下一些设备仪器，分别说明如下： 2 2 1d k 7 7 3 2 数控线切割机 d k 7 7 3 2 数控线切割机床加工精度高，具有稳定的加工质量，能加工形 状复杂的零件，加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，节省了生产 准备时间。 试验中d k 7 7 3 2 数控线切割机床主要用于截取焊接试板、焊接模具及试验 所需的不同规格的金属试样，根据试样形状要求编写加工程序截取各所需试样。 电火花线切割加工时，为了保证比较好的表面粗糙度和高的尺寸精度，同 时保证钼丝不被烧断，应设置好相应的脉冲参数，保证冷却水流动正常、使被 切工件和钼丝之间以电火花放电腐蚀金属的形式切割。 由于试验所得试样熔覆层中含有硬质相增强颗粒，切割困难，为了减少短 路造成钼丝断裂，应该设置较小的加工速度，或改为手动控制切割速度。 2 试验材料及主要试验仪器 2 2 2w 1 0 0 t 四柱油压机 y y - 1 0 0 t 四柱油压机用于压制合金粉块，试验中压强值控制在2 4 m p a 之 间，合金粉块厚度控制在l m m 左右。 压块时，为了使压力均衡，放入铜槽中的粉末应尽量铺平，使其薄厚均匀， 这样在压制过程中才能保证粉末整个平面受力均匀，压制的合金粉块中空气完 全排除，使合金粉块足够密实，保证最终焊接效果。 2 2 3w s e 315 钨极氩孤焊机 氩弧焊机根据电极不同可分为熔化极氩弧焊机和非熔化极氩弧焊机两种。 非熔化极氩弧焊是电弧在非熔化极和工件之间燃烧，并在焊接电弧周围常用不 和金属起化学反应的惰性气体氩气做保护气，在局部范围形成保护气罩，隔绝 钨极端头、电弧和熔池及已处于高温的金属与空气的接触，能防止氧化和吸收 有害气体。从而形成致密的焊接接头，其力学性能非常好。 熔化极氩弧焊时，焊丝通过丝轮送进，导电嘴导电，在母材与焊丝之间产 生电弧，使焊丝和母材熔化，并用惰性气体氩气保护电弧和熔融金属来进行焊 接的。 熔化极氩弧焊和钨极氩弧焊区别主要表现在：钨极氩弧焊是用焊丝作电极， 并被不断熔化填入熔池，冷凝后形成焊缝；熔化极氩弧焊是采用保护气体，随 着熔化极氩弧焊技术的不断发展及应用，其保护气体已由单一的氩气发展为广 泛应用多种混合气体来保护。 w s e 3 1 5 钨极氩弧焊机用于试验焊接，焊接时，选用交流 f i g 焊接，观察 熔池情况调节焊接工艺参数。 2 2 4h x 10 0 0 t m l c d 显微硬度计 本试验中h x - 1 0 0 0 t m l c d 显微硬度计用于测量所得颗粒增强的复合材料 涂层及铝板基体的显微硬度，并进行对比，研究其硬度变化及增强颗粒对涂层 硬度的影响。 显微硬度试样形状尺寸：用线切割机截取长约1 0 m m ，高约1 0 m m 的试样。 由于堆焊层较薄，铝基体较软，为了避免压痕过大，试验时选用0 9 8 0 7 n 的小载荷，加载时间为1 0 s ，每组试样测五次，最后求其平均硬度。 1 2 2 试验材料及主要试验仪器 2 2 5o im 心u sb h - 2 金相显微镜 用o l y m p u sb h _ 2 金相显微镜观察复合材料涂层的金相组织，研究组织 和性能之间的关系，观察增强相颗粒与基体的界面结合情况。 截取试样尺寸：1 0 m m x 2 m m x l 5 m m 的试样，将试样打磨抛光后观察其金 相组织。 金相试样制备过程：砂纸打磨_ 水冲洗一抛光一水冲洗_ 酒精棉球清洗一 烘干。用金相显微镜采集系统观察至清晰的组织画面后，选择视野清晰的组织 照相并分析，其金相照片标尺以p a n 为单位。 2 2 6q u a n t a - 2 0 0 扫描电镜和e d a x 能谱仪 q u a n t a - 2 0 0 扫描电镜可以获得所有样品表面的信息，收集二次电子信号给 出样品的表面形貌像，收集背散射电子信号给出样品的表面成分像。试验中用 q u a n t a - 2 0 0 扫描电镜观察氩弧堆焊所得的涂层中增强颗粒的分布情况，增强颗 粒与基体组织的界面结合情况。 能谱可以对样品的元素组成进行定性和定量分析。用e d a x 能谱仪进行面 扫描及能谱曲线，分析相关组织中元素的成份及含量。 2 2 7x d 3 自动x 射线衍射仪 该仪器是由北京普析通用仪器责任有限公司生产，主要用于对复合材料涂 层中的物相进行分析测定。该仪器主要参数有： 1 测角仪扫描半径：1 8 0 m r n ，扫描方式：0 2 0 ，扫描轴：水平 2 测角仪角度重现性：0 0 0 0 6 度 3 x 射线发生器k v 、m a 稳定度：优于0 0 1 4 x 射线发生器额定功率：3 k w 衍射仪要用较高的电压，试验时选择电压为3 6 k v ，电流为2 0 m a ，慢扫描 速度( o 5 或0 2 5 0 w i n ) ，为准确测定各衍射峰背底以上的净峰强度用较小的步 宽，步宽= 0 0 1 ，衍射仪用c u 靶，x 射线波长扣1 5 4 0 6 。 试验时将所得金相试样熔覆层的衍射图谱与标准p d f 卡片对比分析，确定 所得焊缝的颗粒增强涂层中的物相组成，是否有有害相产生，为指导试验工艺 参数的制定及修正提供正确的方向。 2 试验材料及主要试验仪器 2 2 8m l - 1 0 0 型销盘型回转式磨料磨损试验机 磨损是自然界中普遍存在的现象，两个相互接触并有相对运动的物体表面 都会发生磨损。 磨损一般分为五种：磨料磨损、冲击磨损、黏着磨损、高温磨损及腐蚀磨 损。所谓磨料磨损是指使用砂粒及硬金属屑等硬质颗粒或表面粗糙物体在压应 力的作用下，对金属表面进行显微切削的一种磨损方式。磨料磨损这种类型的 磨损方式在所有的磨损类型中大约占5 5 , - 0 7 0 。 本试验选用磨料磨损的方式来测量焊缝涂层的耐磨性。 磨损试验机的结构示意图如图2 2 所示。 砂 图2 2 磨料磨损试验示意图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fa b r a s i v ew e a rt e s t 试样为用线切割机床加工成0 5 5 x 3 0 m m 尺寸的圆柱形试样。 用磨损试验机对试验所得的堆焊涂层进行耐磨性测定，与母材基体的耐磨 性进行对比分析，用t g 3 2 8 a 型电子分析天平( 0 1 m g ) 称量磨损失重情况。 试验选取2 0 8 砂纸作为磨粒材料，砂纸固定在试验机转盘上随转盘一起以 一定的速度转动。载荷选取为5 n ，重复做3 次，取平均值，试验前后试样均用 乙醇清洗，待吹干后，用电子分析天平称磨损前后的试样重量，以确定试样的 磨损失重。为保证试验结果的准确性，每换一个试样需要换一张新砂纸，保证 各试样在相同的磨损条件下进行测试。 1 4 2 试验材料及主要试验仪器 磨损试验参数如表2 1 所示： 表2 1 磨损试验参数 t a b 2 ie x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r 2 2 9t e c n a ig 22 0 s t w i n 高分辨型透射电子显微镜 t e c n a ig 22 0 s 。t w i n 高分辨型透射电子显微镜通过电子衍射可以分析样品 的晶体结构，确定试样熔覆层的物相组成及其组织结构。 2 3 试样制备 2 3 1 金相及硬度试样 焊接完成后，将氩弧熔覆处理后的试样沿横截面取小块制备金相试样，为 了便于观察和比较相同情况下各实验性能，进行组织和性能分析，先用粗砂纸 打磨截取好的试样表面，尽量使试样上下面保持平行，保证打磨量大致相等， 之后依次在金相砂纸上研磨，再抛光，并用酒精清洗，吹干后，在o l y m p u sb h 2 型金相显微镜上观察金相，并采集金相照片。并对采取过金相照片的试样进行 硬度测试。 2 3 2x 射线衍射( x i ) 试样 x 射线衍射试样尺寸约为1 0 m m x 2 m m x l 5 m m ，用d k 7 7 3 2 数控线切割机床切 割截取样，将试样上下面表面磨