等离子堆焊碳化钨强化镍基合金组织与性能研究_夏厚福

1、犬 il 硿 -大莩 DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 颀士莩位坨文 MASTERAL DISSERTATION 等离子堆焊碳化钨强化镍基合金组织与性能研究 学科专业材料加工工程 作者姓名 ? 指导教师？M_一 答辩日期 2014 年 6 月 硕士学位论文 等离子堆悍碳化钨强化镍基合金 组织与性能研究 Hardfacing Microstructure and Wear Behavior of Ni-based Reinfored With Tungsten Carbides by PTAW 作者 姓名: 夏厚福 学科、 专业: 材料加工工程 11 / 375 号

2、: 21105051 指导 教师: 邓德伟 完成 曰期: 2014年 5 月 式遠理工夫嗲 Dalian University of Technology 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明 : 所呈交的学位论文 , 是本人在导师的指导下进 行研究 工作所取得的成果。尽我所知 , 除文中已经注明引用内容和致 谢的地方外 , 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果, 也不包含 其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。 与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献 均巳在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处 , 本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目:M HiSf扉柳tMM

3、觀_fl 作者签名:夏谣搞 日期:TWf年/月夕日 大 3?理工大学硕士学位论文 摘要 为了提高材料表面耐磨性 , 通常在其表面堆焊耐磨合金 , 有时 为了获得特殊的性能 , 如高的耐应力磨损性能 , 可添加硬质合金粒子进行强化。对镍 基合金而言 , 常添加的硬 质粒子为碳化钨。 其原因为 : 一方面碳化钨具有高的耐腐蚀性、 高硬度、高熔点、可焊 性好、具有一定的塑性变形等特点 ; 躬一方面镍基合金与碳化 钨颗粒之间有较好的润湿 性。本课题选用等离子堆焊技术 ,其原因为 :等离子堆焊技术具 有稀释率和变形小、焊 道平整、工艺稳定、冶金结合好、致 _无缺陷、易于实现自动 化等优点。 本文来用等离

4、子堆焊技术在奥氏体不锈钢钢板表面堆焊碳化 钨强化镍基耐磨合金 , 使用光学显微镜 (0M) 、带能谱分析的扫描电子显微镜 (SEM)、 电子探针 (EPMA)、X 射线 衍射仪(XRD)、X射线荧光光谱分析伩(XRF)、红外碳硫分析伩、 显微硬度计、磨损试验 机等设备研宄合金堆焊层的显微组织和耐磨性能。 研究了堆焊电流对镍基合金堆掉层组织与性能的影响。 结果表 明 . 随着堆焊电流的 增大堆焊层中的枝晶组织变得越来越不明显 , 堆焊层中依次 出现鱼骨状组织、羽毛状 组织和点状群落组织 , 并且硬度也随之降低。 研究了添加不同含量和形状碳代钨强化镍基合金堆焊层组织 与性能。在显微组织方 面, 随

5、着碳化钨含量的增加 ,堆焊肩中出现了针状、块状、条状 及骨架状组织 , 并且均 含有W元素;在耐磨性能方面，随着1碳化钨添加量增大，合金 堆焊层的耐磨性能也随之 提高 , 且球形碳化钨的强化效果优予不规则碳化钨。 研宄了堆焊电流对碳化钨强化镍基合金堆焊层组织与性能的 影响。堆焊电流不同 , 元素凝固时扩散程度也不同 , 最终导致堆焊层中出现不同形态 的组织。在耐磨性能方面 , 堆焊层的耐磨性并不是堆焊电流的单调函数 , 它与电流及试验 载荷大小相关。同时 , 在 堆焊层中观察到了不同程度溶解的破化钨 , 这些溶解的碳化钨 进入到镍基合金基体中 , 与基体中元素进行反应 , 形成各种不同形状的复

6、杂化合物 , 并 且随着堆辉电流的增大 , 碳化钨溶解现象越来越明显。 关键词 : 等离子堆焊 ; 镍基耐磨合金 ; 碳化钨 ; 显微组织 : 耐磨性 等离子堆焊碳化钨强化镍基合金组织与性能研宄 Studies on Microstructure and Properties of Ni-based Hardfacing Reinforeced With Tungsten Carbides by PTAW Abstract In order to improve the surface wear resistance, the abrasion-resistant alloy was depo

7、sited on the surface of material. Sometimes for special performance, such as high stress abrasion resistance, it can be adding carbide particle in it. For the Ni-based hardfacing, the carbide particle usually was tungsten carbides. There are some reasons for this. On the one hand, the tungsten carbi

8、des has high corrosion resistance, high hardness, high melting point, good weldability and plastic deformation. On the other hand, the Ni-based alloy has good wettability with tungsten carbides. It adopts plasma transferred arc welding (PTAW) in this paper, the reason is that it has lower dilution a

9、nd deformation, good weld formation, process stability, easy to realize automation, excellent bonding with substrate and dense and defect-free deposits. The Ni-based hardfacings reinforeced with tungsten carbides were deposited on austenitic stainless steel substrate by plasma transferred arc weldin

10、g (PTAW). The optical microscope (OM),scanning electron microscope (SEM) with Energy Disperse Spectroscopy (EDS), electron probe microanalyzer (EPMA), X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence spectrum analyzer (XRF), infrared carbon sulfur analyzer, microhardness tester and sliding wear tester we

11、re employed to analysis the microstrcture 13 / 375 and wear resistance. The influence of current on microstructure and wear resistance of Ni-based hardfacing was studied. The results indicated that dendrites constituents was becoming more and more unconspicuous, the herringbone, feathery and dot com

12、munity structure were appeared in coatings and the microhardness was decreased with the increase of the current. The microstructure and wear resistance of the Ni-based alloy reinforced with different # / 375 content and shape of tungsten carbide were researched. In the aspect of microstructure,with

13、the increasing content of tungsten carbides, in the shape of acicular constituent, block tissue, long flake and skeleton structures, which including element of W, were precipitated in coatings. In terms of wear resistance, the wear resistance of coatings increased, with the increasing content of tun

14、gsten carbides. At the same time, the reinforcement effect of spherical tungsten carbide was 15 / 375 better than the irregular tungsten carbides. The influence of current on microstructure and wear resistance of Ni-based hardfacing reinforced with tungsten carbides were researched. In different wel

15、ding current, the diffusion rate of element was different during the solidification of coatings, leading to various forms of ii organization appeared in the coatings. In terms of wear resistance, the wear resistance of coating 17 / 375 current and the size of the test load. The dissolved tungsten ca

16、rbides with different degree were found in coatings. They reacted with the elements of Ni-based alloys to form low melting eutectics, which precipitated in different shapes. What is more, the dissolved phenomenon of tungsten carbides was more obviously with the increase of the current. Key Words: Pl

17、asma transferred arc welding; Nickel-base alloy; tungsten carbides; Microstructure; Wear resistance -in- 等离子堆舰化钨强化镍基合金组织与性能研宄 目录 Abstract II 1.1 镍基合金 1 1.1.1 镍基合金的分类 1 1.1.2 合金元素对镍基合金的影响 3 1.2 碳化钨 4 1.2.1 碳化钨的分类及优点 4 1.2.2 碳化鹤的应用 19 / 375 1.3 摩擦磨损 5 1.3.1 磨损的分类 5 1.3.2 磨损机理 6 1.3.3 影响磨损的因素 7 1.5 课题研

18、究意义及主要内容 9 2 实验部分 10 2.1 实验材料 10 2.2 焊前准备与焊后热处理 11 2.3 试样的制备 11 2.4 显微组织分析 21 / 375 2.5 摩擦磨损试验 12 3 电流对等离子堆焊 Ni40 合金组织与性能的影响 13 3.1 实验材料 13 3.2 合金堆焊层显微组织分析 13 3.4 本章小结 24 4 碳化钨的含量及形状对等离子堆焊镍基合金组织与性能的影 响 25 4.1 不同含量球形碳化钨对等离子堆焊镍基合金组织与性能的 影响 25 4.1.1 实验材料 25 -IV - 23 / 375 4.1.2 合金堆焊层显微组织分析 26 4.1.3 合金堆

19、焊层摩擦磨损性能分析 32 4.2 不同含量不规则碳化钨对等离子堆焊镍基合金组织与性能 的影响 36 4.2.1 实验材料 36 4.2.2 合金堆焊层显微组织分析 37 # / 375 48 4.2.3 合金堆焊层摩擦磨损性能分析 44 4.3 本章小结 47 5 电流对等离子堆焊碳化钨强化镍基合金组织与性能的影响 48 5.1 电流对等离子堆焊球形碳化钨强化镍基合金组织与性能的 影响 48 5.1.1 实验材料 48 5.1.2 合金堆焊层显微组织分析 65 27 / 375 5.1.3 合金堆辉层摩擦磨损性能分析 57 5.2 电流对等离子堆焊不规则碳化钨强化镍基合金组织与性能 的影响

20、60 5.2.1 实验材料 60 5.2.2 合金堆焊层显微组织分析 61 5.2.3 合金堆焊层摩擦磨损性能分析 5.3 本章小结 67 八 it 69 参考文献 70 攻读硕士学位期间发表学术论文情况 76 Sfc if 77 大连理工大学学位论文版权使用授权书 78 :? 工大学硕士学位论文 1 绪论 1.1 镜基合金 镍基合金是指在高温下具有较高强度与一定抗氧化腐烛能力 等综合性能的一类合 金, 它广泛应用于海洋、石油、化工、核电等行业 , 解决一般不 锈钢和其它金属、非金 属材料无法解决的工程问题。其强化机制为:一方面可以通 过合金元素固溶强化 , 另 一方面还能产生沉淀强化 2 。

21、 1.1.1 镍基合金的分类 镍基合金的分类方法通常有两种 , 一种是按照其化学成分进行 分类 ,另一种是按照 其主要性能特点进行分类，常用的分类方法如图 U所示。下 面将对镍基耐热合金、镍 基耐蚀合金和镍基耐磨合金作简单的介绍。 镍基合金 I I I I 35 / 375 按化学成分特点 I I 按性能特点 ip 八八八Jn r-八r*i丄丨 镍迪镍镇镍媒镍镍镍镍镍合 22 银责铬铬络铬基基基基基金 55 铁 2 铁相银银耐耐耐精形 金金金金金金合合合合合合记 金金金金金金忆 图 1.1 镍基合金的分类 Fig. 1 ? 1 The classification of the Ni-base

22、d alloy (1) 镍基耐热合金 镍基耐热合金又称为镍基高温合金 , 它具有组织均句、有害相 少和耐氧化腐蚀能力 强等优点 , 同时 , 能在高温较大应力条件下工作 3 。它的合金 粉末在制造航空发动机润 轮盘上有重要的应用 由于镍基高温合金在工业上应用广泛 , 众多的学者对镍基高温 合金进行了研究。钢 铁研究总院的国为民等人 力对镍基粉末高温合金的组织、性 能与成型及热处理工艺关系 进行了研究 , 他们发现冶金工艺、热处理工艺及内部缺陷都对 镍基粉末高温合金组织与 性能产生直接的影响。中国矿业大学王会阳等人【 8 对镍基高 温合金材料的研宄进展进行 了阐述 , 主要从力学性能、氧化行为、

23、疲劳行为和高温蠕变行 为这几个方面进行了研究。 -1 - 等离子堆揮碳化妈强化镇基合金组织与性能研宄 北京科技大学吴凯等人对镍基高温合金的高温蠕变及固溶冷 却速度和前处理对線基 粉末高温合金组织与硬度影响进行了研宄。关于蠕变 , 他们认 为 if 变阻力是影响铸造镍 基高温合金螺变机制的重要因素。 关于固溶冷却速度和前处理 他们认为冷却速度越快 , 合金硬度越高 , 失效后硬度增高越多。钢铁研究总院的张室等 人对镇基粉末高温合 金的缺陷进行了分析研究 , 认为镜基高温合金粉末中的夹杂 物、空心、包裹粉、氧化污 染粉等异常颗粒是成型后合金中缺陷的隐患。 山东大学的杜劲 等人对镍基粉末高温合 -

24、金的铁削加工进行了研究 , 得到了镍基粉末合金的统削力和统 削温度的经验公式。 (2) 镍基耐独合金 、 镍基耐烛合金在工业上应用广泛 ,其优点如图 1.2 所示,现对常 用的镇铜合金和镜铬 合金这两种耐烛合金作简单介绍。在国内，常用的两种镍铜 合金牌号分别为 Ni68Cu28Fe和 Ni68Cu28AI。对 Ni68Cu28Fe镍铜耐烛合金而言， 其组织结构为典型的单 相奥氏体组织 , 没有金属间相析出 , 不存在由于复相合金不同 相间电偶反应而引起的腐 烛。在大气中 , 它具有极高的耐烛性 , 在天然水和蒸馆水中 , 其 耐烛性也是极佳的 , 在 有空烛 - 磨烛条件下 , 其耐烛性更显优

25、越性 , 可用于制造螺旋 奖、泵轴、冷凝器传热管 和叶轮等。然而 , 在亚硫酸中 , 它容易受到腐烛 , 不能用于处理 亚硫酸溶液和造纸工业 中的亚硫酸!?。对Ni68Cu28A丨镍铜耐烛合金来说，相对于第 一种镇铜耐烛合金而言 , 它 具有更高的强度和硬度 , 主要是由于该合金存在金属间化合物 沉淀 , 能起到沉淀强化作 用。该镍铜耐烛合金主要用于泵轴、叶轮、输送器刮刀、油井 钻环、弹性部件和阀塾等。 当Ni中添加10%上的Cr时，便得到了耐烛性和抗氧化性较好 的镜铬合金。根据 Cr 的添加量不同 , 可对镜铭耐烛合金进行分类。常用的镍络耐烛 合金的牌号有 0Crl5Ni75Fe0Cr23N

26、i63Fel4Al0Cr20Ni65Ti3AlNb O0Cr3ONi6OFelO、 0Cr35Ni65 等 合金。0Crl5Ni75Fe镜铬合金具有较好的耐烛、 耐热、抗氧化、 加工及煙接等性能特点 , 广泛应用于化学等工业中 , 例如用于制造加热器、蒸发器、蒸 馆塔、冷凝器等设备上 , 它也是轻水堆核电厂的重要结构材料 ;0Cr23Ni63Fel4Al 镍络 合金在氧化性酸中具有较 好的耐烛性 , 同时也具有较好的抗氧化性能和抗硫化性能 , 它 主要用于加热设备、化学 37 / 375 工业、航空航天以及动力工业中 ;0Cr20Ni65Ti3AlNb 镍基耐烛 合金主要特点是在氧化性 介质中

27、具有良好的耐烛性和耐磨性 , 主要用于耐烛条件下 , 例 如制造有稀硝酸腐烛并有 振动、撞击条件的计量栗截止球阀 ;0OCr30Ni6OFel0 镍铬合金 是一种专用合金 , 主要用 于轻水反应堆核电站制造蒸发器传热管 , 以解决不锈钢等材料 出现的应力腐她问题 ; 0Cr35Ni65 镇基合金最大特点在于既耐强氧化性酸的腐烛, 也 耐高温气体的热腐烛 , 它 一般用于制造耐HN03 HN03+HF昆酸的容器、管道、塔和槽等， 也用于核化工工业中 -2 - 一 ：？ N 少量硼对合金的塑性和螺变强 度有利 , 并且能够显著减 小持久缺口敏感性 , 硼含量过高易降低合金塑性和高温持久 性。 1.

28、2 碳化销 在表面堆辉技术中 , 为了进一步提高合金堆燥层的耐磨性 , 通 常在堆煌合金中加入 一定量的硬质粒子 , 被选用的硬质粒子要求在基体中有较小的 溶解度 , 并且溶点比基体 合金要高 , 由于碳化鹤具有众多的优点 , 故通常作为硬质粒子 加入到镍基合金和钴基合 金中2 卜 26) 。 1.2.1 碳化铭的分类及优点 根据碳化妈的获得方法不同 , 可将其分为铸造碳化鹤、烧结碳 化鹤和单晶碳化妈三 类27_29; 根据碳化销的形态不同 , 又可将其分为球形碳化鹤 和不规则碳化鹤两类 21 。图 1.3 表示碳化鹤作为硬质粒子的一些优点 , 正是由于碳化鹤具 有这些优点 , 碳化销才作为

29、一种硬质粒子广泛添加到其它合金粉末中 碳化鹤 的点 i 丨 I I I j i if 丨可八 n Q D mWi ftS 烛i偉3 S當S有塑被湿 性性 S 1 I f 一性合 if ifj 八 Q n H 八 图 1.3 碳化鹤的优点 Fig. 1.3 The advantages of tungsten carbides 4 - 1.2.2 碳化鹤的应用 在表面改性激光堆捍和等离子堆 焊过程中 , 碳化鹤通常作为 硬质粒子添加到合金堆 辉层中 , 目前研宄比较多的都是向镍基合金和钴基合金中加入 碳化鹤硬质颗粒 , 这是由 于镍基合金和钴基合金对碳化鹤有良好的润湿性, 在磨损过程 中 , 碳

30、化鹤在基体中起抗 磨作用 , 基体能防止碳化鹤裂纹扩展和承受一定的冲击载荷作 用34? 本课题也是基于此 而展开研宄的。 在镍基合金中加入碳化鹤进行等离子堆辉时 ,Tonya Brett Bunton Wolfe 等人认为 会在堆捍层中形成四个区域 , 这四个区域的碳化鹤含量不一致 在堆焊层中部和靠近溶 合线处碳化鹤含量较多 , 溶合线处碳化鹤含量次之 , 堆捍层顶 部碳化鹤含量最少。并且 , 由于等离子弧温度较高 , 在堆捍过程中 , 部分碳化鹤会发生溶 解, 溶解后的碳化鹤与基 体中的元素发生冶金反应 ,生成新的析出相。 A.Liu 等人研究了 在等离子堆淳时碳化 鹤的分布与溶解 , 他们

31、发现碳化锡在堆辉层中的分布依赖于络 池的凝固速度 , 并且球形 碳化鹤更容易进入到溶池中 , 而不规则碳化鹤一般位于合金堆 捍层的上部 , 这种差别的 产生是由于球形碳化鹤在溶池中的流动性比不规则碳化鹤的 流动性要好。在激光熔敷方 面, 也有众多的文献研究添加碳化鹤后線基合金溶覆层的组织 与性能的变化 , 并且研究 性能变化主要集中在耐磨性能和耐烛性能方面 1.3 摩擦磨损 两个在接触状态下作相对运动的物体 , 因接触而阻碍相对运动 , 并使运动速度减慢 , 这种现象称为摩擦。物体表面相互摩擦时 , 材料自该表面逐渐 损失的过程称为磨损。磨 损是伴随摩擦而产生的 , 一般来说 , 有摩擦就会引

32、起磨损 , 同时 , 磨损也是一个复杂的 过程酬。 1.3.1 磨损的分类 引起磨损的原因有很多 , 既有力学因素 , 也有物理和化学因素 , 很多因素如摩擦副 材料、润滑条件、加载方式和大小、相对运动特性等也影响磨 损量的大小 , 所以磨损是 一个十分复杂的系统过程。目前还没有统一的分类方法, 但通 常的分类方法有三种 , 如 图 1.4 所示 -5 - 等离子堆辉碳化玛强化镜基合金组织与性能研究 磨损 ,、八J I 按发生歴损 按发屯磨损 的衷面接触的环境及介 性质划分 质划分 八 J_ 八八 丄 r-L J-, r-L, r-L r-J, n-J, r-Li 金金金 接 流M平M點:磨磨

33、触冲微冲 T-湿i金磨流着:粒烛疲烛动击 磨磨 : 睫屈粒体磨 I 磨磨劳磨磨磨 损彳贝 . 损磨损丨损损磨损损损 ; 损损损 损 图 1.4 磨损的分类 Fig. 1.4 The classification of wear 1.3.2 磨损机理 关于磨损机理的研宄 , 不同的学者提出了不同的理论 , 他们各 自的理论都是建立在 一定条件的基础之上 , 下面将简单介绍三种比较常见的磨损理 论 46 。 (1) 磨损的剥层理论 美国麻省理工学院的教授 N.P.Suh 最早提出磨损剥层理论 , 它 分析了磨损时金属的 塑性变形与断裂行为 , 这一理论的基础为金属的位错理论 148 。根据剥落坑外

34、形特征 ,可 以划分为三种剥落形式 ,分别为: 点烛、浅层剥落和深层剥落。 点烛主要发生在接触表 面下的最大切应力处 , 它是由于位错在次表层运动 , 从而在夹 杂物或晶界等障碍处发生 堆积。在滚动接触过程中 , 剪应力方向不断发生变化 , 位错运动 方向也随之发生变化 , 由于位错的切割 ,形成空穴 ,空穴集中而形成空洞 ,最后演化为 裂纹 ,裂纹在载荷作用 下发生扩展 ,当扩展至表面时 ,便形成点烛。 表面接触应力较小 摩擦力较大或表面质 量差时, 容易产生点烛 47 。在纯滚动或摩擦力很小情况下 , 此 时次表层的切应力最大 , 更容易形成裂纹 , 当裂纹沿着平行于表面的方向扩展时 ,

35、易形 成薄而长的剥落片 , 此时 就发生了浅层剥落 , 第二相硬质点和夹杂物都能促进浅层剥落 材料表面粗糙度比较低 , 也易出现浅层剥落。当裂纹位于材料硬化层与心部交界处时 , 此时该处的最大合成切应 力高于材料的塑性变形力 , 容易造成大块剥落 ,最终形成深层 剥落。对于一些表面硬化 而心部强度太低 , 硬化层深度不合理 , 梯度太陆或过渡区存在 不利的应力分布的部位 容易形成深层剥落。 (2) 磨损的疲劳理论 -6 - 当两个接触体相对滚动或滑动时 , 在循环变应力作用下 , 超过 材料疲劳强度极限 , 产生裂纹 ,并逐步扩展 ,造成材料剥落 , 形成疲劳磨损。材料发 生破坏时 , 由于其

36、应力 循环次数远低于弹性接触条件下的循环次数, 因此 ,也经常称 为低循环疲劳破坏。 最早提出疲劳磨损理论的学者是苏联的克拉盖尔斯基他提出 来的理论包含以 下几方面 :(a) 两磨损面发生摩擦 , 接触的部分是不连续的 , 众 多的接触点组成实际的磨 损面, 这是由材料实际表面存在着粗糙度决定的 ;(b) 接触点由 于有法向应力作用 , 它会 产生局部应力和塑性变形 ;(C) 两接触表面产生相对滑动时 , 摩 擦力将导致接触区材料性 能发生变化 , 同时, 在交变应力循环作用下 ,接触区材料将发生 疲劳损伤 , 材料因疲劳 损伤而被削弱 , 最后形成磨屑脱落 , 使材料发生破坏。 (3) 磨损

37、的能量理论 磨损能量理论认为材料出现磨损的主要原因是能量的转化造 成的 , 最早提出该理论 的学者是弗利舍尔 (G.Fleisher) 。 磨损过程是一种能量产生与消耗的过程 , 摩擦功表征的是输入 到摩擦副的能量与输 出能量的差值。 对金属材料来说 , 摩擦功的去向有两个 , 一部分 摩擦功以潜在的内能形 式积蓄在材料中 , 这部分的摩擦功相对比较小 ; 摩擦功主要去 向为促进材料的塑性变形 , 并最终以热能的形式散失。为了使磨屑与基体材料分离, 材料 必须积累足够的内能 , 当 材料的内能增大到一定值时 , 储存的能量超过材料结合键的键 能 , 材料表面便产生破坏 而形成磨屑 , 出现磨损

38、。 1.3.3 影响磨损的因素 影响金属的磨损因素非常多 , 并且不同的磨损机理 , 其影响的 因素不同 , 表 1.1 为常 见的几种摩擦磨损机理及其影响因素的汇总 表 1.1 不同磨损类型的影响因素 Tab. 1.1 The influence factors of different types of wear 磨损类型 影响因素 rzTi 它与载荷、滑动速度、温度、材料性能、表面粗糙度及 表面膜状态等因 點着磨 fcj 素有关 它与载荷、mmm磨粒和材料表面相对速度、温度、材料成分、 材 k料组织及材料性能等因髓关 它与材料自身性质 （如弹性模量 :, 硬度等）、工况条件 （如磨粒,

39、冲度, 冲烛磨 fe 冲烛角度 ） 等因素有关 腐烛磨损 它与环境、温度、介质、载荷、滑动速度和润滑条件等因 素都有关系 微动磨损 它与载荷、振动、频率和循环次数、环境、润滑及材料性 质等因素有关 -7 - 等离子堆燥碳化妈强化擦基合金组织与性能研究 它与载荷、热处理组织、表层性质 （ 如硬度、残余应力等 ） 、冶 金质量、 麵纖戯猶条件有关 1.4 等离子弧堆爆 等离子弧堆焊技术是利用氩气转移型弧作为主要热源 , 填充金 属合金粉末或煙丝 , 在工件表面形成溶池 , 冷却得到性能优良的堆辉层的一种辉接 方法。按照电源连接方式 , 等离子弧可分为转移型弧和非转移型弧 , 转移型弧在电极和工 件

40、之间燃烧 , 非转移型弧 在电极和喷嘴之间燃烧 _。等离子弧与其它一般电弧的主要区 别在于 , 一般电弧是自由 弧, 等离子弧是压缩弧 , 等离子弧在喷嘴处受到热压缩、 机械压 缩和电磁压缩作用 , 这 三种压缩效应使得等离子弧的弧柱温度和能量密度大大地提 高, 图 1.5 为等离子弧堆煙相 对于其它堆輝技术的优点 54_58 。 H 揮道平整 , 工艺稳定 H燒层组织均匀缺陷少 一 温度高 , 能量集中 等禽子孤谁 I H 电弧稳定 ,可控性好 燥的八点厂H堆揮材料范围可选 母材稀释率禾口变形小 d 热影响区小 , 生产效率高 H 易于实现自动化 图 1.5 等离子弧堆傳的优点 Fig. 1

41、.5 The advantage of PTAW 本课题应用的是粉末等离子弧堆揮 ,它一般采用转移型弧 , 但 也可以采用混合型弧 , 采用混合型弧时 , 非转移弧作为补充热源 , 进一步提高溶敷效 率。在粉末等离子弧堆辉 过程中 ,送粉的均勾性和送粉量的大小是影响粉末堆傳质量的 一个重要因素 , 粉末的粒 度对堆傳的质量也有很大的影响 _。粉末等离子弧堆揮技术的 主要参数有 : 煌接电压、 电流、摆动参数、保护气流量、辉接速度和工作距离等。燥接 电压与工作距离有关 , 工 作距离越小 , 电压越小 ; 爆接电流大小决定热输入大小 , 堆惶电 流过小 , 基体与堆燥层 之间结合不好 , 易出现

42、气孔、 微裂纹等缺陷 ; 摆动参数决定傳道 的宽度 ; 保护气流量影 响溶池的保护效果 ; 辉接速度对爆道的厚度和溶深有影响 _。 -8 - 73 / 375 1.5 课题研究意义及主要内容 在核电、矿山和航天等领域中 ,为了提高材料表面的性能 , 通常 对其表面进行改性。 现在核电设备上应用较多的合金涂层为镍基合金涂层 , 但在某 些要求耐磨性能较高的部 件上, 单纯的镍基合金涂层并不能满足其耐磨性能的要求, 故 寻求添加硬质粒子强化的 镜基合金堆揮层来代替。由于碳化鹤具有众多的优点 , 加之等 离子堆悍技术具有母材变 形小、稀释率低和易于实现自动化等优点 , 故研究等离子堆辉 碳化鹤强化镍

43、基合金堆悍 层显微组织与耐磨性能有重要的研宄价值 , 本课题也是基于此 而展开的。 本课题采用等离子堆揮技术 ,在 304 奥氏体不诱钢钢板上堆燥 镍基及碳化鹤强化镍 基合金, 实验设置的参变量有三个 ,分别为堆悍电流、 碳化鹤的 含量及碳化鹤的形状。 对堆焊后的合金堆焊层进行显微组织和磨损性能分析, 显微组 织分析侧重于合金堆捍层 中各种组织的研究 , 耐磨性能分析侧重于合金堆揮层在不同载 荷作用下的磨损性能 , 最 后通过组织与性能的分析 , 得到一些规律与结论。 -9 - 等离子堆燁碳化鹤强化線基合金组织与性能研究 2 实验部分 2. 1 实验材料 实验选用的母材为 304 奥氏体不锈钢

44、钢板 , 选用的線基合金粉 末为 Ni40 自溶性合 金粉末, 它属于 Ni-Cr-B-Si 系合金 , 其化学成分见表 2.1; 选用 的碳化鹤有两种 , 分别 为球形碳化妈和不规则碳化鹤 , 利用红外碳硫分析仪对其进行 成分测定 , 测得化学成分 见表 2.2 。 - 表 2.1 初始镍基合金化学成分 ( 质量分数 /%) Tab. 2.1 Composition of original nickel-base alloy powder (wt%) 八C si 球形碳化鹤的粒度为 45-180八111;不规则碳化鹤的 粒度为 105147叫 1。 图 2.1 初始合金粉末形貌 :(a)Ni

45、40; (b) 球形碳化妈 ;(c) 不规 则碳化鹤 75 / 375 Ni40; (b) Spherical tungsten carbide; (c) Irregular tungsten carbide -10 - 利用X射线衍射仪对初始镇基合金粉末和碳化鹤进行物相分析 其分析结果如图 2.2 所示。 Ni40 合金粉末主要含有的相为 :Y -Ni 、 BCr 和 Ni3iSii2; 两种不同形状的碳 化玛含有的相均为:WC W2C和游离态的 W X M-y-Dti ( 的 A ? W ? 0- W ? Crfi WC f WC I ?-NSwSia 暴 -A Wf 墨 級 He 77

46、/ 375 ,.1.,-.I II I,-, .ife.* ,t?, ,11,1,111III.I I 11,.,.,11?.,1 II*, I if - - * ? -. ? 1 3? 49 9? ?9 79 M 99 IM 14 M S? ?1 ? M 4?八 26 ? 49 50 ?9 tft 4? IM 赠 *) 图12初始合金粉末XRD分析:(a)Ni40; (b) 球形碳化鹤;(e) 不规则碳化鹤 # / 375 (a) Ni40; (b) Spherical tungsten carbide; (c) Irregular tungsten carbide 2.2 择

47、前准备与爆后热处理 为了减小燁接过程中由于捍接热应力而产生裂纹倾向 , 捍前将 304 奥氏体不锈钢钢 板在40(rc下保温2h,为了使悍后获得良好界面，悍前将不诱 钢钢板表面用 200#砂纸进 行打磨 , 并用酒精进行清洗 , 去除油污和表面氧化物 ; 为了提高 堆燁过程中焊粉的流动 性, 实验前将混好的碳化锡镍基合金粉末置于15(rc 的烘箱中 烘烤 2h; 为了避免燥后由 于冷却速度过快而产生裂纹 , 堆择后将试件放在經石粉中缓冷 至室温。 2.3 试样的制备 为了获得稳定的分析试样 , 在取样过程中要避开由于起弧和收 弧而产生捍接缺陷的 区域, 具体的取样示意图如图 2.3 所示。 揮

48、接方向 _ 83 / 375 II y 堆悍层 = M I 基体 图 2.3 堆揮层切取试样示意图 Fig. 2.3 Schematic of sample location from deposit -11 - 等离子堆傳碳化玛强化镇基合金组织与性能研究 2.4 显微组织分析 为了 按图 2.3 进行取样 ,取样完成后 ,将试样制备成金相试样。 分析堆煙层的显微 组织, 本实验使用了一系列分析手段 , 应用到的主要仪器设备 及其作用如表 2.3 所示。 表 2.3 显微组织分析仪器及其作用 Tab. 2.3 Microstructure analysis instruments and th

49、eir function 仪器名称 分析对象 Wm 红外碳硫分析仪 (CS-8800) 碳化妈粉末 测定粉末中 C 元素的含量 X 射线衍射仪 (XRD-6000) 初始合金粉末及合金堆辉层 进行物相分析 光学显微镜 (Nikon-MAIOO) 合金堆煙层 获得合金堆辉层的金相组织 . 层的 SffiWZEISS SUPR馬5初始合末及合金聊层获得合金賴 扫描组织 ZEISS EVO 18) 电子探针 (EPMA-1600) 合金堆燥层 对组织进行元素点、线和面分析 2.5 摩擦磨损试验 为了评价合金堆焊层的耐磨性能 , 需要对其进行摩擦磨损试 验。摩擦磨损试验在型 号为MMS-2A勺微机控制

50、摩擦磨损试验机上进行，该摩擦磨损试 验类型为环块式摩擦 磨损,磨损试样取样尺寸及原理如图 2.4 所示。据文献表明 ,载 荷对摩擦磨损勺磨损 机理有影响 , 故在试验过程中 , 将载荷设为变量 , 分别取值为 50N和150N,其它试验 参数分别为 : 时间为 90min, 转速为 90r/min U.-jh ? I 1 1 JPfT 爆_普 图 2.4 环块式摩檫副尺寸和摩檫磨损试验接触原理图 Fig. 2.4 The size and schematic diagram of block-on-ring friction pair 3 电流对等离子堆择 N i 40 合金组织与性能的影响

51、3.1 实验材料 实验选用尺寸为160mmx50mmx20mn304奥氏体不锈钢钢板作 为基材 , 焊粉选 用自溶性 Ni40 合金粉末 , 堆揮过程中采用单道彈。 对基材和傳 粉进行辉前处理如 2.2 节所述 , 具体等离子堆傳参数如表 3.1 所示。 表 3.1 等离子堆诨工艺参数 # / 375 Tab. 3.1 Welding parameters of the PTAW % “流(A) m A 电压(V) 30 30 30 摆动幅度 (mm) 20 20 87 / 375 10 摆动频率 (c/min) 20 20 20 燥接速度 (mm/min) 40 40 40 保护气速度 (L

52、/min) 10 送粉速度 (g/min) 20 20 20 3.2 合金堆爆层显微组织分析 采用等离子堆揮技术在不绣钢表面堆悍镍基合金 , 堆燥层主要 由枝晶组织和枝晶间 组织构成，枝晶组织是由Ni和Fe元素形成的镍基固溶体,枝晶 间组织主要为富铬碳化 物和富络硼化物及Ni元素与B和Si元素发生共晶反应生成的 89 / 375 镍基共晶组织构成 15,57,60i 试样 1 (140A) I I - . ., . - -y W? , - 1-11,. I ,n i_ * I # / 375 、 *? 一為 1*1, 20 30 40 50 60 70 HO 90 100 20/( ) 图3.

53、1不同堆燥电流条件下堆彈层的XRD分析 Fig. 3.1 XRD pattern analysis of the alloy hardfacing layers on different current 堆辉电流对合金堆辉层的显微组织和性能有较大的影响。 堆傳 电流不同 , 堆傳层的 热输入也不同 , 随着堆煙电流增大 , 堆燒层在凝固过程中冷却 速度降低 , 使得堆燥层中 枝晶间组织的体积分数超过原始枝晶的体积分数,同时, 也使 得原始枝晶组织变得粗大。 堆揮电流对堆辉层中各种析出相也有较大的影响 , 其主要影响 表现在以下几方面 :(1) 随着堆燥电流的增大 , 在析出相的形成过程中 ,

54、各种元素相互 扩散更加充分 ;(2) 堆傳电 流的改变意味着热输入的改变 , 它将会改变析出相的形貌 ;(3) 随着堆傳电流的增大 , 各 种析出相的尺寸也随之变大【 35 。 对合金堆燥层取样 , 并制成金相试样 , 不同堆辉电流下合金堆 淳层近溶合线和近表 面处的金相组织如图 3.2 所示。由图可知 : 堆辉电流不同 , 近溶 合线和近表面处出现明 显的组织梯度 , 它与温度梯度和凝固速度有关。当堆烤电流为 140A时,近溶合线处依 次由细小等轴粒状枝晶、 粗大粒状枝晶和枝晶间鱼骨状组织构 成。细小等轴晶粒的形成 原因为 : 在堆辉层凝固过程中 , 近焰合线处散热较快 , 成分过冷 度比较

55、大 , 能同时满足 结构起伏和能量起伏 , 结晶更容易形核 , 从而形成一层细小的 等轴晶粒 64 。在堆傳层近 表面处 , 溶液中出现许多晶核 , 并沿各个方向长大 , 最终形成等 轴树枝晶 65; 当堆傳电 流为 170A 时 , 近馆合线处树枝晶组织不明显 , 堆辉层中分布着 羽毛状组织。在堆辉层 近表面处 , 组织比较均勾 , 其形态与近溶合线处相似 , 但更加细 小 , 这是由于堆岸层顶 部冷却速度较近溶合线处的冷却速度要快造成的 ; 当堆煙电流 为200A时,近溶合线处 -14 - 出现了较为粗大的树枝晶 , 这是由于随着堆得电流增大 , 合金 堆燥层的热输入也随之增 大, 冷却速

56、度随之降低 ,树枝晶组织有充足的时间长大 , 故得到 粗大的树枝晶组织。同 时, 在树枝晶之间观察到了小羽毛状组织。在合金堆焊层近表 面处 ,显微组织与溶合线 处相似, 但细小的羽毛状组织表现得更为明显。 隱_:. 97 / 375 (d) sample 1 near surface; (e) sample 2 near surface; (f) KKMi 111 - 100 it n. 图 3.2 不同堆辉电流下合金堆彈层金相组织 (a) 试样 1溶合线处 ;(b) 试样 2溶合线处 ;(C) 试样 3溶合线处 (d) 试样 1近表面处 ;(e) 试样 2近表面处 ;(f) 试样 3近表面处

57、 Fig. 3.2 The microstmcture of alloy hardfacing layers on different current (a) sample 1 interface; (b) sample 2 interface; (c) sample 3 interface sample 3 near surface 取合金堆彈层中树枝晶组织进行电子探针元素面分析 , 如图 3.3 所示。由图可知 : 树枝晶组织主要含有 Ni和Fe元素，同时还固溶一定的Cr和Si 元素 , 它们共同构成镍 基固溶体；枝晶间组织主要含有 Cr和B元素,还含有一定的Si 元素 ;C 元素原子系数

58、 较小, 进行电子探针分析时 , 结果不明显。 枝晶间的非金属元素 B、C与合金元素Cr、 Ni、Fe 形成硼化物或碳化物 , 共同起到强化枝晶间组织的作 99 / 375 用;Ni元素还能与B和Si 元素形成共晶化合物 ,如 Ni3Si,NisB 等 -15 - 等离子堆辉碳化妈强化镍基合金组织与性能研究 :弟 图 3.3 枝晶组织电子探针元素分布图 (a)镇;(b)络;(C)硼;(d)娃;(e)铁;(f)碳 101 / 375 Fig. 3.3 Elemental mapping of the dendritic structure (a) Ni; (b) Cr; (c) B; (d) S

59、i; (e) Fe; (f) C 在进行等离子堆燥时 , 堆傳层的溶合线处均出现了白色亮带 , 它是溶融的基材表层 与堆揮层合金液相相互扩散而形成的 , 该区域存在很大的成分 梯度 ,如果基材与堆岸层 结合不好 , 基材与堆爆层之间就不会形成白色的结合带 66 。 同时 ,它也反应堆燥过程中 堆岸层的稀释率 , 随着堆揮电流增大 , 白色亮带逐渐变宽 , 表示 稀释率逐渐增大。经过 # / 375 测定, 本实验中 , 三种堆燥电流下 , 白色亮带的宽度分别为 10, 、 20)Lim 和 30_, 如 图 3.4 所示 -16 - 图 3.4 溶合线处白亮带的测定 :(a)140A; (b)

60、I70A; (c)200A Fig. 3.4 The measurement of white band near the fusion line: (a) 140 A; (b)l70A; (c)200A 当堆傳电流为140A时,堆傳层溶合线处组织如图3.6(a)和(b) 所示。在溶合线处观 察到了两种不同形态的鱼骨状组织 , 对第一种鱼骨状组织而言 它垂直于溶合线方向生 长,主要由组织1和组织2构成,并且主要含有B和Cr元素,同 时还含有少量的 Fe 和Ni元素,并且Fe和Ni元素的摩尔百分比近似为 1:1;对第二 种鱼骨状组织而言 , 主 要由组织 3 构成 , 它与组织 1 和 2 各元