镍基合金火焰喷焊钢管组织与性能研究

镍基合金火焰喷焊钢管组织与性能研究

喷焊技术可以实现金属腐蚀化，这可以提高钢铁表面的耐腐蚀性，提高加工产品的使用寿命。自熔性合金粉末是热喷焊技术所采用的主要材料,可以制备耐磨、耐腐蚀、抗氧化和耐热等表面强化和表面防护涂层。喷焊层与基体的结合层成分分布、组织结构决定着涂层与基体的结合强度,而结合强度决定工件在服役过程中涂层是否易于发生脱落、出现失效的问题。喷焊层与基体的结合方式属于冶金结合,喷焊层较薄,同时与基体结合强度很高,目前还没有测量喷焊层剥离结合强度的直接方法。本研究采用直接拉伸粘接对偶件的方法测定了两种镍基自熔性合金喷焊层与基体的结合情况,这是喷焊技术产品结合强度检测的重要参考手段。1试验材料和方法1.1铜和抗菌材料表1为自熔性合金粉末A、B的化学成分,由表1可知,B粉末中的镍含量高于A粉末,相比于B粉末,在A中添加了一定量的铜和钼。基体材料为STBA22钢管。采用A、B两种粉末,利用火焰喷焊技术在钢管基体表面制备了喷焊层。1.2拉伸时的弧长沿着钢管的横截面,切割10mm宽的圆环。为了分离拉伸试验样品的受力区域,沿着钢管圆环的轴向切割两个宽1mm深1mm的槽,槽间距为15mm。因钢管外径为φ38mm,隔离的弧长为见图1a。隔离的受拉区域面积S约为10mm×15.4mm=154mm2。在拉伸试验前,分别将试样加热到523K和823K保温10min后水冷,以模拟服役环境。用超强金属修补剂将该涂层与粘接件粘在一起,制作适宜的卡具将钢管和粘接件固定在拉伸机上(见图1b),钢管和粘接件之间的喷焊层或修补剂层断裂时拉力为F。此时有两种可能情况,一种是在涂层与基体的结合层处裂开,面积为S的涂层与基体的结合强度等于F/S;另一种是在修补剂中间裂开,面积为S的涂层与基体的结合强度则>F/S。拉伸变形速率约为1.4×10-4s-1。1.3钢管微区元素成分分析将喷焊钢管沿横截面切下10mm宽的圆环,沿管的轴向切下15mm,最后用环氧树脂包埋。样品先经过机械研磨,然后抛光。对抛光后的样品进行化学侵蚀,侵蚀液为4%硝酸+96%乙醇,侵蚀时间10~15s。利用OLYMPUSBH2光学显微镜(OM)和JEOLJSM-840扫描电镜(SEM)观察钢管样品的表面形貌以及喷焊层与基体的界面结构,采用SEM观察形貌的同时,利用SEM配置的X射线能谱仪,在对样品的基体、结合层、喷焊层分别进行微区元素成分分析的同时,在样品断面上,从基体、结合层到喷焊层,对组成元素的分布进行线分析。显微硬度测试采用莱卡VMHT30M显微维氏硬度计,载荷砝码25g。2试验结果与讨论2.1涂层的显微组织图2是将两种喷焊材料A和B进行火焰喷焊后喷焊层表面的光学照片。从图2中可以看到,用A材料的喷焊层孔洞较少,B材料孔洞较多。从图2中还可以看出喷焊层表面有小黑点,这是因为当A、B两种合金粉末被加热到它的熔点时,硅和硼扩散到颗粒的外表面,并与氧化物反应,形成硼-硅酸盐,而这一产物又有助焊性质,在熔合完毕后形成玻璃样的小黑点沉积在涂层表面。图3为两种喷焊层与钢管基体界面的横截面形貌。从图3可知,钢管最外层是镍基合金喷焊层,A材料喷焊层呈层状结构,喷焊层内部有少许孔洞,形成均匀的膜,而B材料层内可看见许多大致50μm的孔洞。中间是结合层,A材料结合层的厚度为120μm左右,B材料的厚度为80μm左右。涂层由镍基合金加硬质相构成,室温时A喷焊层的显微硬度为689HV0.025,B的为674HV0.025,具有优良的耐蚀耐磨性能。这种涂层能否与基体材料保持良好的结合,最重要的要看冶金结合层的质量,这也是喷焊技术的关键。冶金结合层的厚度有一个最佳值,因为结合层过厚,往往会同时造成涂层烧损,虽然这对于结合强度没有太大影响,但是会造成涂层的流淌、热裂、严重氧化,使涂层和基体都受到损害。一般情况下冶金结合层的厚度为70μm左右最为适宜。图3a和b显示两种材料的基体皆由珠光体和铁素体构成,其中白色颗粒所组成的网状物为铁素体,其余为珠光体。2.2拉伸试验结果拉伸对偶件试验后待测钢管与粘接件的开裂形态表明,开裂发生在修补剂内,没有出现喷焊层和界面的破坏。表2列出了所有样品的拉伸试验结果。由于修补剂的抗拉强度平均值在20MPa左右,因此可以认为喷焊层的结合强度应大于修补剂的断裂强度测定值,即喷焊层的结合强度>20MPa。2.3喷焊层的成分分析图4a和b分别为A试样喷焊层与基体的断面扫描电镜二次电子像和断面的成分分布分析结果。图4a表明喷焊断面由基体层(Ⅰ区)、结合层(Ⅱ区)、涂层(Ⅲ区)组成。图4a中所示的Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区的化学成分分析结果列于表3。钢管基体部分的Ⅰ区与结合层Ⅱ区没有清晰的界面,显示出在喷焊过程中存在重熔再结晶的现象。图4a中所示的Ⅱ区是结合层,与Ⅲ区的喷焊涂层存在明确的界面。从图4b沿样品断面的化学成分线分布分析结果显示,Ⅰ区与Ⅱ区的界面合金元素分布较为连续,进一步证明涂层与基体形成冶金结合的事实。为了更准确地分析喷焊层的组织与成分,对结合层和喷焊层界面采用SEM进行观察,图5a和b分别表示喷焊层与结合层组织观察结果和成分分布的分析结果。图5结果表明,在涂层中铁元素具有长程扩散现象,同时涂层的合金元素在结合层中也有扩散发生。这种元素分布特征进一步证明了在喷焊层与结合层的界面形成了良好的冶金结合。图6a和b分别表示B材料喷焊层与基体的断面的扫描电镜二次电子像和沿断面的成分分布分析结果。图6a中所示的Ⅰ区(基体层)、Ⅱ区(结合层)、Ⅲ区(涂层)的化学成分分析结果列于表4。从表4结果可知,在基体的Ⅰ区内也检测到微量的铬、锰、硅等元素,而在涂层的Ⅲ区也检测到的铁元素含量要高于喷焊原材料中铁的含量。由图6的组织观察和表4的成分分析结果表明,B材料涂层与基体同样形成了冶金结合。图7a和b则是喷焊层与结合层界面的断面组织观察结果和穿过界面的成分分析结果。图5b与图7b都表明涂层的区域镍、铬相继出现特征峰值,说明在镍的基体中含有较多富铬的第二相,而图5b中Cr与Mo元素总是在相同位置出现峰值与最小值,说明A试样中富Cr第二相中有较多Mo元素固溶,由于固溶强化作用,这会提高A喷焊层的强度,同时Mo的熔点较高,这会改善A喷焊层的高温硬度,在550℃时,B喷焊层的硬度为357HV0.025,A喷焊层的硬度为422HV0.025。硅元素的含量较少,且沿深度增加逐渐减少,说明在涂层中含有适量具有强化作用的硅化物。结合生产喷焊工艺分析,涂层中含有的硼化物与硅化物相当,由于受SEM上EDS检出感度的限制,没有能够给出硼含量的具体分析值,这一推论需要进一步验证。A喷焊层内有Cu元素分布,这将极大地提高镍基合金的耐硫酸腐蚀性能。3剥离结合强度(1)镍基喷焊层与钢管基体形成了良好的冶金结合,合金元素在喷焊层与基体界面附近连续分布。(2)拉伸对偶件试验结果显示两种喷焊层与基体的剥