趙運(yùn)才　劉宗陽　楊雷雷

江西理工大學(xué)，贛州，341000

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弧比變化對(duì)電火花沉積Ni201修復(fù)層界面行為的影響

趙運(yùn)才劉宗陽楊雷雷

江西理工大學(xué)，贛州，341000

摘要：再制造修復(fù)設(shè)備工藝參數(shù)選擇是決定修復(fù)層質(zhì)量的關(guān)鍵因素。利用電火花沉積技術(shù)，在Q235鋼表面制備Ni201修復(fù)改性層，對(duì)比分析弧比取不同值時(shí)對(duì)修復(fù)層質(zhì)量的影響，并利用掃描電鏡(SEM)、能譜儀(EDS)、X射線衍射(XRD)等檢測(cè)方法，研究了修復(fù)層與基體結(jié)合界面的微觀結(jié)構(gòu)、元素分布及相組成。結(jié)果表明：弧比取值在35%～45%之間時(shí)，修復(fù)層組織均勻致密，基體元素與修復(fù)層元素相互擴(kuò)散形成冶金結(jié)合，修復(fù)層主要由Fe19Ni、Co3Fe7、Fe0.9Si0.1和C0.055Fe1.945相組成。

關(guān)鍵詞：電火花沉積；弧比；Q235鋼；界面行為

0引言

電火花沉積(electro-spark deposition，ESD)技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種微弧焊接工藝[1]，是在惰性氣體環(huán)境中，利用旋轉(zhuǎn)電極與基體接觸形成的微弧脈沖放電產(chǎn)生高密度能量，瞬間產(chǎn)生高溫，將電極材料熔滲到金屬表面形成合金強(qiáng)化層的一種表面修復(fù)強(qiáng)化技術(shù)。利用電火花沉積技術(shù)在機(jī)械零件受損部位沉積修復(fù)改性層，可以修復(fù)并提高受損零部件的機(jī)械使用性能，從而延長(zhǎng)機(jī)械產(chǎn)品的使用壽命，降低制造成本，因此，電火花沉積技術(shù)在軍工、航空航天、醫(yī)療、礦山、汽車行業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2-3]。隨著表面工程領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，電火花沉積技術(shù)已經(jīng)成為再制造技術(shù)中一項(xiàng)重要的制造工藝[4-5]。

由于電火花沉積技術(shù)在再制造領(lǐng)域具有重要意義，許多學(xué)者采用不同的電火花沉積工藝參數(shù)，對(duì)修復(fù)層的微觀組織及力學(xué)性能等進(jìn)行了不同角度的研究[6-10]，但目前針對(duì)不同電火花沉積工藝參數(shù)下制備Ni201修復(fù)層界面行為影響的研究較少,且Ni201抗腐蝕、耐高溫性能良好，用作修復(fù)工件表面缺陷的材料可以得到表面質(zhì)量高、加工性能好的修復(fù)層，因此，本文利用電火花沉積技術(shù)，采用不同的弧比(微弧放電時(shí)間長(zhǎng)短的百分比)作為主要對(duì)比參數(shù)，在Q235鋼表面沉積Ni201修復(fù)層，對(duì)不同參數(shù)下的修復(fù)層質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比研究，并對(duì)修復(fù)層與基體結(jié)合界面的顯微組織、物象組成、元素分布進(jìn)行研究分析，以期為電火花沉積技術(shù)在再制造領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用與推廣提供理論依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1沉積材料及工藝參數(shù)

電火花沉積工藝采用DHD-6000型電火花沉積設(shè)備，修復(fù)層由人工手持沉積槍在氬氣保護(hù)下制備完成，放電脈沖輸出頻率40～1200 Hz可調(diào)，弧比、轉(zhuǎn)速0～100%連續(xù)可調(diào)。電極材料為φ2 mm的Ni201，主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表1，基體材料為Q235鋼，沉積時(shí)基體試樣尺寸為50 mm×50 mm×10 mm。實(shí)驗(yàn)前，先用400目砂紙將基體待沉積面的氧化層除去，再用丙酮溶液對(duì)基體進(jìn)行清洗去污并風(fēng)干，依據(jù)沉積設(shè)備使用說明書，按照表2中的沉積工藝參數(shù)進(jìn)行電火花沉積，沉積時(shí)電極伸出沉積槍的長(zhǎng)度為10 mm。

表1　電極材料的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　%

表2　沉積工藝參數(shù)

1.2Q235鋼焊接性能分析

基體Q235鋼的化學(xué)成分如表3所示，根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)(IIW)推薦的碳當(dāng)量公式：

wCE(IIW)=w(C)+w(Mn)/6+(w(Cr)+w(Mo)+

w(V))/5+(w(Ni)+w(Cu))/15

得Q235鋼的碳當(dāng)量wCE(IIW)<0.40%，可知Q235的焊接性能良好，焊接時(shí)不需要進(jìn)行預(yù)熱處理。

表3　Q235鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　%

1.3實(shí)驗(yàn)方法

修復(fù)層制備完成后，利用線切割將沉積試樣制成10 mm×10 mm×10 mm的檢測(cè)試樣，依次分別用800、1500、3000目的砂紙和金相拋光機(jī)將檢測(cè)試樣橫截面拋光至光亮的鏡面。對(duì)于用于金相組織觀察的試樣，其基體Q235鋼部分用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，Ni201修復(fù)層部分用王水腐蝕。對(duì)于用于其他檢測(cè)項(xiàng)目的試樣，最后統(tǒng)一用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，以備檢測(cè)。

采用MLA650F型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)修復(fù)層與基體結(jié)合界面的顯微組織進(jìn)行觀察分析，結(jié)合能譜儀(EDX)分析修復(fù)層元素分布情況，采用Empyrean型X射線衍射儀對(duì)修復(fù)層物相成分進(jìn)行分析。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1修復(fù)層界面形貌分析

電火花沉積參數(shù)弧比取值35%和45%時(shí)所獲得的修復(fù)層界面形貌分別如圖1a和圖1b所示。由圖1a可以看出，修復(fù)層光滑致密，沒有細(xì)微的孔洞、裂縫等微觀缺陷，修復(fù)層與基體緊密結(jié)合。圖1b則表現(xiàn)出明顯的修復(fù)缺陷，結(jié)合界面處的基體一側(cè)存在一條顯微裂縫(約3～5 μm)，這可能是由于多次單點(diǎn)沉積后釋放的熱量產(chǎn)生的熱應(yīng)力經(jīng)疊加后超過基體強(qiáng)度導(dǎo)致的。由于修復(fù)層制備完成后基體殘余熱量的大小是由沉積過程中單次微弧脈沖放電釋放的能量決定的，而單次微弧脈沖放電釋放的能量大小與弧比取值大小有關(guān)，弧比代表的是微弧放電時(shí)間長(zhǎng)短的百分比，因此隨著弧比取值的增大，微弧放電時(shí)間得到延長(zhǎng)，電極與基體每次接觸釋放的能量增加，多次單點(diǎn)沉積后對(duì)基體的累積熱輸入量也隨之增加，導(dǎo)致熱應(yīng)力增大，當(dāng)熱應(yīng)力大小超過基體自身的強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)在靠近熔合線的基體一側(cè)產(chǎn)生顯微裂紋。因此修復(fù)層質(zhì)量的好壞與電火花沉積時(shí)弧比取值范圍的控制緊密相關(guān)。由以上分析可知，在Q235鋼表面沉積Ni201修復(fù)層時(shí)，弧比取值應(yīng)在35%左右，不宜超過45%。

(a)弧比為35%

(b)弧比為45%圖1　修復(fù)層界面形貌

2.2結(jié)合界面顯微組織分析

以下均為其他參數(shù)不變的情況下，弧比取值為40%時(shí)獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖2所示為基體Q235的金相組織，可看出，組織中主要分布著片狀鐵素體和珠光體，由于放大倍數(shù)較小(20倍)，因此珠光體呈現(xiàn)為一團(tuán)黑色。圖3所示為電火花沉積Ni201的修復(fù)層組織，主要是呈柱狀晶形態(tài)的鑄態(tài)組織[11]，其中含有少量的夾雜。

圖2　基體組織

圖3　修復(fù)層組織

(a)宏觀形貌

(b)SEM圖圖4　修復(fù)層橫截面圖(弧比40%)

圖4所示為弧比取值40%時(shí)得到的修復(fù)層結(jié)合界面。由結(jié)合界面宏觀形貌(圖4a)可看出，修復(fù)層與基體結(jié)合緊密，結(jié)合處沒有出現(xiàn)縫隙等熔合缺陷，基體一側(cè)零星分布著一些黑色物質(zhì)，這是沉積過程中析出的碳化物因腐蝕過度而變黑。圖4b為電火花沉積Ni201修復(fù)層與基體結(jié)合處橫截面的SEM照片，可看出，在修復(fù)層區(qū)域，修復(fù)層組織均勻致密，部分區(qū)域留有少量拋磨的劃痕，沒有明顯被酸腐蝕的痕跡，與基體相比，修復(fù)層的耐腐蝕性較好，由于修復(fù)層中的主要元素為Ni，容易被鈍化形成鈍化膜，所以可有效降低腐蝕敏感性，提高被修復(fù)零件的抗腐蝕性。

修復(fù)層區(qū)域A處是電火花沉積過程中形成的微小孔洞(約1μm)，可能與下面兩個(gè)因素有關(guān)：一是沉積時(shí)電極材料與基體接觸瞬間產(chǎn)生的高溫將電極和基體材料熔化甚至汽化，保護(hù)氣體流量在某一時(shí)刻的不穩(wěn)定可能導(dǎo)致空氣溶解于熔融的金屬中，在迅速凝固過程中，空氣沒有及時(shí)排出導(dǎo)致形成微小氣孔；另一因素是受到電火花沉積加熱、熔化、凝固過程中產(chǎn)生的拉伸熱應(yīng)力影響，導(dǎo)致產(chǎn)生微孔。經(jīng)4%的硝酸腐蝕后，區(qū)域B的組織結(jié)構(gòu)與基體相同，電火花沉積時(shí)，在脈沖放電瞬間釋放的高密度能量的作用下，放電區(qū)域中的電極材料和基體材料被熔融成流體金屬，并相互熔合，冷卻之后形成區(qū)域B的組織結(jié)構(gòu)，由此說明電火花沉積是電極材料與基體材料合金熔合的過程。從圖4b中可以看出，部分區(qū)域出現(xiàn)低于基體原始界面的不規(guī)則熔合線，由于沉積過程采用人工手持沉積槍操作，不可避免地在一些微小區(qū)域發(fā)生脈沖放電能量不均勻的情況，導(dǎo)致基體表面熔化程度不同，因此熔合線并非理想的直線。熔合線靠近基體一側(cè)出現(xiàn)密集而又細(xì)小的白色晶體組織，由于基體中的鐵素體受到電火花微弧放電瞬間產(chǎn)生高溫的影響，發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，故而使得此處的組織被細(xì)化而形成了細(xì)小的晶體組織，該組織可以起到改善基體硬度和強(qiáng)度的作用。從圖4b還可以看出，基體部分也出現(xiàn)了少量的微孔(區(qū)域C)，C處的微孔形成原因不同于修復(fù)層A處，電火花沉積在冷卻凝固階段的冷卻速率約為105K/s，由于快速冷卻，在沉積過程中會(huì)有少量的元素偏析，使已凝固部分的晶界前沿生長(zhǎng)受到阻礙，導(dǎo)致基體產(chǎn)生微小孔洞。

2.3結(jié)合界面主要元素分布

圖5所示為電火花沉積層界面結(jié)合處主要元素的線掃描能譜結(jié)果，掃描長(zhǎng)度為41μm，可以看出Fe、Ni、Co三種主要元素相互擴(kuò)散明顯，元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈梯度變化的趨勢(shì)，主要元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的梯度分布表明修復(fù)層與基體的結(jié)合方式為冶金結(jié)合。元素Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由修復(fù)層到基體逐漸增大，說明Fe主要是由基體向修復(fù)層擴(kuò)散，而在修復(fù)層中Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也很高，可能是由于沉積過程中產(chǎn)生的高溫使沉積點(diǎn)處的基體處于熔融狀態(tài)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)電極與基體接觸時(shí)，部分液態(tài)基體金屬附著凝固在電極表面形成一層包裹層，一方面阻礙了電極元素向基體擴(kuò)散，另一方面也使得元素Fe隨著電極材料沉積到修復(fù)層中，導(dǎo)致Fe元素在修復(fù)層中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。元素Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由修復(fù)層到基體逐漸減小，說明Ni主要是由修復(fù)層向基體方向擴(kuò)散，在深入基體一定距離時(shí)，Ni元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小到2%左右，雖然這些元素在基體與修復(fù)層都有分布，但分布區(qū)域很小，這是由于沉積時(shí)基體與修復(fù)層材料熔合區(qū)域的溫度雖然很高，但大部分熱量是通過基體釋放，冷卻凝固的速度極快，導(dǎo)致元素?cái)U(kuò)散不夠充分。Co元素分布的變化不明顯，由于沉積過程中作為溶質(zhì)的Co金屬半徑(0.125nm)與溶劑Fe金屬半徑(0.126nm)接近，兩者易于形成置換固溶體，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，因此在基體與修復(fù)層中都分布著一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Co元素。元素Fe和Ni的線掃描曲線在熔合線靠近修復(fù)層一側(cè)出現(xiàn)了一段狹小的緩沖平臺(tái)區(qū)域，由此表明在界面結(jié)合處必然存在一個(gè)修復(fù)層與基體熔合的過渡區(qū)，過渡區(qū)域的存在證明沉積過程中基體元素與修復(fù)層元素之間確實(shí)發(fā)生了相互擴(kuò)散的現(xiàn)象。結(jié)合元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線與電火花沉積的特點(diǎn)分析，過渡區(qū)域的形成可能與修復(fù)層被基體元素稀釋和熔融合金快速凝固有關(guān)。

圖5　結(jié)合界面元素線掃描結(jié)果

2.4修復(fù)層界面的物相分析

對(duì)Ni201修復(fù)層與基體的結(jié)合界面進(jìn)行X射線衍射分析，結(jié)果如圖6所示。分析圖中物相衍射峰可知，修復(fù)層界面結(jié)合處主要由Fe19Ni和Co3Fe7以及少量C0.055Fe1.945和Fe0.9Si0.1等相組成。C0.055Fe1.945相的產(chǎn)生可以證明在修復(fù)層界面處有馬氏體相的存在。修復(fù)層中含有的過渡族元素Fe與Si形成的硬質(zhì)相Fe0.9Si0.1可以提高修復(fù)層的硬度。在電火花沉積過程中，作為電極材料的Ni201與基體Q235鋼表面接觸瞬間會(huì)產(chǎn)生5000～25 000K的高溫，電極與基體在高溫的作用下熔化，此時(shí)在結(jié)合界面處的基體一側(cè)會(huì)有大量的Fe元素隨著熔化的過程擴(kuò)散到熔融的電極材料中，在凝固階段，基體與修復(fù)層結(jié)合界面處形成了大量的Fe19Ni、Co3Fe7與少量的Fe0.9Si0.1，可以幫助改善基體Q235鋼的耐腐蝕性能。經(jīng)分析，上述新相的存在證明電極材料中的元素與基體元素發(fā)生了冶金化學(xué)反應(yīng)。這個(gè)過程中可能發(fā)生的主要反應(yīng)方程式如下：

Ni+19Fe→Fe19Ni

3Co+7Fe→Co3Fe7

圖6　修復(fù)層結(jié)合界面XRD衍射圖

可見，沉積到Q235基體上的Ni201修復(fù)層，兩者不僅微觀組織發(fā)生了變化，而且也發(fā)生反應(yīng)形成了新的產(chǎn)物，說明Ni201修復(fù)層不是在Q235基體表面簡(jiǎn)單的機(jī)械堆積，由此也證明Ni201修復(fù)層與基體Q235鋼的主要結(jié)合方式為冶金結(jié)合。

3結(jié)論

(1)電火花沉積Ni201改性修復(fù)層，弧比取值35%時(shí)，修復(fù)層與基體結(jié)合緊密，修復(fù)層界面熔合線處實(shí)現(xiàn)光滑過渡，無明顯修復(fù)缺陷；而弧比取值45%時(shí)，結(jié)合界面處出現(xiàn)明顯沉積裂紋?；”热?0%時(shí)，修復(fù)層界面狀況與弧比取值35%時(shí)相似，修復(fù)層組織均勻致密，修復(fù)層組織為柱狀晶形態(tài)。

(2)修復(fù)層與基體結(jié)合處發(fā)生了以元素Fe和Ni為主的相互擴(kuò)散現(xiàn)象，表明電火花沉積是一個(gè)合金熔合的過程。

(3)Fe19Ni、Co3Fe7及少量C0.055Fe1.945和硬質(zhì)相Fe0.9Si0.1等新相的產(chǎn)生，說明Ni201修復(fù)層與Q235基體中的元素發(fā)生了冶金反應(yīng)，修復(fù)層為冶金結(jié)合層。

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(編輯蘇衛(wèi)國(guó))

Effects of Different Arc Rates on Interface Behavior of Ni201 Repaired Layers by Electro-spark Deposition

Zhao YuncaiLiu ZongyangYang Leilei

Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou, Jiangxi, 341000

Abstract:The key factor affected on the quality of the repaired layers was determined by the processing parameter selection of remanufacturing equipment. Ni201 repaired layers on Q235 steel surface were prepared by electro-spark deposition technology, the effects of different arc rates on the quality repaired layers were analyzed. The microstructure, chemical elements distribution and phase composition of the bonding interface between repaired layer and substrate were investigated by means of scanning electron microscopy and energy dispersive spectrometer, and X-ray diffraction. The results show that the value of arc rate is between 35%～45%, the microstructure of the repaired layers is uniform and dense, the interdiffusion of elements demonstrates that the repaired layer is bonded metallurgically with the base, the main phase of the layer is composed of Fe19Ni， Co3Fe7， Fe0.9Si0.1 and C0.055Fe1.945 .

Key words:electro-spark deposition; arc rate; Q235 steel; interface behavior

收稿日期：2015-07-16

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50965008)；江西省教育廳科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(GJJ14424)

中圖分類號(hào)：TG174.44

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.10.020

作者簡(jiǎn)介：趙運(yùn)才，男，1964年生。江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授、碩士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)楸砻婀こ?、再制造工程、摩擦磨損與抗磨技術(shù)。發(fā)表論文40余篇。劉宗陽，男，1987年生。江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。楊雷雷，男，1989年生。江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。