關(guān) 錳，賈永鋒，張春華，張 松，譚俊哲（.沈陽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽0870；.沈陽鼓風(fēng)機集團(tuán)核電泵業(yè)有限公司，沈陽 0869）

高能脈沖冷焊Fe基合金改性層的組織及性能*

關(guān) 錳1，2，賈永鋒1，張春華1，張 松1，譚俊哲2
（1.沈陽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110870；2.沈陽鼓風(fēng)機集團(tuán)核電泵業(yè)有限公司，沈陽 110869）

為了進(jìn)一步提高核泵用鋼的耐磨性能及抗空蝕性能，采用高能脈沖冷焊技術(shù)在304不銹鋼表面制備了 Fe基合金改性層.利用掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀分別對改性層的顯微組織和相結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，利用顯微硬度計、摩擦磨損試驗機及超聲波振蕩空蝕儀分別對改性層的顯微硬度、耐磨性與抗空蝕性能進(jìn)行了研究.結(jié)果表明，改性層組織細(xì)密，且主要由基體相α-Fe和硬質(zhì)碳化物相Cr23C6和Cr7C3組成，改性層的最高顯微硬度可達(dá) 510 HV，相對耐磨性為3.88.空蝕5 h后，改性層的失重量和表面粗糙度分別約為304不銹鋼基材的1／5和1／6.

304不銹鋼；高能脈沖冷焊；Fe基合金改性層；顯微硬度；磨損；空蝕；硬質(zhì)相；粗糙度

腐蝕和磨損是導(dǎo)致主要核泵零部件早期失效的主要原因，腐蝕和磨損會降低零部件的使用壽命，從而影響企業(yè)的生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效率.傳統(tǒng)的表面保護(hù)材料和工藝難以滿足核泵零部件耐空蝕和耐磨損的要求.為了提高核泵零部件表面的耐蝕性和抗磨損能力，利用表面改性技術(shù)對核泵用不銹鋼零部件的局部表面進(jìn)行表面性能改善.

304不銹鋼為核泵用奧氏體鋼，具有良好的綜合性能，且成本相對較低.然而，在實際工程環(huán)境中304不銹鋼部件具有較低的抗空蝕性能，使得核泵零部件容易出現(xiàn)早期失效現(xiàn)象.若直接替換失效零部件將會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失，且對于長期工作的核泵而言，也沒有足夠的時間來更換破損的零部件，而高能脈沖冷焊可以現(xiàn)場修復(fù)核泵零部件.

常見的表面改性技術(shù)常存在熱影響區(qū)較大，金屬基體易損傷與難以現(xiàn)場修復(fù)的問題［1－6］.高能脈沖冷焊技術(shù)是一種修復(fù)效果好、工藝設(shè)備簡單、能量利用率高、熱影響區(qū)較小且運行成本較低的工藝方法［7］.國內(nèi)學(xué)者依其優(yōu)良的特性，選用不同的改性材料和基材研究了相應(yīng)改性層的性能.徐慶鐘［8］等研究了冷焊工藝參數(shù)對HT250表面修復(fù)層性能的影響，得出基體和修復(fù)層結(jié)合良好的結(jié)論.張松［9］等通過高能脈沖冷焊在不銹鋼表面制備了鎳基合金涂層后發(fā)現(xiàn)，改性層的平均顯微硬度達(dá)到了540 HV，為基材304不銹鋼顯微硬度的3倍，且改性層的耐磨性提高了4.4倍.本文采用價格低廉的3Cr13不銹鋼絲材，將其熔覆于304不銹鋼表面，進(jìn)而研究了改性層的顯微組織、耐磨性與抗空蝕性能.

1 材料及方法

1.1 實驗材料

實驗所用基體材料為304不銹鋼，其尺寸為100mm×20mm×15mm.利用320＃砂紙將試樣表面打磨光滑后，利用丙酮溶液清洗去除試樣油污.熔覆材料選用3Cr13焊絲，焊絲直徑為1.6 mm.實驗所用304不銹鋼及3Cr13焊絲的化學(xué)成分如表1所示.

表1 304不銹鋼與3Cr13焊絲的化學(xué)成分（w）Tab.1 Chem ical compositions of 304 stainless steel and 3Cr13 welding w ire（w） %

1.2 改性層的制備

采用YJHB-2型高能精密焊補機將3Cr13焊絲熔覆于304不銹鋼表面.實驗前需要對熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而得到最佳工藝參數(shù).在熔覆過程中脈沖電流為45 A，脈沖時間為50ms，保護(hù)氣體氬氣流量為5 L／min.

1.3 檢測方法

利用線切割機床沿焊道橫向切取尺寸為10mm×10mm×5mm的試樣.依次經(jīng)過鑲嵌、研磨、拋光后，選用由FeCl3（5 g）、HCl（50 m L）與H2O（100m L）配制的腐蝕液對試樣進(jìn)行金相腐蝕.采用S-3400N型掃描電子顯微鏡觀察改性層的微觀組織形貌.采用日本島津 XRD-7000型 X射線衍射儀對改性層的表面相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.采用HVS-1000型維氏顯微硬度計測量改性層截面的顯微硬度分布，且在實驗過程中加載時間為15 s.

采用MMU-5G型材料端面摩擦磨損試驗機對改性層進(jìn)行摩擦磨損性能測試.對摩形式為銷-盤磨損，上摩擦副是尺寸為φ4mm×15mm的銷棒樣品（端部為改性層），下摩擦副對磨盤選用尺寸為φ43mm×3mm的耐磨Fe基合金（硬度不低于60HRC）.利用1000＃砂紙對上下摩擦副表面進(jìn)行打磨.在摩擦磨損實驗中法向載荷為150 N，對磨盤轉(zhuǎn)速為150 r／m in，磨損時間為20 m in.采用精度為±10－4g的電子天平對試樣磨損前后的質(zhì)量進(jìn)行稱量，并計算磨損失重量和相對耐磨性.其中，相對耐磨性的計算公式為

式中，ε標(biāo)準(zhǔn)樣品和ε實驗樣品分別為標(biāo)準(zhǔn)樣品和實驗樣品的磨損失重量.ε值越大，耐磨性越好，反之亦然.完成摩擦磨損實驗后，利用掃描電子顯微鏡觀察試樣的表面組織形貌.

采用超聲波振蕩空蝕儀對試樣進(jìn)行空蝕實驗.在空蝕實驗中振動頻率為20 kHz，振幅為60μm，工作功率為500W，實驗介質(zhì)為NaCl溶液.利用循環(huán)冷卻設(shè)備使實驗溫度控制在（20±1）℃范圍內(nèi).在空蝕實驗中工具頭選用直徑為13 mm的316不銹鋼，試樣距工具頭端面距離為1 mm，工具頭浸入介質(zhì)深度為2mm.空蝕前后需要對304不銹鋼和Fe基合金改性層試樣表面進(jìn)行打磨、拋光、超聲波清洗、干燥與稱重，從而比較空蝕前后試樣的失重量.采用M icro XAM-3D白光干涉輪廓測量儀測量Fe基合金改性層空蝕試樣的表面粗糙度，并利用掃描電子顯微鏡對不同時間條件下空蝕試樣的表面形貌進(jìn)行觀察.

2 結(jié)果與分析

2.1 改性層的顯微組織及 XRD分析

圖1為Fe基合金改性層的顯微組織.可見，改性層與界面組織呈現(xiàn)出明顯的方向性.改性層組織均勻致密，無微觀或宏觀裂紋、夾雜等缺陷（見圖1a）.改性層和基體之間形成了良好的冶金結(jié)合，且熱影響區(qū)較?。ㄒ妶D1b）.

圖1 改性層的顯微組織Fig.1 Micro structures of modified layer

圖2為Fe基合金改性層的XRD圖譜.由圖2可見，改性層的相組成主要為α-Fe相與Cr23C6、Cr7C3硬質(zhì)碳化物相.由高能脈沖冷焊設(shè)備制備的改性層為過飽和α-Fe固溶體，在多數(shù)區(qū)域Cr7C3相以共晶組織形式均勻分布于α-Fe基體相之間.

圖2 改性層的XRD圖譜Fig.2 XRD spectrum of modified layer

2.2 改性層的摩擦磨損性能

圖3為Fe基合金改性層的顯微硬度分布曲線.總體而言，改性層的顯微硬度隨著改性層深度的增加呈現(xiàn)出階梯狀的先略有升高，而后逐漸降低的變化趨勢.這主要是由改性層截面在不同區(qū)域的冷卻速度、組織成分與晶體結(jié)構(gòu)均略有不同的特點造成的.

圖3 改性層的顯微硬度分布Fig.3 Microhardness distribution of modified layer

在距表面300μm附近，改性層的顯微硬度值達(dá)到了最大值510 HV，而此處為改性層的近中部區(qū)域，可以從兩方面分析改性層中部顯微硬度較高的原因：一是從形貌上來看，改性層中部組織形貌為定向排列較規(guī)則的樹枝晶形貌；二是從材料強化理論來看，存在于改性層枝晶間的少量Cr23C6、Cr7C3硬質(zhì)相可以產(chǎn)生強化作用，改性層中存在的過飽和Cr原子的擴(kuò)散引起了固溶強化，高能脈沖冷焊快速加熱及冷卻凝固過程產(chǎn)生了細(xì)晶強化.在距表面 700μm處即改性層界面附近，由于基體中出現(xiàn)了粗大的外延生長胞狀晶，因而降低了此處改性層的硬度.

表2為304不銹鋼基材與Fe基合金改性層磨損失重量及相對耐磨性.由表2可見，F(xiàn)e基合金改性層可以顯著提高基材的耐磨性能.

表2 304不銹鋼與改性層的磨損失重量及相對耐磨性Tab.2 W ear weight loss and relative wear resistance of 304 stainless steel and modified layer

圖4為304不銹鋼基材與Fe基合金改性層的表面磨損形貌.由圖4a可見，在摩擦磨損過程中304不銹鋼表面嚴(yán)重磨損，出現(xiàn)了明顯的犁溝.此外，304不銹鋼的磨損表面還出現(xiàn)大量的片狀脫落和嚴(yán)重的塑性變形.由圖4b可見，F(xiàn)e基合金改性層的磨痕形貌呈現(xiàn)出由磨粒犁削形成的較淺的同方向犁溝，且表面磨痕較輕未出現(xiàn)明顯的表面剝落現(xiàn)象.

Fe基合金改性層耐磨性的提高一方面與改性層硬度有關(guān)，一般硬度越高，磨損量越小，耐磨性能越好；另一方面又受到改性層組織結(jié)構(gòu)的影響.在改性層中存在一定數(shù)量的Cr23C6、Cr7C3硬質(zhì)碳化物相，這些硬質(zhì)相在磨損過程中起到了抗磨骨架作用.由高能脈沖冷焊設(shè)備制備的Fe基合金改性層組織呈現(xiàn)出細(xì)小的樹枝晶形態(tài)，這種形態(tài)的組織有利于提高改性層的強度和韌性，從而使得改性層在磨損過程中不易產(chǎn)生裂紋和顯微剝落現(xiàn)象，尤其能夠避免發(fā)生整體剝落現(xiàn)象.此外，快速熔凝改性層中的Cr元素可以融入α-Fe固溶體中，對改性層基體產(chǎn)生了固溶強化，從而有利于提高改性層的強度［10－12］.

圖4 304不銹鋼與改性層的表面磨損形貌Fig.4 W ear morphologies on surfaces of 304 stainless steel and modified layer

2.3 改性層的抗空蝕性能

圖5為304不銹鋼基材與Fe基合金改性層的空蝕累積失重量隨時間的變化曲線.分析表明304不銹鋼的空蝕為典型的孕育期（0～2 h）、加速期（2～3 h）和穩(wěn)定期過程，而Fe基合金改性層的空蝕為孕育期（0～1 h）、加速期（1～2 h）和穩(wěn)定期過程.相比之下，F(xiàn)e基合金改性層的抗空蝕性能明顯優(yōu)于304不銹鋼基材.雖然改性層的孕育期有所減少，但可以很快進(jìn)入穩(wěn)定期，而穩(wěn)定期持續(xù)時間越長對材料的使用壽命越有利.經(jīng)計算可知當(dāng)空蝕5 h時，F(xiàn)e基合金改性層的累積失重量約為304不銹鋼基材的1／5.

圖6為304不銹鋼基材與Fe基合金改性層經(jīng)過不同時間空蝕后的表面形貌.當(dāng)空蝕1 h時，304不銹鋼開始發(fā)生塑性變形，組織中出現(xiàn)了三角形結(jié)構(gòu)，并伴有一些細(xì)小的針孔，試樣表面呈灰色（見圖6a）.當(dāng)空蝕進(jìn)行到5 h時，304不銹鋼表面出現(xiàn)了明顯的塑性變形，空蝕坑相互連接，試樣表面呈大面積脫落，表面粗糙度顯著增大（見圖6b）. Fe基合金改性層的空蝕初期形貌變化與304不銹鋼相似.當(dāng)空蝕1 h后，因為材料吸收沖擊波和微射流的能量轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫兡?，而此時硬質(zhì)相Cr7C3與基體相α-Fe的形變量不同，因而Fe基合金改性層表面形成了小蝕孔，表面呈現(xiàn)輕微起伏現(xiàn)象（見圖6c）.當(dāng)空蝕進(jìn)行到5 h時，F(xiàn)e基合金改性層中小蝕孔數(shù)量增加，改性層的表面起伏現(xiàn)象更加明顯（見圖6d）.對比圖6可知，在相同時間條件下與基材相比Fe基合金改性層的空蝕程度明顯減輕.

圖5 空蝕累積失重量隨時間的變化曲線Fig.5 Change curve for cavitation erosion cumulative weight loss with time

在空蝕沖擊功的作用下，F(xiàn)e基合金改性層中的α-Fe相會發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生大量的位錯和孿晶.過飽和固溶體中Cr23C6、Cr7C3等硬質(zhì)相的存在阻礙了位錯的滑移和孿晶的畸變，使得位錯在晶界處塞積，在晶界附近形成了較高的應(yīng)力場.當(dāng)應(yīng)力超過了共晶組織中硬質(zhì)相所能承受的臨界應(yīng)力時，這些硬質(zhì)相將產(chǎn)生裂紋并按照一定的方向向內(nèi)部擴(kuò)展.當(dāng)幾條裂紋交匯或與底面貫通后，一些相對較弱的硬質(zhì)相隨之脫落，從而形成了空蝕 坑［13］.

圖7為空蝕5 h后304不銹鋼與Fe基合金改性層的表面三維形貌.由圖7可見，空蝕5 h后，F(xiàn)e基合金改性層的表面起伏明顯小于304不銹鋼基材.實驗發(fā)現(xiàn)，304不銹鋼基材表面的起伏深度變化范圍為－2～6μm，而Fe基合金改性層的深度變化范圍為－0.4～0.4μm，因而Fe基合金改性層能夠有效提高材料表面的抗空蝕能力.

相關(guān)分析測試表明，304不銹鋼的表面粗糙度為713 nm，而Fe基合金改性層的表面粗糙度為118 nm.可見，F(xiàn)e基合金改性層的表面粗糙度約為基體的1／6.結(jié)合不同空蝕時間下 304不銹鋼與Fe基合金改性層的表面形貌和三維形貌可知，高能脈沖冷焊設(shè)備制備的Fe基合金改性層可顯著提高304不銹鋼基材的抗空蝕能力.

圖6 304不銹鋼與改性層空蝕后的表面形貌Fig.6 Surface morphologies of 304 stainless steel and modified layer after cavitation erosion

圖7 304不銹鋼與改性層的表面三維形貌Fig.7 3D surface morphologies of 304 stainless steel and modified layer

3 結(jié) 論

通過對由高能脈沖冷焊設(shè)備制備的Fe基合金改性層的顯微組織、硬度、摩擦磨損及抗空蝕性能進(jìn)行對比分析，可以得出以下結(jié)論：

1）Fe基合金改性層組織均勻、致密，無夾雜、氣孔、裂紋等缺陷，與基體形成了良好的冶金結(jié)合；改性層主要由基體相 α-Fe和硬質(zhì)碳化物相Cr23C6、Cr7C3組成.

2）Fe基合金改性層的最高顯微硬度可達(dá)510 HV，可以顯著提高 304不銹鋼基材的耐磨性，改性層的相對耐磨性為3.88.

3）Fe基合金改性層的抗空蝕性能顯著提高，空蝕 5 h后的累積失重量及表面粗糙度分別為304不銹鋼基材的1／5和1／6.

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（責(zé)任編輯：尹淑英 英文審校：尹淑英）

Microstructure and properties of Fe-based alloy modified layer prepared w ith high-energy pulse cold welding

GUAN Meng1，2，JIA Yong-feng1，ZHANG Chun-hua1，ZHANG Song1，TAN Jun-zhe2
（1.School of Materials Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China；2.Nuclear Power Pump Industry Co.Ltd.，Shenyang Blower Works Group Corporation，Shenyang 110869，China）

In order to further improve the wear and cavitation erosion resistance of nuclear pump steel，the Fe-based alloy modified layer was prepared on the surface of 304 stainless steel with the high-energy pulse cold welding technique.Them icrostructure and phase constituents of the modified layer were analyzed w ith scanning electron microscope（SEM）and X ray diffractiometer（XRD），respectively.In addition，the microhardness，wear and cavitation erosion resistance were investigated with microhardness tester，friction-wear tester and ultrasonic oscillation cavitation erosion tester.The results show that the modified layer exhibits the dense m icrostructure，and is mainly composed of matrix phaseα-Fe and hard carbide phases Cr23C6and Cr7C3.The highest microhardness of the modified layer can reach 510 HV，and the relative wear resistance is 3.88.Furthermore，the mass loss and surface roughness of the modified layer after the cavitation erosion test for 5 h are 1／5 and 1／6 as those of 304 stainless steel.

304 stainless steel；high-energy pulse cold welding；Fe-based alloy modified layer；microhardness；wear；cavitation erosion；hard phase；roughness

TG 456.4

A

1000－1646（2016）06－0628－06

10.7688／j.issn.1000－1646.2016.06.06

2016－05－09.

國家自然科學(xué)基金資助項目（51271126）；國家科技專項基金資助項目（2013ZX06002－002）；沈陽市科技局計劃項目（F16－032－0－00）.

關(guān) 錳（1975－），男，遼寧沈陽人，高級工程師，主要從事核電材料工藝及設(shè)備等方面的研究.

11－07 12∶30在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.

http：∥www.cnki.net／kcms／detail／21.1189.T. 20161107.1230.008.htm l