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        水導(dǎo)軸承等離子堆焊Ni60合金組織及其耐腐蝕性能

        2018-05-16 09:37:07大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院遼寧大連116024沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司研究院沈陽(yáng)110869遼寧省凝固控制與數(shù)字化制備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室遼寧大連116024
        材料工程 2018年5期
        關(guān)鍵詞:硼化物中間層共晶

        (1 大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 大連 116024; 2 沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司研究院,沈陽(yáng) 110869; 3 遼寧省凝固控制與數(shù)字化制備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116024)

        等離子堆焊(亦稱等離子噴焊,國(guó)外稱為PTA工藝),因其高效的熱壓縮、機(jī)械壓縮和磁壓縮,成為一種良好合金粉末表面熔敷(堆焊)的工藝方法。具有如下優(yōu)點(diǎn):堆焊層硬度均勻,組織均一,減少質(zhì)量缺陷;母材稀釋率低,變形小;過(guò)程連續(xù),易于自動(dòng)化等[1-4]。

        自熔合金以其優(yōu)秀的耐磨性能和耐蝕性能廣泛應(yīng)用于機(jī)械、石化等領(lǐng)域[5]。傳統(tǒng)的核電設(shè)備表面強(qiáng)化使用鈷基合金,但在服役過(guò)程中無(wú)放射性的Co-59經(jīng)輻射會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛蟹派湫缘耐凰谻o-58和Co-60,對(duì)檢修人員的安全將造成威脅。所以無(wú)鈷的鎳基堆焊合金作為強(qiáng)化材料,越來(lái)越受到人們的關(guān)注[6]。

        關(guān)于鎳基自熔粉末的研究可追溯至20世紀(jì)50年代[5-6]。然而直到最近20年才開(kāi)展等離子堆焊鎳基自熔粉末的研究,并在 NiCrBSi系堆焊層的組織方面取得豐碩的成果。Sudha等[7]認(rèn)為堆焊層以γ-Ni為基體,Cr7C3,Cr3C2,Cr2B以及γ-Ni和Cr2B共晶為析出強(qiáng)化相;Liyanage等[8]認(rèn)為,NiCrBSi堆焊層以γ-Ni樹枝晶為基體,晶間為Ni+Ni3B和Ni+Ni3Si共晶組織以及Cr基顆粒(CrB, Cr3C2和Cr7C3);Friesel等[9]認(rèn)為NiCrBSi氧氣-乙炔噴涂層由Ni基固溶體,(Cr,F(xiàn)e,Ni)固溶體,Ni3B,Ni5Si2,θ-Ni2Si,ζ-CrB,CrB2, Cr3C2, Cr7C3構(gòu)成;Xu等[2]認(rèn)為等離子堆焊NiCrBSi后,堆焊層組織由富鎳的γ固溶體(γ-Ni)和硼化物,碳化物組成,例如CrB, Cr7C3。前期研究表明[10-11],NiCrBSi堆焊層組織具有區(qū)域復(fù)雜性,在堆焊層的橫截面從組織和結(jié)構(gòu)上可明顯分為3個(gè)區(qū)域:熔合區(qū)、近表層區(qū)域和兩個(gè)區(qū)域之間的過(guò)渡區(qū)域,然而各區(qū)域的組織特征還沒(méi)有得到清晰的認(rèn)識(shí)。

        Ni60是典型的NiCrBSi系硬質(zhì)合金,本工作以Ni60硬質(zhì)合金粉末應(yīng)用于噴淋泵水導(dǎo)軸承為背景,水導(dǎo)軸承不僅需要具備一定的耐磨性,還需要一定的耐腐蝕能力。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于Ni60等離子堆焊的腐蝕性能研究的報(bào)道比較少,本工作在Z2CN18-10不銹鋼基體上等離子堆焊Ni60硬質(zhì)合金,研究Ni60硬質(zhì)合金不同橫截面區(qū)域的組織特征及在不同溶液中的耐蝕性,為NiCrBSi系合金水導(dǎo)軸承表面改性的應(yīng)用提供理論參考依據(jù)。

        1 實(shí)驗(yàn)

        堆焊基體為200mm×35mm×20mm的Z2CN18-10奧氏體不銹鋼鋼板試樣。堆焊前為了減小內(nèi)部應(yīng)力,降低冷卻速度,不銹鋼基體在300℃下保溫2h,以避免堆焊后產(chǎn)生裂紋[12]。以Ni-Cr-B-Si系鎳基自熔性合金粉末Ni60作為堆焊材料,化學(xué)成分見(jiàn)表1,焊接參數(shù)見(jiàn)表2。

        表1 Ni60合金粉末的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Composition of Ni60 alloy powder (mass fraction/%)

        表2 堆焊工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters used in PTA welding process

        利用X射線衍射儀(XRD-6000)對(duì)Ni60合金粉末進(jìn)行物相分析;采用掃描電鏡(EVO-18)對(duì)堆焊合金層顯微組織進(jìn)行觀察分析;采用電子探針(EPMA-1600)對(duì)堆焊合金層進(jìn)行化學(xué)成分分析;利用維氏硬度計(jì)(MVC-1000B)測(cè)量堆焊層剖面硬度梯度,載荷為3N,加載時(shí)間為15s。極化曲線通過(guò)CS350電化學(xué)工作站測(cè)量,采用三電極體系,工作電極分別為Z2CN18-10,Ni60頂層、Ni60中間層和Ni60底層,參比電極選用Ag/AgCl電極,輔助電極為鉑網(wǎng)。掃描速率為0.5mV/s,掃描電位范圍為-0.5~1.2mV。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 堆焊層顯微組織

        圖1為奧氏體不銹鋼堆焊NiCrBSi后堆焊層的X射線衍射物相分析結(jié)果。可以看出:堆焊層主要由γ-Ni,CrB,Cr2B和Cr7C3組成。由此可知組織中至少含有兩種硼化物,而含有硼化物的堆焊層比碳鋼的耐磨性要高出4個(gè)數(shù)量級(jí)[7],這也是NiCrBSi堆焊層具有較好耐磨性的一個(gè)原因。

        圖1 堆焊層X(jué)RD分析Fig.1 XRD pattern of Ni60 coating

        圖2為奧氏體不銹鋼堆焊Ni60后堆焊層的掃描電鏡觀察圖。堆焊層組織大體可以分為3個(gè)不同區(qū)域:頂層(圖2(a)),中間層(圖2(b))及底層(圖2(c))。對(duì)比頂層、中層、底層3個(gè)位置的背散射電子圖,不同位置組成相的形貌差別不大,除了基體,都有菊花狀、條狀和塊狀組織,但不同位置的各相體積分?jǐn)?shù)不同,中間層菊花狀組織較多。下面將通過(guò)EPMA對(duì)其組織相進(jìn)行進(jìn)一步分析。

        圖3是對(duì)奧氏體不銹鋼堆焊Ni60后堆焊層EPMA測(cè)試結(jié)果。從圖3(b)背散射相圖標(biāo)識(shí)出A,B,C,D4個(gè)典型區(qū)域。結(jié)合元素分布圖可知,A為基體,其主要含有Ni,Si和Fe元素,結(jié)合XRD的分析結(jié)果可知基體主要為γ-Ni;菊花狀B和塊狀D主要含有Cr和B元素,為硼化物;塊狀C主要含有C和Cr元素,為碳化物。將菊花狀組織局部放大,如圖4所示,菊花狀組織主要含B和Cr,菊花狀間隙組織主要含Ni,Si和Fe,故此處為硼化物和γ-Ni形成的共晶組織[2,7]。經(jīng)分析可知:Ni60堆焊合金層主要包括的γ-Ni基體(A)以及分布在基體之間的碳化物(C)、硼化物(D)以及γ-Ni和硼化物的共晶(B)。

        圖2 堆焊層背散射電子形貌圖 (a)頂層;(b)中間層;(c)底層Fig.2 BEI morphologies of Ni60 coating (a)top layer;(b)middle layer;(c)bottom layer

        圖3 Ni60等離子堆焊涂層典型組織EPMA分析 (a)SEI;(b)BEI;(c)Ni;(d)Fe;(e)C;(f)B;(g)Cr;(h)SiFig.3 EPMA maps of typical microstructures of PTAW Ni60 alloy coatings (a)SEI;(b)BEI;(c)Ni;(d)Fe;(e)C;(f)B;(g)Cr;(h)Si

        2.2 堆焊層硬度

        圖5為堆焊Ni60截面硬度曲線,橫坐標(biāo)0點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是熔合線處的硬度,向基材一側(cè)為負(fù)方向,向堆焊層一側(cè)為正方向??梢?jiàn)Z2CN18-10不銹鋼基體的硬度約為180HV,在熔合線處出現(xiàn)了明顯的硬度過(guò)渡區(qū),硬度從180HV左右上升到500HV左右,距熔合線1mm后硬度穩(wěn)定,平均硬度約為500HV,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基體硬度。

        NiCrBSi系合金堆焊層強(qiáng)化方式有固溶強(qiáng)化和析出物強(qiáng)化。Ni是面心立方晶體結(jié)構(gòu),Ni,Cr,Si,F(xiàn)e,C的原子半徑為0.077~0.125nm,C,Cr,Si在鎳基固溶體溶解的量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0.3%,5%~8%,6.5%~7.9%;γ-Ni的硬度為280~365HV,碳化物的硬度為1080~1450HV,硼化物的硬度為1500~2400HV[13]。結(jié)合圖2可知,Ni60等離子堆焊層的強(qiáng)化方式主要是硬質(zhì)相強(qiáng)化,硬質(zhì)相的形態(tài)和體積比與堆焊層的硬度相關(guān)。中間層菊花狀的硼化物和γ-Ni共晶組織多,該區(qū)域硬度值最高,而底層和頂層因菊花狀組織較少,其硬度較低。因此,大塊狀的硼化物和碳化物只能提高局部硬度,不利于堆焊層整體硬度的提高,而菊花狀的硼化物和γ-Ni共晶組織可以提高大塊體積的硬度,可以顯著提高堆焊層的硬度。

        圖4 堆焊合金層菊花狀組織EPMA分析 (a)SEI;(b)BEI;(c)Ni;(d)Fe;(e)C;(f)B;(g)Cr;(h)SiFig.4 EPMA maps of the chrysanthemum-like microstructures (a)SEI;(b)BEI;(c)Ni;(d)Fe;(e)C;(f)B;(g)Cr;(h)Si

        圖5 堆焊合金層顯微硬度曲線Fig.5 Microhardness profile of the cross sectionof Ni60 coatings

        2.3 堆焊層耐腐蝕性

        圖6和圖7分別為Ni60和Z2CN18-10在硼酸溶液和海水溶液中的動(dòng)電位極化曲線,擬合的電化學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3??梢?jiàn)Ni60在硼酸中的鈍化能力明顯高于海水,Ni60和Z2CN18-10在硼酸中有明顯的鈍化區(qū),在海水中由于Cl-較多,只有Ni60中間層和底層有鈍化區(qū),Ni60頂層和Z2CN18-10無(wú)明顯鈍化區(qū)和擊穿電位。

        在硼酸腐蝕液中,Ni60堆焊層自腐蝕電位高低順序依次為Ni60頂層>Ni60中間層>Ni60底層,自腐蝕電位均在-0.26838~-0.23617之間,并與Z2CN18-10不銹鋼基體相差無(wú)幾,無(wú)電偶腐蝕傾向。從自腐蝕電流大小來(lái)看Ni60中間層最好。在海水溶液中,堆焊層中間層自腐蝕電位最高,自腐蝕電流密度最小,在海水中的耐蝕性最好,但堆焊層與Z2CN18-10不銹鋼的自腐蝕電位相差0.14V,容易出現(xiàn)電偶腐蝕。

        圖6 硼酸溶液中合金動(dòng)電位極化曲線Fig.6 Potentiodynamic polarization curves of alloys in the borate

        圖7 海水溶液中合金動(dòng)電位極化曲線Fig.7 Potentiodynamic polarization curves of alloys in the seawater

        ExperimentalconditionE0/VI0/(A·cm-2)Ib/(A·cm-2)Eb/VNi60middle(boricacidsolution)-0.257365.3106×10-79.9455×10-70.44109Ni60top(boricacidsolution)-0.236171.1400×10-61.6900×10-60.47012Ni60bottom(boricacidsolution)-0.268385.4810×10-71.0374×10-60.42680Z2CN18-10(boricacidsolution)-0.238591.2875×10-61.9250×10-60.93749Ni60middle(seawater)-0.263014.6422×10-71.1754×10-60.13102Ni60bottom(seawater)-0.298452.7754×10-71.6567×10-70.30291Ni60top(seawater)-0.269962.5313×10-6——Z2CN18-10(seawater)-0.123676.5223×10-6——

        圖8為經(jīng)0.5V恒電位掃描腐蝕后堆焊層的EMPA分析圖,未腐蝕的多含Cr,B和C,故為硼鉻化合物、碳鉻化合物,腐蝕掉的是γ-Ni??梢?jiàn)過(guò)鈍化區(qū)后,腐蝕的起始位置應(yīng)為菊花狀的共晶γ-Ni或者是γ-Ni基體。

        圖8 恒電位掃描腐蝕后堆焊合金層EPMA分析 (a)SEI;(b)BEI;(c)Ni;(d)Fe;(e)C;(f)B;(g)Cr;(h)SiFig.8 EPMA maps of microstructures of Ni60 coating after potentiostatic scanning corrosion(a)SEI;(b)BEI;(c)Ni;(d)Fe;(e)C;(f)B;(g)Cr;(h)Si

        3 結(jié)論

        (1)Ni60等離子堆焊層的主要組織為γ-Ni,碳化物,硼化物以及γ-Ni和硼化物的共晶。

        (2)NiCrBSi堆焊層強(qiáng)化方式有固溶強(qiáng)化和析出物強(qiáng)化,Ni60的強(qiáng)化方式主要是析出物強(qiáng)化,γ-Ni和硼化物的共晶可以顯著提高堆焊層硬度。

        (3)堆焊層中,中間層的硬度和腐蝕性能較頂層和底層好,故在有耐蝕性能要求的環(huán)境下使用時(shí),優(yōu)先選取Ni60的中間層作為耐磨耐腐蝕表面。

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