劉金湘，唐衛(wèi)崗，陳 融，羅壽根，黃世盛，羅良良

1.浙江省華光新型綠色釬焊材料重點企業(yè)研究院，浙江 杭州 311100

2.杭州華光焊接新材料股份有限公司，浙江 杭州 311100

0 前言

隨著航空航天、石油化工、電力工業(yè)的迅速發(fā)展，對耐高溫、高壓、抗強腐蝕零件的需求量越來越大。Stellite合金（鈷鉻鎢硬質(zhì)合金）以其優(yōu)異的高溫耐磨性和抗氧化性廣泛應(yīng)用于核泵、閥門、汽輪機等產(chǎn)品中。由于該合金以國內(nèi)稀有元素Co為主要原料，Co屬于戰(zhàn)略物資，需要大量進口，且價格不斷上漲，所以成本昂貴。另一方面，Co容易活化成Co60，它是一種穿透力很強的高毒性核輻射元素，半衰期長達5.27年。從20世紀80年代起，技術(shù)人員已經(jīng)開始研制用于高溫耐磨堆焊領(lǐng)域的代鈷材料［1-4］。如哈爾濱焊接研究院研制的以C、Cr、W、Si等元素強化的NDG-2#鎳基合金，曾用于上海閥門廠微啟式安全閥閥座堆焊；蘇州大學劉雙［5］等進行了核閥密封面無鈷鎳基合金涂層材料及熔覆工藝的研究；魏宏璞［6］等進行了核閥密封面無鈷鐵基合金及激光涂層性能的研究。國外幾種典型的認為性能優(yōu)異的傳統(tǒng)高溫耐磨材料的設(shè)計思路均是在高強韌金屬基體中加入彌散分布的硬質(zhì)增強相顆粒，增強相主要承擔磨損應(yīng)力，基體主要起聯(lián)結(jié)支撐增強相、協(xié)調(diào)變形和承受沖擊應(yīng)力的作用。如Stellite6合金由Co-Cr-W基體和13%富鉻M7C3硬質(zhì)相組成［7］，BKHA-2M合金是一種Ni3Al基合金，含有40%NiAl和2%MC硬質(zhì)相［8］。此外，經(jīng)典的金屬基復(fù)合材料設(shè)計原則還要求基體相和增強相之間具有良好的熱力學共容性（相互之間不發(fā)生劇烈的化學反應(yīng)）、物理性能共存性（相近的熱膨脹系數(shù)和比重）、潤濕性和強界面結(jié)合力［9］。

依據(jù)高溫耐磨材料和金屬基復(fù)合材料的設(shè)計原則，自主研發(fā)了一種新型的高溫耐磨Ni3Al堆焊材料，該堆焊材料相比傳統(tǒng)的司太立連鑄直條焊絲或者焊粉，可以做成連續(xù)盤狀藥芯焊絲，既可用于熔化極氣體保護電弧堆焊，也可用TIG進行堆焊。司太立粉末采用等離子方法進行堆焊時，實際利用率只有60%～80%，且焊接過程中還容易出現(xiàn)堵粉和送粉不均勻的問題。Ni3Al焊絲采用自動TIG堆焊研發(fā)，既能保證堆焊層性能滿足要求，還能提高材料利用率，提高自動化水平，徹底解決粉末堆焊過程中堵粉和送粉不均勻的問題。

實際產(chǎn)品在堆焊完成后均須對工件進行消除應(yīng)力熱處理，以避免在運行過程中因焊接殘余應(yīng)力積累導(dǎo)致堆焊層開裂、剝離或脫落，造成不可估量的后果。文中將Ni3Al堆焊層與司太立堆焊層經(jīng)不同熱處理制度后進行對比試驗，研究焊后熱處理制度對堆焊層組織及性能的影響。

1 試樣制備

1.1 堆焊層焊接

試驗用母材為304奧氏體不銹鋼，其化學成分和力學性能見表1、表2。Ni3Al焊絲直徑1.2 mm。采用手工鎢極氬弧焊（TIG）工藝，焊接設(shè)備為北京時代WSE-315型交直流脈沖氬弧焊機。Ni3Al焊絲熔敷金屬化學成分見表3，堆焊工藝參數(shù)見表4，共堆焊3層，堆焊層厚度約4 mm，堆焊面積約60 cm2，焊道外觀照片如圖1所示。由圖1可知，Ni3Al堆焊層焊道表面光滑、均勻、呈銀白色，焊縫成形良好。

表1 母材化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Table 1 Chemical composition of base metal（wt.%）

表2 母材力學性能Table 2 Mechanical properties of base metal

圖1 Ni3Al堆焊層焊道Fig.1 Ni3Al Surfacing layers

司太立合金粉末Stellite6規(guī)格100～250目，采用等離子堆焊工藝，焊接設(shè)備為上海肯納STARWELD 3型等離子粉末堆焊設(shè)備。焊粉熔敷金屬化學成分見表3，堆焊工藝參數(shù)見表4，共堆焊3層，堆焊層厚度約4 mm，堆焊面積約60 cm2，焊道外觀照片如圖2所示。由圖2可知，Stellite6等離子堆焊層焊道表面呈暗灰色，焊縫成形良好，焊道周邊存在少許焊粉飛濺。

表3 兩種焊材熔敷金屬化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Table 3 Chemical composition of two kinds of surfacing layers（wt.%）

表4 堆焊工藝參數(shù)Table 4 Surfacing parameters

圖2 Stellite6堆焊層焊道照片F(xiàn)ig.2 Stellite6 surfacing layers

1.2 堆焊層熱處理

堆焊完成后兩種材料均垂直于焊接方向取3件試樣，尺寸20 mm×10 mm×10 mm，在3種不同的熱處理狀態(tài)下進行金相及顯微硬度對比試驗。根據(jù)司太立耐磨堆焊產(chǎn)品熱處理特點，確定了650℃×4 h和870℃×4 h兩種熱處理制度，升降溫速度均滿足≤50℃/h要求，另1件為焊后狀態(tài)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 熱處理制度對堆焊層金相組織的影響

試樣熱處理后經(jīng)研磨及拋光，采用FeCl3+HCl腐蝕液擦拭腐蝕后，用Leica DM6M金相顯微鏡進行觀察。圖3為Ni3Al堆焊層焊態(tài)宏觀金相照片，能明顯看出試樣共堆焊了3層，其中第1層3道，第2層2道，第三層1道。堆焊層總厚度約4 mm，熔深約1 mm。

圖3 Ni3Al堆焊層宏觀金相Fig.3 Macrostructures of Ni3Al surfacing layers

圖4為Ni3Al堆焊層焊態(tài)試樣頂部區(qū)域金相組織，能明顯看出堆焊層平均晶粒尺寸約為10 μm，組織較為細密，晶界分布均勻。Ni3Al堆焊層金相組織由γ'-Ni3Al相+MC型及M23C6型碳化物組成。圖5為Ni3Al堆焊層經(jīng)650℃×4 h熱處理后試樣頂部區(qū)域金相組織，能明顯看出部分晶粒尺寸存在長大的趨勢，組織均勻性與焊態(tài)比稍有區(qū)別。圖6為Ni3Al堆焊層經(jīng)870℃×4 h熱處理后試樣頂部區(qū)域金相組織，能明顯看出組織中碳化物顆粒開始溶入基體，碳化物數(shù)量開始減少，部分晶粒尺寸變大。

圖4 Ni3Al堆焊層焊態(tài)金相組織Fig.4 Microstructures of Ni3Al surfacing layers as welded

圖5 Ni3Al堆焊層650℃熱處理后金相組織Fig.5 Microstructures of Ni3Al surfacing layers after 650℃heat treatment

圖6 Ni3Al堆焊層870℃熱處理后金相組織Fig.6 Microstructures of Ni3Al surfacing layers after 870℃heat treatment

圖7為Stellite6堆焊層焊態(tài)試樣頂部區(qū)域金相組織，能明顯看出其金相組織為柱狀晶形式，碳化物呈條狀析出，金相組織為奧氏體基體+WC析出物。圖8為Stellite6堆焊層經(jīng)650℃×4 h熱處理后試樣頂部區(qū)域金相照片，碳化物析出數(shù)量與焊態(tài)相比明顯增多，由條狀開始轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀，晶粒尺寸約為25 μm。圖9為Stellite6堆焊層經(jīng)870℃×4 h熱處理后試樣頂部區(qū)域金相組織照片，能明顯看出組織中碳化物析出數(shù)量更多，單條厚度更大。

圖7 Stellite6堆焊層焊態(tài)金相組織Fig.7 Microstructures of Stellite6 surfacing layers as welded

圖8 Stellite6堆焊層650℃熱處理后金相照片F(xiàn)ig.8 Microstructures of Stellite6 surfacing layers after 650℃heat treatment

圖9 Stellite6堆焊層870℃熱處理后500 X金相照片F(xiàn)ig.9 Microstructures of Stellite6 Surfacing layers after 870℃heat treatment

2.2 熱處理制度對堆焊層硬度的影響

對兩種材料3種不同熱處理制度的試樣進行硬度檢測。采用QATM Master 10+全自動顯微維氏硬度儀，沿堆焊層厚度方向在距離熔合線不同位置進行硬度檢測，間隔0.4 mm，載荷為2 kg。硬度檢測位置點照片如圖10所示。

圖10 堆焊層顯微硬度檢測位置Fig.10 Micro-hardness test position of surfacing layers

兩種材料堆焊層在焊態(tài)、650℃×4 h熱處理、870℃×4 h熱處理三種狀態(tài)下距離熔合線不同位置的硬度實測數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 堆焊層硬度數(shù)據(jù)對比Table 5 Micro-hardness test results comparison of surfacing layers

將表5中數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖11所示。由表5及圖11可以看出，Ni3Al堆焊層在距離熔合線不同位置的硬度值均高于Stelite6。距離熔合線越遠，堆焊層稀釋率逐步降低，硬度逐漸升高。其中Ni3Al在焊態(tài)的硬度要高于熱處理狀態(tài)，且隨著熱處理溫度升高，堆焊層硬度下降。因為經(jīng)過870℃熱處理后，Ni3Al晶界析出了Cr23C6的碳化物，造成晶界附近及晶粒內(nèi)部Cr3C2碳化物總數(shù)量變少，因此堆焊層的整體硬度下降。Stellite6堆焊層焊態(tài)的硬度要低于熱處理狀態(tài)，且隨著熱處理溫度逐步升高，堆焊層硬度逐步升高。因為Stellite6經(jīng)過870℃熱處理后，Cr3C2等碳化物的尺寸比原來更大，數(shù)量比原來更多，原來的網(wǎng)狀分布開始呈現(xiàn)分散趨勢，沉淀相析出更多，堆焊層硬度逐步升高，經(jīng)870℃×4 h熱處理后，Ni3Al堆焊層的硬度依然比Stellite6堆焊層高68 HV2。

圖11 堆焊層硬度分布曲線Fig.11 Micro-hardness distribution of Surfacing layers

2.3 試樣掃描電鏡分析

顯微硬度檢測完成后，采用Oxford牛津掃描電鏡對Ni3Al堆焊層的焊態(tài)試樣及經(jīng)870℃×4 h熱處理后的試樣進行對比分析。從圖12和圖13的對比照片能夠明顯看出，經(jīng)過870℃熱處理后，Ni3Al晶界附近上出現(xiàn)了局部Cr含量很高的點，但晶界大部分區(qū)域出現(xiàn)了明顯的Cr含量降低的現(xiàn)象。這是因為晶界析出了Cr23C6的碳化物，造成晶界附近及晶粒內(nèi)部Cr3C2碳化物總數(shù)量變少，因此堆焊層的整體硬度下降。熱處理前，枝晶形貌更加分散，沉淀強化相彌散分布在各個區(qū)域。熱處理后，枝晶邊界更加明顯，晶界與晶粒內(nèi)部出現(xiàn)明顯的成分擴散現(xiàn)象。

圖12 Ni3Al堆焊層焊態(tài)掃描電鏡照片F(xiàn)ig.12 SEM Photo of Ni3Al Surfacing layers as welded

圖13 Ni3Al堆焊層經(jīng)870℃熱處理后掃描電鏡照片F(xiàn)ig.13 SEM Photo of Ni3Al surfacing layers after 870℃heat treatment

將Stellite6堆焊層的焊態(tài)試樣及經(jīng)870℃×4 h熱處理后的試樣進行掃描電鏡對比分析，由圖14、圖15能夠明顯看出，經(jīng)過870℃熱處理后，Cr3C2等碳化物的尺寸比原來更大，數(shù)量比原來更多，原來的網(wǎng)狀分布開始呈現(xiàn)分散趨勢，沉淀相析出更多，堆焊層硬度逐步升高。

圖14 Stellite6堆焊層焊態(tài)掃描電鏡照片F(xiàn)ig.14 SEM Photo of Stellite6 Surfacing layers as welded

圖15 Stellite6堆焊層經(jīng)870℃熱處理后電鏡照片F(xiàn)ig.15 SEM Photo of Stellite6 Surfacing layers after 870℃heat treatment

3 結(jié)論

（1）在304奧氏體不銹鋼基材表面進行堆焊時，Ni3Al焊絲和Stellite6粉末均具有良好的焊接工藝性，焊縫成形美觀，波紋細密。

（2）相同熱處理制度下Ni3Al堆焊層在距離熔合線相同位置的硬度均高于Stellite6合金。隨著熱處理溫度由650℃提高到870℃，Ni3Al堆焊層的硬度呈下降趨勢，Stellite6堆焊層的硬度呈上升趨勢，且經(jīng)870℃×4 h熱處理后，Ni3Al堆焊層的硬度依然比Stellite 6堆焊層的硬度高68 HV2。

（3）不同熱處理制度對Ni3Al和Stellite6堆焊層耐磨性能和耐腐蝕性能的影響尚有待進一步試驗研究。