羅汝愷,盧 威,魏仕勇,萬珍珍,金 瑩

(1.南昌大學物理與材料學院,江西 南昌 330031;2.張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院機電系,湖南 張家界 427000;3.江西省科學院應(yīng)用物理研究所,江西 南昌 330096)

金屬基復合涂層具有優(yōu)異的耐磨性、耐腐蝕性及較高的硬度,在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注[1]。金屬基復合涂層通常在金屬基體中摻入加強相,通過熔覆、噴涂和電鍍等方法制備而成。鎳基合金本身具有較好的力學性能,在高溫環(huán)境下具有較高的強度,且鎳在相當大的成分范圍內(nèi)與其他金屬具有冶金相容性,并具有良好的耐磨性、耐蝕性、高溫抗氧化性和高性價比等特點[2],備受航天、核電和海洋等領(lǐng)域的青睞。

目前,Ni基復合涂層的制備方法主要有熔覆、噴涂、電鍍以及化學氣相沉積等技術(shù)。其中,較為廣泛的制備方法是激光熔覆與熱噴涂。但與兩者相比,等離子轉(zhuǎn)移弧技術(shù)(Plasma Transferred Arc,PTA)具有成本低、操作更簡單、粉末利用率與生產(chǎn)效率更高等特點[3-6]。采用等離子弧熔覆技術(shù)進行鎳基碳化鎢復合涂層制備時,影響熔覆涂層質(zhì)量的因素主要有離子氣流量、送粉速度、電流和熔覆速度,這些因素相互關(guān)聯(lián)、相互影響,目前工藝參數(shù)對熔覆涂層組織與性能的影響進行了大量的研究。魏仕勇等[7]采用正交試驗優(yōu)化了等離子熔覆制備CoCrFeMnNi高熵合金涂層的工藝參數(shù),結(jié)果表明:工藝參數(shù)對熔覆層稀釋率影響程度依次為熔覆速度、弧電流和送粉氣流量,對熔覆層顯微硬度影響程度依次為弧電流、熔覆速度和送粉氣流量。李響等[8]研究了等離子熔覆Fe-Cr-C合金涂層工藝,發(fā)現(xiàn)工作電流和送粉速度對等離子熔覆層的硬度和磨損量的綜合影響最為顯著。郭洋等[9]研究了轉(zhuǎn)移弧電流對WCp/Ni60復合層的影響,發(fā)現(xiàn)等離子堆焊的轉(zhuǎn)移弧電流的大小與熔覆層硬度成正相關(guān)。魏民等[10]研究了等離子熔覆電流對FeCoCrNiMn高熵合金涂層組織與性能的影響,結(jié)果表明:電流的變化未改變高熵合金涂層中的FCC相組成,而隨著電流變大,枝晶組織變粗,涂層硬度逐漸下降。由此可知,等離子熔覆制備涂層過程中,轉(zhuǎn)移弧電流對熔覆層的質(zhì)量、組織結(jié)構(gòu)以及性能的影響顯著。

本文采用等離子熔覆技術(shù)在Q235鋼表面制備Ni60合金涂層,研究轉(zhuǎn)移弧電流對復合涂層熔覆質(zhì)量和性能的影響規(guī)律,為獲得質(zhì)量穩(wěn)定的鎳基復合涂層提供試驗基礎(chǔ)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

選用400 mm×200 mm×10 mm 的Q235 鋼板作為基材,其化學成分見表1。Ni60合金粉末的成分見表2。

表1 Q235 鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù),%)

表2 Ni60 合金粉末的化學成分(質(zhì)量分數(shù),%)

1.2 試驗方法

利用EUTRONIC GAP 2501DC等離子轉(zhuǎn)移弧設(shè)備,并運用同步送粉法,進行熔覆試樣制備, 轉(zhuǎn)移弧電流分別取60、70、80、90、100、110、120、130、140、160和180 A,其他恒定工藝參數(shù)見表3。在試驗前,先用砂紙對基體板材進行打磨,去除表面氧化皮與銹跡,然后用無水酒精清洗干凈。制得樣品后,用電火花線切割試樣,并進行打磨、拋光處理。采用Axio Scope A1光學顯微鏡 (OM)觀察測試熔覆層高度和基體熔深,并利用公式η=b/(h+b)×100%來計算稀釋率。其中,η為稀釋率;b為基材熔深,mm;h為熔覆層高度,mm。通過HXS-1000顯微硬度計測試試樣硬度,將樣品厚度進行5等分,然后在各分點上測試硬度,取其平均值。

表3 等離子堆焊試驗的恒定參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 等離子轉(zhuǎn)移弧焊工藝質(zhì)量

圖1為不同轉(zhuǎn)移弧電流下的熔覆層宏觀形貌。由圖1可知,當電流低于90 A時,熔覆層出現(xiàn)明顯的成形困難,難以滿足實際需求。當電流在90～100 A時,在熔覆邊緣出現(xiàn)了粘粉問題,這可能是因為等離子熔覆過程中電流不夠,部分鎳基合金粉末未熔化而在氣體作用下飛濺,但該電流范圍內(nèi)熔覆層能夠成形。當電流為110～140 A時,熔池能量足夠,使得熔池流動性好,熔覆層成形較好,表面光滑。當電流超過160 A時,熔覆層吸收熱量較高,使得表面溫度高,暴露于空氣中易形成氧化層;同時,基體受熱較多出現(xiàn)軟化,熔覆層則塌陷于基體中,從山丘狀變成扁平狀。綜上分析,等離子熔覆Ni60涂層的電流在90～140 A為宜。

圖1 不同轉(zhuǎn)移弧電流下涂層的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of coatings with the different transfer arc currents

2.2 熔覆層稀釋率

等離子轉(zhuǎn)移弧焊Ni60 熔覆層的轉(zhuǎn)移弧電流與稀釋率關(guān)系,如圖2所示。由于電流低于90 A的試樣成形不佳,因此在測試熔覆層稀釋率時,選擇電流范圍為90～180 A。由圖2可知,熔覆層的稀釋率受電流影響較大,熔覆層的稀釋率隨著電流的增大而不斷提高。其中,電流為90 A時,熔覆層稀釋率最低為11.8%;電流為180 A時,熔覆層稀釋率最高達58.4%;而電流為100、110、120、130、140和160 A時,熔覆層稀釋分別為17.1%、13.7%、14.7%、15.6%、18.5%和46%。這是由于轉(zhuǎn)移弧電流增大,涂層及基體表面熱量上升,熔池溫度過高,冷卻速度慢,導致近熔覆層的基體發(fā)生熔化,熔覆層凹陷于基體越深,稀釋率也就越大。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗及文獻[7]報道,等離子熔覆層的稀釋率在5%～15%之間時,熔覆層與基體的結(jié)合效果較好。因此,從熔覆層稀釋率分析,等離子轉(zhuǎn)移弧熔覆Ni60涂層的電流選擇90～130 A為宜。

圖2 不同轉(zhuǎn)移弧電流下熔覆層的稀釋率Fig.2 Dilution rate of cladding layers with the different transfer arc currents

2.3 熔覆層硬度

不同轉(zhuǎn)移弧電流下的等離子轉(zhuǎn)移弧焊Ni60 復合熔覆層的維氏硬度分布,如圖3所示。由圖3可知,熔覆層的硬度隨電流的增大呈倒“V”關(guān)系。當電流為100 A時,熔覆層硬度最高達825.5 HV;隨著電流繼續(xù)增大,熔覆層的硬度逐漸降低,即堆焊層的硬度基本與等離子堆焊的轉(zhuǎn)移弧電流大小成反比。這可能是因為隨著電流的增大,一方面基體中的Fe元素不斷向熔覆層滲入;另一方面,熔覆層組織在大量熱的作用下出現(xiàn)晶粒長大,從而降低了熔覆層硬度。因此,從熔覆層硬度分析,等離子轉(zhuǎn)移弧熔覆Ni60涂層的電流選擇100～110 A是最佳的。

圖3 不同轉(zhuǎn)移弧電流下熔覆層的表面硬度Fig.3 Surface hardness of cladding layers with the different transfer arc currents

3 結(jié)論

1)轉(zhuǎn)移弧電流為90～140 A時,Q235碳鋼板上獲得成形良好、無裂紋的Ni60熔覆層。

2)熔覆層的稀釋率與等離子轉(zhuǎn)移弧電流的大小成正比,為了獲得冶金結(jié)合良好,并對基體影響不大的熔覆層,轉(zhuǎn)移弧電流選擇90～130 A較適宜。

3)熔覆層的硬度與等離子轉(zhuǎn)移弧電流的大小呈倒“V”字關(guān)系,當轉(zhuǎn)移弧電流為100 A時,熔覆層硬度最高達825.5 HV。熔覆層硬度分析可知,等離子轉(zhuǎn)移弧熔覆Ni60涂層的電流選擇100～110A最佳。