氬弧熔覆鐵基合金TiB2-Al2O3涂層沖蝕磨損性能研究

馬 壯，韋寶權,董世知，張焱鑫，李智超

(1.遼寧工程技術大學材料科學與工程學院，阜新 123000；2.遼寧科技學院冶金工程學院，本溪 117300；3.丹東華日理學電氣股份有限公司，丹東 118000)

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氬弧熔覆鐵基合金TiB2-Al2O3涂層沖蝕磨損性能研究

馬 壯1,2，韋寶權1,董世知1，張焱鑫3，李智超1

(1.遼寧工程技術大學材料科學與工程學院，阜新 123000；2.遼寧科技學院冶金工程學院，本溪 117300；3.丹東華日理學電氣股份有限公司，丹東 118000)

為提高Q255的沖蝕磨損性能，利用氬弧熔覆方法制備了鐵基合金TiB2-Al2O3涂層。熔覆層顯微硬度最高為913.5 Hv0.2是基體硬度的5.9倍；熔覆層的沖蝕磨損性能較基體提高了1.77～4.22倍。熔池組織均勻細小，XRD分析顯示，熔覆層由Fe、Al、TiO2、TiB2、Fe2B、Al2O3相組成。

鐵基合金涂層； 氬弧熔覆； 顯微硬度； 沖蝕磨損

1 引 言

沖蝕磨損是指液體或固體以松散的小顆粒按一定的速度或者角度對材料表面進行沖擊造成的一種材料損耗現象[1]。在航天航空，機械，能源等領域有所應用[2]。氬弧熔覆具有熔覆層厚、熔覆質量高、成分可調、操作簡單、工藝靈活等優點[3,4]，同時它能使金屬的強韌性與陶瓷材料的高硬度、高耐磨性、高化學穩定性結合起來，使廉價的金屬獲得耐磨、耐蝕、耐高溫等特殊性能[5,6]。本實驗選用Q235鋼為基體材料，制備鐵基合金TiB2-Al2O3涂層。目前金屬表面陶瓷涂層的沖蝕磨損性能研究較少[7]，本文研究了不同介質濃度以及不同介質下熔覆層的沖蝕磨損性能。

2 實 驗

2.1 試樣制備

實驗采用Q235為基體，尺寸為100 mm×30 mm×6 mm，采用角磨機打磨試樣表面并采用砂紙對打磨后的試樣進行精細處理，并用丙酮洗潔凈表面，自然風干后使用。依據原位反應原理(3B4C+6TiO2+4Al=6TiB2+2Al2O3+3CO2)，選取原位反應復合型合金粉末，以氬弧熔覆的方法制備TiB2-Al2O3涂層，各合金粉末成分比例按反應中比例添加，合金粉末成分有：還原鐵粉、TiO2、Al粉、B4C、硼砂。將稱量好的合金粉末(12 g)放于缽中，研磨成粉末，添加適量的水玻璃，攪拌均勻。將攪拌好的粉末放于模具中，放于萬能試驗機下，壓制到Q235鋼板表面，待風干后使用。

2.2 氬弧熔覆工藝參數

采用WS-500逆變式半自動焊接裝置對壓制好的試樣進行焊接，工藝參數如表1。

表1 活性氬弧焊接工藝參數Tab.1 The process parameters of A-TIG

2.3 組織結構分析

選用Axiovert 40 MAT型金相顯微鏡進行金相觀察；X-射線掃描采用DMAX-RB型衍射儀進行測定，并確定組成熔覆層的物相，試驗參數：Cu靶Kα輻射，工作電流150 mA，Ni濾波片，狹縫尺寸DS=IO，RS=0.3 mm，SS=IO，管電壓40 kV，掃描速度10°/min，掃描范圍10°～90°；選用S-3400N掃描電鏡對試樣進行成分分析。

2.4 熔覆層的性能測試

采用HV-1000Z型顯微硬度計，載荷選擇0.2 kg，從距離熔覆層表面1 mm的位置開始沿深度方向，每隔500 μm測試一個點；沖蝕磨損采用MSH型離心式沖蝕磨損試驗機，實驗條件：流體介質分別選取水或人工海水(成分見表2)，以及50-70目石英砂，按一定比例放入(5000∶1600、5000∶2800、5000∶4000)，沖蝕速度分別選取200 r/min 、300 r/min、400 r/min沖蝕角度為90°，沖蝕時間120 min。

采用SPSS 19.0軟件對數據進行分析處理，計量資料以（均數±標準差）表示，采用t檢驗；計數資料以（n，%）表示，采用χ2檢驗，以P＜0.05表示差異具有統計學意義。

表2 人工海水成分Tab.2 Artificial seawater composition

3 結果與討論

3.1 熔覆層的組織結構

圖1為熔覆層的X射線衍射圖。由圖1可知熔覆層中除了Fe、Al、TiO2以外，還有大量的TiB2、Fe2B存在，以及較多的Al2O3相，然而TiC含量相對很少，其中TiB2和處于亞穩定態的Fe2B均為硬質相，Al2O3為氧化物的增強相。由生成相可知，在進行熔覆時，熔池內發生了原位反應，即發生了B4C、TiO2的分解并與B、Ti、Al的原位合成，盡管Al2O3生成量相對較多，但生成物中硼化物相、含Ti化合物相對較少，且有Al、TiO2剩余，因此熔池反應不充分。

圖1 熔覆層的XRD結果Fig.1 XRD result of TIG cladding

3.2 熔覆層組織分析

圖2為熔覆層組織的500倍金相照片，圖中a為熔覆層頂部組織的的金相照片，由圖可以明顯看出熔覆層組織多為圓形且分布均勻、密集，圓形組織內部多數有黑色的部分。圖2中b為熔池內部組織，由圖可以看出，熔覆層的組織多數為細小的枝晶組織，方向基本一致且比較細小，由金相組織能夠看到一次枝晶，二次枝晶更為細小，很難看清；圖2中c為焊縫及兩側組織，由圖可以看出焊縫兩側組織均分明、區別較大，能夠明顯分辨。焊縫內的熔池部分組織較為細小，且分布凌亂、形狀大小不一；在焊縫以外的熱影響區內，其組織為針狀，且粗大。圖2d為熔覆層內部5000倍掃描電鏡下的組織，從圖中可以看出，在晶界處有連續析出的第二相，在晶粒內部有少量黑色點狀物質析出。

圖2 熔覆層組織(a)熔覆層頂端(b)熔池內部(c)焊縫區(d)熔覆層高倍SEMFig.2 Cladding layer organization

圖3 表面典型組織Fig.3 Surface of the typical organization

圖4 熔覆層顯微組織Fig.4 Cladding layer microscopic structure

圖3為熔覆層表面典型組織在高倍數的金相照片。圖中組織形狀為圓形或者扁長形，組織分布均勻但是大小不一，有些扁長狀組織有長大成條狀的趨勢，而且幾乎每個圓形組織中間都有黑色析出物，由X-射線分析可知，白色組織是α-Fe基體，其中黑色的部分為Fe3C，白色塊狀組織為TiB2，且白色塊狀組織中間黑色物質可能是Al2O3等析出物。

圖4為熔覆層內部顯微組織，圖5為EDS點掃描結果，從點掃描結果分析可知，圖譜15處主要有Fe、Si、Al、O、B等元素，沒有Ti的析出而在圖譜16處有部分Ti呈點狀析出，證明原位反應進行不充分。圖6為熔覆層內部面掃描結果，如圖所示， O、B等元素分布均勻，而Al、Ti等元素分布出現局部偏聚現象。

圖5 點掃描圖譜Fig.5 Spot scan atlas

圖6 面掃描圖譜(a)O Kα1;(b)B Kα1 2;(c)Ti Kα1;(d)Al Kα1Fig.6 Area scan atlas(a)O Kα1;(b)B Kα1 2;(c)Ti Kα1;(d)Al Kα1

3.3 硬度分析

圖7 活性劑對熔覆層顯微硬度的影響Fig.7 Influence of active flux on microhardness of cladding layer

3.4 介質濃度對沖蝕性能的影響

圖8 水砂比為5000∶1600時的失重曲線Fig.8 Curve of erosion weightlessness with the water-sand ratio of 5000∶1600

不同介質濃度沖蝕速度均采用300 r/min。由圖8可知，當水砂比為5000∶1600時基體總共失重270.97 g/m2、熔覆層總失重71.69 g/m2，熔覆層耐沖蝕磨損性能是基體的3.78倍。由圖9可知，當水砂比為5000∶2800時，基體總失重為336.55 g/m2，而熔覆層總失重為79.62 g/m2，熔覆層耐沖蝕磨損性能是基體的4.22倍；由圖10可知，水砂比為5000∶4000時，基體失重為479.59 g/m2，熔覆層失重為270.37 g/m2，熔覆層的沖蝕磨損性能是基體的1.77倍。

由以上分析可知，隨著介質濃度的提高，基體和熔覆層的耐磨性均有所下降，而且隨著濃度的升高，熔覆層相對于基體的沖蝕性能提高倍數下降。產生此類現象的原因是，砂粒的濃度較低時，試樣在高速旋轉下被撞擊的幾率小，因此總體的失重較小；而熔覆層中有新生成的硬質相，能夠抵擋因沖擊而造成的質量損失；但是當濃度過大時，硬質相不能抵擋沖擊而脫落，造成失重增加且耐沖蝕磨損性能下降[8]。

圖9 水砂比為5000∶2800時的失重曲線Fig.9 Curve of erosion weightlessness with the water-sand ratio of 5000∶1600

圖10 水砂比5000∶4000時的失重曲線Fig.10 Curve of erosion weightlessness with the water-sand ratio of 5000∶4000

3.5 海水介質對沖蝕性能的影響

圖11 轉速為200 r/min時海水腐蝕失重曲線Fig.11 Curve of erosion wightlessness in seawater with speed of 200 r/min

圖12 轉速為300 r/min時海水腐蝕失重曲線Fig.12 Curve of erosion wightlessness in seawater with speed of 300 r/min

流體介質為人工海水，水砂比為5000∶2800。當轉速為200 r/min時(圖11)，基體總失重為206.45 g/m2、熔覆層總失重為65.75 g/min，熔覆層的耐沖蝕磨損性能是基體的3.14倍。當轉速為300 r/min時(圖12)，基體總失重為298.43 g/m2、熔覆層總失重為88.41 g/m2，熔覆層的耐沖蝕磨損性能是基體的3.38倍。當轉速為400 r/min時(圖13)，基體總失重為416.13 g/m2、熔覆層總失重為106.78 g/m2，熔覆層的耐沖蝕磨損性能是基體的3.90倍。

圖13 轉速為400 r/min時海水腐蝕失重曲線Fig.13 Curve of erosion wightlessness in seawater with speed of 400 r/min

隨著轉速的增加，基體和熔覆層的失重量均有所增加，且基體失重增加明顯，但是熔覆層增加不明顯，是由于選用的腐蝕介質為海水，因此在沖蝕作用下呈現出腐蝕與沖擊磨損雙重作用的結果。由此可知熔覆層在腐蝕與沖蝕雙重作用的結果下具有較高的耐沖蝕磨損性能，熔覆層中形成的組織能夠有效的抵抗沖蝕對材料的損害作用。

當介質濃度為5000∶2800時，轉速為300 r/min時，由水砂實驗和海水實驗結果對比可知，在其他條件相同的前提下，采用海水介質一組的沖蝕磨損失重大于采用自來水一組。產生此種現象的原因主要是海水中多為氯化物組成，其中Cl-對金屬物質具有強腐蝕性能，在沖蝕過程中試樣的失重是由海水腐蝕與砂粒對試樣沖擊雙重作用的結果，因此采用海水介質時試樣的失重要高于自來水介質。

4 結 論

(1) 利用原位反應復合型合金粉末,制備TiB2-Al2O3涂層，涂層由Fe、Al、TiO2、TiB2、Fe2B、Al2O3相組成;

(2)熔覆層的組織為細小、致密枝晶組織，其硬度最高值為913.5 Hv0.2是基體的5.9倍;

(3)水砂比分別為5000∶1600、5000∶2800、5000∶4000，相應的熔覆層耐沖蝕磨損性能分別是基體的3.78倍、4.22倍、1.77倍;

(4)流體介質為人工海水，轉數分別為200 r/min、300 r/min、400 r/min，熔覆層耐沖蝕磨損性能分別是基體的3.14倍、3.18倍、3.90倍。

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Erosion Wear Performance of TiB2-Al2O3Argon Arc Cladding Iron-based Alloy Coating

MAZhuang1,2,WEIBao-quan1,DONGShi-zhi1,ZHANGYan-xin3,LIZhi-chao1

(1.College of Engineering Materials Science and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;2.School of Metallurgical Engineering,Liaoning Institute of Science and Technology,Benxi 117300,China;3.Dandong Huari Rigaku Denki Co.,Ltd.,Dandong 118000,China)

Fe based alloy TiB2-Al2O3coating was prepared by argon arc cladding method in order to improve the erosion wear performance of Q255.The highest micro-hardness of the cladding layer is 913.5 Hv0.2and is 5.9 times of that of the matrix.The erosion wear resistance of the cladding layer is increased by 1.77-4.22 times comparing with that of the matrix.The micro-structure of the weld pool is small and uniform.XRD results show that the cladding layer is composed of Fe, Al, TiO2, TiB2, Fe2B and Al2O3phases.

iron base alloy coating;argon arc cladding;microhardness;erosion wear

馬 壯(1963-)，男,博導.主要從事表面改性及材料強韌化方面的研究.

韋寶權，碩士研究生.

TG456.9

A

1001-1625(2016)09-2810-06