等離子堆焊鎳基合金粉末的組織與性能*

徐國建， 高 飛， 杭爭(zhēng)翔， 張國瑜， 邱曉杰

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽 110870； 2. 南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司 研究院， 南京 210038)

由于具有良好的延展性、低溫韌性及抗腐蝕性，SUS316LN不銹鋼廣泛應(yīng)用于核電成套設(shè)備中，但SUS316LN不銹鋼的耐磨性較差[1-3].為了進(jìn)一步提高SUS316LN不銹鋼的耐磨性和抗氧化性，采用等離子堆焊方法在其表面制備了Ni基合金強(qiáng)化層，研究了SUS316LN等離子堆焊Ni基合金粉末的最佳工藝參數(shù)，在最佳工藝參數(shù)條件下分析了堆焊層的成形特點(diǎn)、冶金缺陷特性、組織形態(tài)及性能特征.

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為SUS316LN不銹鋼與WELPC-6鎳基合金粉末.SUS316LN不銹鋼的化學(xué)成分為w(C)≤0.03%，w(Si)≤1%，w(Mn)≤2%，w(Ni)=12%～15%，w(Cr)=16%～18%，w(Mo)=2%～3%，w(N)=0.12%～0.22%，余量為Fe.WELPC-6鎳基合金粉末的化學(xué)成分為w(C)=0.73%，w(Si)=4.28%，w(Cr)=14.56%，w(Co)=0.09%，w(B)=3.37%，w(Fe)=3.8%，余量為Ni.

1.2 試驗(yàn)裝置

等離子堆焊槍體原理如圖1所示.

圖1 等離子堆焊槍體原理Fig.1 Principle of plasma cladding gun body

槍體主要由鎢電極、內(nèi)噴嘴、外噴嘴與保護(hù)氣噴嘴等組成.等離子堆焊的最佳規(guī)范參數(shù)是堆焊電流為56～68 A，電弧電壓為26 V，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度為0.35 r/min，送粉速度為1.5～4.5 g/min，送粉氣體流量為4 L/min，等離子氣體流量為0.8 L/min，保護(hù)氣體流量為15 L/min，鎢電極直徑為3.2 mm，預(yù)熱溫度為643～698 K.

采用大越式磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行堆焊層耐磨性試驗(yàn)，磨損試驗(yàn)機(jī)的工作原理如圖2所示.圖2中B為摩損輪半徑，v為摩損輪轉(zhuǎn)速.摩擦輪材質(zhì)為AISI D2鋼，其硬度為58 HRC，磨損過程中施加載荷為185.22 N，磨損距離為400 m，磨損速度為0.308 m/s.由耐磨性試驗(yàn)結(jié)果可以獲得堆焊層的摩擦系數(shù)，其計(jì)算表達(dá)式[4]為

u=M/rP

(1)

式中：M為摩擦力矩；r為摩擦輪半徑；P為施加載荷.

圖2 磨損試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic wear test device

2 結(jié)果與分析

2.1 堆焊層的斷口形貌

圖3為堆焊層的裂紋形態(tài)及斷口形貌.如圖3a所示，當(dāng)在未預(yù)熱的條件下進(jìn)行堆焊時(shí)，堆焊層會(huì)形成大量裂紋，裂紋開裂方向幾乎與熔合線垂直，且裂紋終止于熔合線，而不向熱影響區(qū)擴(kuò)展.如要消除堆焊層裂紋，需對(duì)零部件進(jìn)行643 K以上的預(yù)熱處理.如圖3b、c所示，在堆焊層的裂紋斷口處可以觀察到山峰狀形貌及解理臺(tái)階，且部分?jǐn)嗫诔尸F(xiàn)準(zhǔn)解理斷口特征.

堆焊層裂紋斷口表面的EDS分析結(jié)果如圖4所示.由圖4可知，堆焊層裂紋斷口表面存在Cr元素富集區(qū)域，初步推斷這些富Cr物質(zhì)由碳化物或硼化物組成[5-7]，這些富Cr物質(zhì)的存在為準(zhǔn)解理斷裂提供了必要條件.

2.2 堆焊層的顯微組織

等離子堆焊層的XRD圖譜如圖5所示.由圖5可知，堆焊層金屬相由γ-Ni、CrB、Cr2B、Cr7C3和Cr23C6組成.

圖3 堆焊層的裂紋形態(tài)及斷口形貌Fig.3 Morphologies of cracks and fracture surface of cladding layer

圖4 堆焊層裂紋斷口表面的EDS分析結(jié)果Fig.4 EDS analysis results on fracturesurface of cladding layer

在最佳堆焊規(guī)范條件下等離子堆焊層的顯微組織如圖6所示.由圖6可見，堆焊層內(nèi)部無缺陷產(chǎn)生.通過分析堆焊層的金相組織可知，從熔合線到堆焊表面堆焊層組織依次為平面晶生長區(qū)(圖6中平面晶生長區(qū)過小，故未能標(biāo)注)、亞共晶組織區(qū)、共晶組織區(qū)和過共晶組織區(qū).過共晶組織中的初晶相形態(tài)呈現(xiàn)長條狀(見圖6a)、星狀(見圖6b)、針狀(見圖6c)和塊狀(見圖6d).共晶組織的形態(tài)呈現(xiàn)菊花狀(見圖6e)和普通形態(tài)(見圖6f).此外，初晶相最大尺寸約為20 μm[8].

圖5 堆焊層的XRD圖譜Fig.5 XRD spectrum of cladding layer

圖6 等離子堆焊層的顯微組織Fig.6 Microstructures of plasma cladding layer

等離子堆焊層組織的EPMA分析結(jié)果如圖7所示.

圖7 堆焊層組織的EPMA分析結(jié)果Fig.7 Results of EPMA analysis for microstructuresof cladding layer

由圖7a可見，長條狀初晶相中Cr、B含量較多，Ni、Fe含量較少，C含量基本保持不變，因此，初步判定該長條狀初晶相為CrB(或Cr2B)相.由圖7b可見，菊花狀共晶組織的深色部分中Cr、B含量較多，淺色部分中Ni、Fe含量較多，C含量基本保持不變，因此，初步確定該共晶組織由γ-(Ni，F(xiàn)e)+Cr2B(或CrB)組成.由圖7c、d可見，針狀及塊狀初晶相中Cr、C含量較多，Ni、Fe含量較少，B含量基本保持不變，因此，初步確定該初晶相為Cr7C3(或Cr23C6)相.

堆焊層普通形態(tài)共晶組織的EDS分析結(jié)果如圖8所示.由圖8可見，堆焊層共晶組織的淺色部分中Cr、Fe含量較多，深色部分中Ni含量較高.因此，初步確定該共晶組織由γ-Ni+(Cr，F(xiàn)e)23C6(或(Cr，F(xiàn)e)7C3)組成[5].

圖8 堆焊層共晶組織的EDS分析結(jié)果Fig.8 EDS analysis results for eutectic microstructurein cladding layer

2.3 堆焊層的顯微硬度

由母材到堆焊層表面的硬度分布如圖9所示.由圖9可知，堆焊層平均維氏硬度超過50 HV，母材維氏硬度約為150～200 HV，與母材相比堆焊層硬度提高了3～5倍.CrB(或Cr2B)、Cr7C3(或Cr23C6)等硬質(zhì)相的存在，導(dǎo)致堆焊層的硬度存在峰值，這是因?yàn)檫@些硬質(zhì)相能夠起到耐磨骨架作用，因而可以顯著提高堆焊層的耐磨性[8].

圖9 堆焊層硬度分布Fig.9 Hardness distribution for cladding layer

2.4 堆焊層的磨損性能

等離子堆焊層的磨損試驗(yàn)結(jié)果及磨損表面狀態(tài)如圖10所示.由圖10a可知，堆焊層的摩擦系數(shù)約為0.51～0.58，母材SUS316LN不銹鋼的摩擦系數(shù)約為0.62～0.69.由圖10b可知，等離子堆焊層的磨損失重約為380 mg，母材SUS316LN不銹鋼的磨損失重約為3 426 mg，與母材相比堆焊層的耐磨性提高了約9倍.由圖10c可以觀察到，堆焊層磨損表面存在碳化物或硼化物相，這些硬質(zhì)相在磨損過程中起到了耐磨骨架作用，因而大幅度地提高了堆焊層的耐磨性[9-10].

3 結(jié) 論

通過對(duì)等離子堆焊層的制備工藝、組織及性能進(jìn)行研究，獲得了如下結(jié)論：

1) 從熔合線到堆焊表面堆焊層組織依次由平面晶生長區(qū)、亞共晶組織區(qū)、共晶組織區(qū)和過共晶組織區(qū)組成，堆焊層金屬相由γ-Ni、CrB、Cr2B、Cr7C3和Cr23C6組成.

2) 堆焊層過共晶組織中的初晶相由硼化物(CrB或Cr2B)和碳化物(Cr7C3或Cr23C6)組成，且堆焊層初晶相最大尺寸約為20 μm，而共晶組織主要由富(Ni，F(xiàn)e)奧氏體固溶體或富Ni奧氏體固溶體組成.

圖10 堆焊層磨損試驗(yàn)結(jié)果及磨損表面狀態(tài)Fig.10 Wear test results and wear surfacestate for cladding layer

3) 堆焊層中形成了碳化物和硼化物等硬質(zhì)相，這些硬質(zhì)相具有較高的硬度，且彌散分布于基體中，使得堆焊層的平均硬度達(dá)到50 HV以上，約為母材硬度的3～5倍.

4) 堆焊層的摩擦系數(shù)約為0.51～0.58，母材SUS316LN不銹鋼的摩擦系數(shù)約為0.62～0.69，與母材相比堆焊層的耐磨性提高了約9倍.

[1] 劉珊珊.Ni基合金堆焊性能的研究 [D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2015.

(LIU Shan-shan.Research on Ni-base alloy welding performance [D].Shenyang：Shenyang University of Technology，2015.)

[2] 楊曉雅，何岸，張海龍，等.核電用 316LN 奧氏體不銹鋼延性斷裂閾值研究 [J].熱加工工藝，2015，44(21)：94-97.

(YANG Xiao-ya，HE An，ZHANG Hai-long，et al.Study on ductile fracture threshold of 316LN austenitic stainless steel for nuclear power [J].Hot Working Technology，2015，44(21)：94-97.)

[3] 趙彥華，孫杰，李劍峰.KMN 鋼激光熔覆 FeCr 合金修復(fù)層組織性能及耐磨、耐蝕性研究 [J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，51(8)：37-43.

(ZHAO Yan-hua，SUN Jie，LI Jian-feng.Research on microstructure properties and wear and corrosion resistance of FeCr repaired coating on KMN steel by laser cladding [J].Journal of Mechanical Engineering，2015，51(8)：37-43.)

[4] 鄧德偉，耿延朝，田鑫，等.等離子堆焊鈮元素增強(qiáng)鎳基合金堆焊層的組織與性能 [J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2014，35(2)：202-206.

(DENG De-wei，GENG Yan-chao，TIAN Xin，et al.Microstructure and performance of nickel-based alloy with niobium coating through plasma surfacing [J].Journal of Materials and Heat Treatment，2014，35(2)：202-206.)

[5] 羅思海，何衛(wèi)鋒，周留成，等.激光沖擊對(duì)K403鎳基合金高溫疲勞性能和斷口形貌的影響 [J].中國激光，2014，41(9)：1-5.

(LUO Si-hai，HE Wei-feng，ZHOU Liu-cheng，et al.Effect of laser shock processing on high temperature fatigue properties and fracture morphologies of K403 nickel-based alloy [J].Chinese Journal of Lasers，2014，41(9)：1-5.)

[6] 薄春雨，楊玉亭，丑樹國，等.690鎳基合金結(jié)晶裂紋形成機(jī)理分析 [J].焊接學(xué)報(bào)，2007，28(10)：69-72.

(BO Chun-yu，YANG Yu-ting，CHOU Shu-guo，et al.Solidification cracking mechanism of 690 nickel-based alloy surfacing metal [J].Journal of the China Welding Institution，2007，28(10)：69-72.)

[7] 徐國建，殷德洋，杭爭(zhēng)翔.激光熔覆鈷基合金與碳化釩的功能梯度層 [J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2012，49(6)：1-6.

(XU Guo-jian，YIN De-yang，HANG Zheng-xiang.Functionally gradient material coating of Co-based alloy and VC using laser caldding [J].Advances in Laser and Optoelectronics，2012，49(6)：1-6.)

[8] 徐國建，李春光，杭爭(zhēng)翔，等.CO2激光熔覆鎳基合金粉末的組織與性能 [J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38(4)：384-390.

(XU Guo-jian，LI Chun-guang，HANG Zheng-xiang，et al.Microstructure and performance of Ni-based alloy powder prepared with CO2laser cladding [J].Journal of Shenyang University of Technology，2016，38(4)：384-390.)

[9] 李閃，胡建軍，陳國清，等.鎳基合金等離子堆焊層的顯微組織及摩擦磨損性能 [J].機(jī)械工程材料，2013，37(6)：72-77.

(LI Shan，HU Jian-jun，CHEN Guo-qing，et al.Microstructure and friction and wear properties of plasma surfacing layer of Ni-based alloy [J].Mechanical Engineering Materials，2013，37(6)：72-77.)

[10]劉勝林，孫冬柏，樊自拴，等.等離子熔覆鎳基合金的組織及其沖蝕磨損性能 [J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(10)：999-1004.

(LIU Sheng-lin，SUN Dong-bai，F(xiàn)AN Zi-shuan，et al.Microstructure and erosive wear properties of Ni-based alloy coating produced by plasma cladding [J].Journal of Beijing University of Science and Technology，2007，29(10)：999-1004.)