添加La-Ce-Y對鎢電極焊接性能的影響研究

袁德林，郭春平，普建，王玉香，文小強

（贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000）

鎢金屬熔點為3410℃，理論密度為19.35g/cm3，在高溫環(huán)境下仍具有較高的強度和硬度，同時還具有耐腐蝕、低熱膨脹系數(shù)等特性。在電極領(lǐng)域中，鎢電極主要用于鎢極惰性氣體保護焊，其不僅適用碳鋼等常規(guī)金屬材料焊接，還適用于有色金屬及其合金、不銹鋼、高溫合金、鈦及鈦合金以及難熔的活性金屬等的焊接工況，在航空航天、機加工、化工等行業(yè)都具有廣泛的應(yīng)用[1]。近年來，我國的鎢電極行業(yè)發(fā)展極快，鎢極氬弧焊幾乎已經(jīng)全面取代傳統(tǒng)的手工電弧焊。目前，TIG焊中主要使用的電極材料是釷鎢電極，天然放射性元素釷的α射線半衰期為1.4×1013年，不可避免會在生產(chǎn)使用中給人們和環(huán)境帶來放射性危害[2]。采用稀土氧化物替代鎢釷電極中的釷元素，獲得的稀土鎢電極仍具有良好的焊接性能，同時不存在放射性污染[3]。但市場銷售數(shù)據(jù)表明，單元稀土鎢電極在鎢電極領(lǐng)域僅占20%-30%，這主要是由于單元稀土鎢電極材料在抗燒蝕性能等方面與釷鎢材料相比仍有差距。因此，研究人員將目光瞄準了多元復(fù)合稀土鎢電極，希望能彌補單元稀土鎢電極抗燒蝕性能的方面不足，達到全面替代鎢釷電極的目的。

1 實驗

1.1 原料

采用贛州華茂鎢材料有限公司生產(chǎn)的FW-20鎢粉，其W含量大于99.9%，費氏粒度2-3μm。氧化鈰粉末根據(jù)項目組專利《一種采用吸附隔離劑制備納米氧化鈰的系統(tǒng)》（ZL2014 20688283.9）自制獲得，其純度大于99.9%，形貌為球形，粒度均約為0.1μm，氧化鈰SEM圖片如圖1所示。氧化鑭、氧化釔粉末制備方法與形貌與氧化鈰類似。

圖1 氧化鈰粉末 SEM 圖

1.2 制備過程

將原料按表1的比例配置好后，置于酒精中超聲分散使物料混合均勻，然后進行真空干燥。將干燥后的粉末在200Mpa壓力下進行等靜壓成型，獲得壓坯置于真空碳管爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為2100℃～2200℃，保溫時間為4-6h，獲的La-Ce-Y三元復(fù)合鎢合金。通過加工獲得與市場出售鎢釷電極尺寸相同的電極試樣。

表1 各樣品成分

圖2 樣品 SEM 圖

圖3 1號試樣能譜圖

1.3 組織觀察及性能測試

項目采用蔡司EVO18型掃描電鏡及附帶能譜儀觀測樣品的組織與成份，采用氧弧焊機驗證樣品的焊接性能，并以焊接性能作為主要評價方法，焊接性能主要包括起弧性能、起弧穩(wěn)定性、抗燒損性能三個方面，其中焊接性能中起弧性能和起弧穩(wěn)定性屬于定性評價，因焊接實驗人員的焊接水平在一定程度上影響評價結(jié)果，試樣與商品鎢釷電極皆由同一焊接經(jīng)驗豐富的焊工進行起弧性能和起弧穩(wěn)定性評價。抗燒損性能為定量評價，在焊接電流160A，氬氣流量10L/min的工況下考察焊接20分鐘后樣品質(zhì)量的變化。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 組織觀察

從圖2與圖3可以看出，鎢晶粒內(nèi)部不含稀土元素，三種稀土氧化物共同均勻的分布在鎢晶界的位置，因此可以認為三種稀土元素是復(fù)合在一起共同對鎢電極的焊接性能產(chǎn)生影響。

2.2 焊接性能

從表2中可以看出，添加稀土氧化物不會影響電極的起弧性能和起弧穩(wěn)定性，能夠滿足焊接的工作需要，在抗燒損性能方面，三元復(fù)合稀土鎢電極表現(xiàn)均優(yōu)于鎢釷電極。氧化釔的主要作用是細化經(jīng)鎢電極高溫焊接過程后的再結(jié)晶晶粒，而細晶粒又會使得氧化鑭和氧化鈰的遷移受阻，獲得較好的穩(wěn)定性，減少氧化鑭和氧化鈰在高溫焊接時的高溫蒸發(fā)損耗，達到提高電極使用壽命的目的。在氧化鈰：氧化鑭：氧化釔配比2：1：2的條件下，電極的抗燒損性能最佳，是三種稀土氧化物效果互補的結(jié)果，其機理還有待進一步驗證與分析。

表2 多元稀土鎢電極焊接性能

3 結(jié)論

La-Ce-Y三元復(fù)合稀土鎢電極焊接性能表現(xiàn)優(yōu)異，起弧性能和起弧穩(wěn)定性能與同規(guī)格鎢釷電極相當，抗燒損性能較大幅度優(yōu)于鎢釷電極。