電流對(duì)等離子堆焊WCp/Ni60復(fù)合層組織與性能的影響

郭洋　陳興東　黃嵐　范華　張建勛

摘要：分析不同轉(zhuǎn)移弧電流下等離子堆焊制備的WCp/Ni60復(fù)合層的組織與硬度，研究轉(zhuǎn)移弧電流對(duì)WCp/Ni60復(fù)合層的影響。通過(guò)控制轉(zhuǎn)移弧電流，在Q235碳鋼板上等離子堆焊Ni60+25%WC（鑄造）粉末，在合理的工藝條件下獲得了成形良好、無(wú)裂紋的等離子熔覆層;熔覆層硬度與等離子堆焊的轉(zhuǎn)移弧電流的大小成正相關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)移弧電流控制在135 A時(shí)，硬度達(dá)到590 HV5以上。不同轉(zhuǎn)移弧電流下等離子堆焊WCp/Ni60復(fù)合熔覆層均出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象，上層鎳基固溶體與鎳基共晶組織分布著粗大星狀和針狀Cr23C6，下層中WC顆粒在截面面積比例由165 A下的約15%增加到135 A電流下的約40%。

關(guān)鍵詞：WCp/Ni60復(fù)合層;等離子堆焊;轉(zhuǎn)移弧電流;組織;熔覆層

中圖分類號(hào)：TG456.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）04-0089-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.15

0 前言

WC顆粒增強(qiáng)鎳基合金（簡(jiǎn)稱WCp/Ni基合金）的復(fù)合層兼具WC顆粒的良好耐磨性能和鎳基合金的耐蝕、抗氧化性能，且WC顆粒與鎳基合金界面致密、結(jié)合強(qiáng)度高[1]。其中，Ni基自熔合金具有良好的潤(rùn)濕性、耐磨性、耐腐燭、韌性[2]，價(jià)格適中，適用于局部要求耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的零部件，廣泛用于刀具、汽輪機(jī)、滾軸、擠壓機(jī)、活塞桿、抗磨板等[3]。而鑄造WC具有硬度極高、成本低、與基材潤(rùn)濕性好的特點(diǎn)，將其添加到鎳基合金中既可控制成本，又可極大地提高鎳基合金的耐磨粒磨損性能[4]，廣泛用于耐磨粒磨損與沖擊載荷同時(shí)存在的工況要求的零部件表面功能層[5]，如石化鉆具、礦山液壓支架、刮板運(yùn)輸機(jī)等，可極大地提高在惡劣工況的使用壽命[6]。

WCp/Ni基合金的制備方法有火焰噴焊或噴涂+火焰重熔、激光熔覆[7-8]、等離子堆焊[9-10]等。火焰噴焊或噴涂+火焰重熔方法可以一定程度上結(jié)合強(qiáng)度，而且成本低，但是對(duì)基材性能的影響明顯、無(wú)法制備較厚的涂層。激光熔覆方法可獲得熱影響區(qū)小、硬度高的熔覆層，但存在設(shè)備成本高、生產(chǎn)成本高、不適合大面積制備等缺點(diǎn)[11]。等離子堆焊工藝具有成本低、熱影響區(qū)小、稀釋率低的特點(diǎn)，適合WCp/Ni基合金復(fù)合層的制備。

高能量密度的激光熔覆或等離子熔覆方法制備的WCp/Ni基合金熔覆層組織主要是γ-Ni、WC、Cr23C6、W2C等，其主要強(qiáng)化相是高硬度的WC和W2C顆粒強(qiáng)化相[3]。其中，WC顆粒在熔覆層中分布不均勻，WC顆粒在熔池底部分布密度較高[12]，這一問(wèn)題可通過(guò)包覆[13]或減小熔池[14]的方法來(lái)改善。采用激光熔覆工藝制備WCp/Ni基合金熔覆層時(shí)，發(fā)現(xiàn)WC顆粒在熔覆層存在大量燒損，而燒損機(jī)制是反應(yīng)擴(kuò)散式燒損，主要是在熔池的高溫階段存在WC或W2C與熔池鎳基溶液反應(yīng)生成M23C6和M6C[15]。在等離子堆焊WCp/Ni基合金時(shí)，同樣發(fā)現(xiàn)了WC顆粒的溶解現(xiàn)象，同時(shí)鎳基WC堆焊層在600 ℃下仍然具有較好的高溫耐磨粒磨損性能[16]，存在鎳基體重元素脫溶析出現(xiàn)象[17]。WCp/Ni基合金的復(fù)合層中WC顆粒的含量比例越高，復(fù)合層的耐磨性能將逐漸提高，但WC顆粒的含量提高到某一臨界值后，因熔池流動(dòng)性降低、熔覆性變差，堆焊層耐磨性能及硬度將提高不明顯甚至性能變差[18]。

由于激光熔覆或等離子熔覆的熱源能量密度高，熔覆過(guò)程中溫度高，難以避免WC或W2C顆粒燒損等科學(xué)難題。為此目前研究主要集中在WCp/Ni基合金的復(fù)合層組織、WC顆粒分布、界面反應(yīng)即對(duì)耐磨性影響等方面，研究發(fā)現(xiàn)可采取小熱輸入或減小熔池尺寸等手段，這給大尺寸部件工程應(yīng)用時(shí)如何提高生產(chǎn)效率帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

針對(duì)大尺寸、大面積的礦山機(jī)械工程部件或大批量生產(chǎn)，采用具有成本優(yōu)勢(shì)的等離子熔覆WCp/Ni基合金的復(fù)合層時(shí)，轉(zhuǎn)移弧電流的大小將起決定性作用。為了探索WCp/Ni60復(fù)合層的高效率等離子熔覆制備工藝，為石化鉆具、礦山液壓支架表面大面積制備WCp/Ni60復(fù)合層的高效率制備工藝的開(kāi)發(fā)提供方向，本文通過(guò)分析不同轉(zhuǎn)移弧電流下的等離子堆焊制備的WCp/Ni60復(fù)合層的組織與硬度來(lái)研究轉(zhuǎn)移弧電流對(duì)WCp/Ni60復(fù)合層的影響。

1 試驗(yàn)方法與材料

選擇了某品牌的Ni60+25%WC（鑄造）混合型粉末，在熱軋態(tài)的δ30 mm×150 mm×150 mm的Q235碳鋼板上采用等離子堆焊制備WCp/Ni60復(fù)合層，其中粉末的物料性能與化學(xué)成分分別如表1、表2所示。在其他參數(shù)不變的前提下，采用不同的轉(zhuǎn)移弧電流成功地堆焊制備出無(wú)裂紋WCp/Ni60復(fù)合層，主要工藝參數(shù)如表3所示。通過(guò)觀察不同焊接電流等離子堆焊的WCp/Ni60復(fù)合層金相組織，并測(cè)試每隔0.5 mm載荷為5 kg、保載10 s的維氏硬度，以評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)移弧電流對(duì)WCp/Ni60復(fù)合層的組織與性能的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 等離子堆焊工藝性能

采用不同焊接電流在δ30 mm×150 mm×150 mm鋼板上進(jìn)行等離子堆焊時(shí)，在300 mm長(zhǎng)度就出現(xiàn)了粘粉問(wèn)題。鎳基粉末在等離子堆焊時(shí)存在較大飛濺，但因粉末為自熔性合金粉末，熔池流動(dòng)性好，各焊接電流下的焊縫成形較好，熔覆層厚度約3.5 mm，如圖1所示。

2.2 等離子熔覆層的硬度

不同轉(zhuǎn)移弧電流下的等離子堆焊WCp/Ni60復(fù)合堆焊層的維氏硬度分布如圖2所示。WCp/Ni60復(fù)合層硬度遠(yuǎn)高于基材Q235硬度，且距熔合線越近，硬度越高，但焊接熱影響區(qū)無(wú)明顯的硬化現(xiàn)象。在不同轉(zhuǎn)移弧電流下，WCp/Ni60堆焊層上層的硬度隨著電流的增大而逐漸降低，即堆焊層的硬度基本與等離子堆焊的轉(zhuǎn)移弧電流大小成正相關(guān)。但是在165 A電流以下，堆焊層下層的硬度明顯高于上層，且隨著轉(zhuǎn)移弧電流的減小，硬度差值越大。當(dāng)電流為135 A時(shí)，堆焊層硬度全部在590 HV5以上，相當(dāng)于55 HRC以上。

2.3 金相組織

2.3.1 堆焊層組織

不同轉(zhuǎn)移弧電流下等離子堆焊WCp/Ni60復(fù)合堆焊層的金相組織如圖3所示，所有堆焊層組織都出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，其中WC顆?；救糠植荚诙押笇酉聦蛹s2 mm厚區(qū)域，這是因?yàn)閃C顆粒的密度約16.5 g/mm3，而鎳基合金密度約8 g/mm3，兩種材料密度不同，而堆焊層組織鎳基固溶體γ-Ni與Ni3Si共晶組織分布著星狀Cr7C3和針狀的Cr23C6[6]，下層均勻分布著WC顆粒。所有堆焊層組織都出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象，這也是堆焊層硬度出現(xiàn)明顯不同的原因，其中因上層組織為金屬間化合物（Cr7C3、Cr23C6）而非WC陶瓷顆粒，所以其硬度相對(duì)較低。

不同轉(zhuǎn)移弧電流下等離子堆焊WCp/Ni60復(fù)合堆焊層的上層組織隨著轉(zhuǎn)移弧電流的減小，顆粒狀金屬間化合物的顆粒大小逐漸降低，這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)移弧電流的減小，熔池在1 200 ℃以上的高溫下停留時(shí)間越短，顆粒狀金屬間化合物的長(zhǎng)大時(shí)間越短。其中，180 A轉(zhuǎn)移弧電流下的顆粒狀金屬間化合物為鎳基共晶組織，是以金屬間化合物為晶核生長(zhǎng)的，這也是其硬度明顯低于165 A電流的原因。

隨著轉(zhuǎn)移弧電流的降低，下層堆焊層組織中的WC顆粒分布越來(lái)越多，也越來(lái)越密。堆焊層中WC顆粒在截面分布比例由165 A下的約15%增加到135 A電流下的約40%。即在熔池中殘留的WC顆粒隨著焊接電流的減小而增多，這是由于WC顆粒在熔池中溶解減少與焊接過(guò)程中飛濺減小的共同作用的結(jié)果。同時(shí)顆粒較大的WC顆粒由于重力而沉在底層，較小的顆粒落在上層，也是一個(gè)潛在原因。

對(duì)于該Ni-WC粉末的等離子堆焊層，從WC顆粒的分布情況來(lái)看，推測(cè)其耐磨性應(yīng)在底層處最好，而WC顆粒較少的上層，硬度降低而具有一定的韌性，這對(duì)Ni-WC堆焊層也有一定好處。

2.3.2 熱影響區(qū)組織

因不同轉(zhuǎn)移弧電流相差不是特別大，所得的堆焊層熱影響區(qū)組織基本相同，都是典型的焊縫焊接熱影響區(qū)組織結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖4），即熔合線附近過(guò)熱區(qū)為因堆焊層含碳量高而擴(kuò)散進(jìn)入基體并隨后緩慢冷卻而形成的珠光體組織，正火區(qū)的粗大鐵素體與少量珠光體組織，重結(jié)晶區(qū)域的鐵素體與少量珠光體組織，以及基材熱軋態(tài)條狀分布的碳化物與鐵素體+少量珠光體組織。

3 結(jié)論

通過(guò)不同轉(zhuǎn)移弧電流下的等離子堆焊制備WCp/Ni60復(fù)合層，并對(duì)其工藝性、組織與硬度進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：

（1）通過(guò)合理的工藝參數(shù)調(diào)整，在Q235碳鋼板上可以獲得Ni60+25WC（混合型）粉末的成形良好、無(wú)裂紋的等離子堆焊層;但存在不同程度的粘槍問(wèn)題，對(duì)于小面積的等離子堆焊可以實(shí)現(xiàn)，若大面積堆焊，還需進(jìn)一步進(jìn)行了解與探索。

（2）堆焊層的硬度基本與等離子堆焊的轉(zhuǎn)移弧電流的大小成正相關(guān)，且離熔合線越近硬度越高，轉(zhuǎn)移弧電流控制在135 A時(shí)，硬度可以達(dá)到590 HV5以上。

（3）不同轉(zhuǎn)移弧電流下等離子堆焊WCp/Ni60復(fù)合堆焊層都出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象，其中WC顆粒基本全部分布在堆焊層的下層約2 mm厚區(qū)域，而堆焊層組織鎳基固溶體γ-Ni與Ni3Si共晶組織分布著星狀Cr7C3和針狀Cr23C6，下層均勻分布WC顆粒。不同轉(zhuǎn)移弧電流下等離子堆焊WCp/Ni60復(fù)合堆焊層的上層組織隨著轉(zhuǎn)移弧電流的減小，顆粒狀金屬間化合物的顆粒大小逐漸降低，但180 A轉(zhuǎn)移弧電流下的顆粒狀組織為鎳基共晶組織。堆焊層中WC顆粒在截面分布比例由165 A下的約15%增加到135 A電流下的約40%。

（4）不同電流下的熱影響區(qū)組織基本相同，但熔合線附近的熱影響區(qū)組織出現(xiàn)大量的珠光體組織，這是由于堆焊層中高含碳量在高溫下快速向基體過(guò)熱區(qū)擴(kuò)散的結(jié)果。

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