基于絞股焊絲Al-Ti-Cu堆焊層磨損性能研究

黃紹服 郭 煜

(安徽理工大學機械工程學院 安徽 淮南 232000)

引言

磨損是機械設備的主要失效形式之一，它所造成的經濟損失十分巨大，嚴重影響產品的使用壽命。堆焊技術是利用堆焊設備將含有特殊材料的焊條、焊絲、或粉末在材料表面堆焊一層具有特殊性能的堆焊層以滿足其在特殊工況下的需求。本文使用Al、Ti、Cu三種合金絲作為材料制備了Al-Ti-Cu絞股焊絲，利用電弧將焊絲熔敷在鈦板上，測試了涂層的組織結構及其顯微硬度，并將涂層的耐磨損性能與45#鋼進行了對比。

一、實驗材料及設備

(一)實驗材料。堆焊材料為直徑為1.2mm的Al、Ti、Cu合金絲絞股而成的絞股焊絲，合金絲成分如下表，絞股后合金絲直徑為3.6mm。堆焊層基體材料選用TC4鈦板，成分如表4。

表1 5356焊絲化學成分(質量分數，%)

表2 TA2焊絲化學成分(質量分數，%)

表3 QAl9-4焊絲化學成分(質量分數，%)

表4 TC4鈦板母材化學成分(質量分數，%)

(二)實驗設備。實驗設備包括WSM7-500J/塑氬弧焊機;MICROMET-6030的維氏硬度儀;NovaNanoSEM50型號的場發射掃描電鏡; X′Pert Power X 射線衍射儀；UMT-3型多功能摩擦磨損測試儀。

二、試驗過程

(一)堆焊層制備。為了減少堆焊過程中產生的氧化現象，實驗前對基體噴砂處理，然后將基體放入自制的氬氣保護箱中。實驗時調節堆焊電流，堆焊電壓以及堆焊速度等工藝參數，制備成形較好的堆焊層。

(二)XRD分析。采用型號為 X′Pert Power衍射儀進行物相分析(XRD)。實驗采用Cu的Kα 射線，波長為0.15418nm，掃描速度為 4deg/min，掃描起始角度為 20°，終止角度為120°，步長為 0.02deg。實驗結果采用 Jade5.0 軟件進行分析，結合 PDF 數據庫進行物相檢索，最后采用Origin軟件處理結果并繪制曲線。

(三)顯微硬度測試。選用型號為MICROMET-6030的維氏硬度儀上進行硬度測試。測試時載荷調至200g，載荷保持時長為20s。堆焊層從頂部每隔 0.2mm 測一點，一直測到基體為止。圖為熔敷層截面示意圖。Depositedcoating是熔敷區，Dilutionzone是稀釋區，HAZ是熱影響區，Substrate是基體區。

圖1 熔敷層截面示意圖

(四)磨損試驗及表面形貌觀察。采用 UMT-3 型多功能摩擦磨損測試儀進行摩擦磨損實驗。試驗前將堆焊層表面進行砂紙打磨、拋光、清洗、干燥處理。磨損試驗中采用球和面接觸的方式往復進行，摩擦副采用直徑為4mm的 GCr15 球，往復頻率為10HZ，載荷10N，磨損往復距離3.0mm，摩損時間10min。圖2為摩擦試驗原理圖。

圖2 摩擦試驗原理圖

三、結果與討論

(一)堆焊層的物相分析。圖3為堆焊層的XRD圖譜。可以得知：熔敷層在室溫下為AlCu2Ti相和少量的CuO相和Fe2Ti3O9相。

圖3 以Ti為基體的熔敷層的XRD圖譜

(二)堆焊層的硬度分析。圖4為堆焊層的維氏硬度曲線分布圖，可以看出堆焊層的硬度呈現階梯分布，熔敷區硬度>稀釋區硬度>基體硬度。進計算，熔敷區硬度達到了257HV。堆焊層硬度顯著高于基體硬度，這是由于一方面基體與堆焊層之間合金含量差異較大；另一方面，堆焊層中存在AlCu2Ti相、CuO相和Fe2Ti3O9相，這些相彌散分布在堆焊層中，起到彌散強化作用。

圖4 室溫下堆焊層維氏硬度

四、結論

(1)利用堆焊方法成功地制備了AlTiCu堆焊層，堆焊層組織均勻，結構致密，無氣孔及裂紋等缺陷，與基體實現了良好的冶金結合。

(2)堆焊層主要由AlCu2Ti相和少量的CuO相和Fe2Ti3O9相組成。

(3)堆焊接頭的硬度自基體到堆焊層表面呈明顯的梯度分布。堆焊層的平均硬度為257HV，較基體有明顯提高，有利于改善材料的耐磨損性能。