镍基合金粉末等离子弧堆焊层的性能研究.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 7 1 镍基合金粉末等离子弧堆焊层的性能研究 鲍君峰，魏伟 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要采用等离子弧堆焊技术，在Q 2 3 5 钢表面堆焊镍基合金粉末，通过工艺试验、硬度试验、磨损试验和 显微组织观察分析，研究了等离子弧堆焊层的常规性能。试验结果表明镍基合金粉末堆焊层硬度和耐 磨性较基体有显著提高。 关键词等离子弧堆焊；镍基合金粉末；显微组织；硬度；耐磨性 中图分类号T G l 7 8文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 6 S O 一0 0 7 1 一0 3 S t u d yo nP r o p e r t i e so fN i c k e l b a s e dA l l o yP o w d e rb yP l a s m aA r cS u r f a c i n g B A OJ u n f e n g ，W E IW e i B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t N i c k e l b a s e da l l o yp o w d e rw a sd e p o s i t e do nt h es u r f a c eo fQ 2 3 5s t e e lb yp l a s m a a r cs u r f a c i n g ，t h ec o n v e n t i o np e r f o r m a n c eo fp l a s m a a r cs u r f a c i n gi ss t u d i e db yp r o c e s st e s t ，h a r d n e s st e s t ，w e a r i n gt e s ta n dm i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o na n da n a l y s i s ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h eh a r d n e s Sa n dw e a rr e s i s t a n c eo fd e p o s i t e dl a y - e l so fn i c k e l - b a s e da l l o yp o w d e ri n c r e a s e de v i d e n t l yc o m p a r e dw i t ht h es u b s t r a t e ． K e y w o r d s P l a s m a a r cs u r f a c i n g ；N i c k e l - b a s e da l l o yp o w d e r ；M i c r o s t r u c t u r e ；H a r d n e s s ；W e a rr e s i s t a n c e 粉末等离子弧堆焊得到的亚稳态合金以其特有 的耐磨性、耐蚀性、耐热性能日益引起人们的关注， 其中钴基合金粉末和镍基合金粉末等离子弧堆焊显 示出良好的应用前景【卜5 | 。但C o 基合金作为堆焊 层的胎体金属，由于成本较高，在很大程度上影响了 其应用推广，镍基合金粉末与等离子堆焊技术相结 合，在普通基材表面堆焊一层镍基合金，进行表面强 化，既发挥该合金的优良性能同时又节约贵重金 属K J 。本文通过对P T A N i 5 5 镍基多元合金粉末等 离子弧堆焊合金层组织结构及常规性能的研究，为 粉末等离子弧堆焊镍基合金层的应用提供思路。 1试验 1 ．1 等离子弧堆焊装置 粉末等离子电弧堆焊示意图如图1 所示。在钨 极 4 和喷嘴 5 之间建立的电弧称之为非转移电 弧，由高频激发引燃。钨极 4 和工件 7 之间建立 的电弧为转移电弧。它们分别由单独的直流电源供 电，在堆焊过程中，始终存在着这二个电弧r 7 ] 。 作者简介鲍君峰 1 9 8 0 一 ，男，辽宁营口市人，硕士 粉末由送粉器下部出口以后，由氩气将粉末送 至焊枪。进入焊枪内的粉末，沿着喷嘴 5 表面均匀 分布的沟槽，进入等离子电弧区。粉末被热能高度 集中的电弧加热到半熔化或熔化状态，最后落入熔 池，随着工件的移动和熔池的冷却，逐渐形成堆焊 层。试验采用的送粉气体和保护气体均为A r 气。 1 一离子气；2 一送粉气；3 一刮板式送粉气；4 一钨极；5 一喷嘴； 6 一送粉沟槽；7 一工件；8 一旋转式直流弧焊电源； 9 一可控硅直流弧焊电源 图1 粉末等离子电弧堆焊示意图 F i g ．1 S c h e m a t i cm a po fp o 帆l e rp l a s m a - a r cs u r f a c i n g 万方数据 7 2 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 1 ．2 堆焊材料 以N i 基自熔性合金粉末为堆焊材料，化学成分 ％ C0 ．8 、S i2 ．1 9 、C r3 3 ．7 0 、F e4 ．5 4 、B3 ．1 、N i 余量。镍基合金粉末的粒度一0 ．2 5m m ～ 0 ．1 0 m m ；粉末熔化温度～10 5 6 ℃；堆焊层厚度约3 ．5 m m o 1 ．3 试板材质及尺寸 试验所用堆焊基材为Q 2 3 5 低碳钢板状试样， 试板尺寸2 0 0m m X 4 0m m 2 0m m 。 1 ．4 堆焊工艺参数 用型号为I A 一4 0 0 P C 型等离子弧喷焊机进行 堆焊试验，工艺参数转移弧电流1 5 0A 、转移弧电 压3 4V 、主气压力O ．3M P a 、离子气流量3 0 0L ／h 、 送粉气流量2 0 0L ／h 、送粉电压1 1V 、摆动电压2 5 V 、行走电压1 7V 、冷却水压力3M P a 、喷距1 2m r n 、 焊枪摆幅2 5m m 。 2 试验结果及分析 2 ．1 堆焊试验结果 堆焊焊道横截面S E M 如图2 所示，由图2 a 可见，合金元素分布较均匀，焊道成型良好。焊道表 面经着色探伤检测有微裂纹存在。取焊道横截面在 X T L 一0 2 4 体视镜下观测，裂纹长度一般不超过1 0 0 - - 2 0 0 弘m ，而且焊道无贯穿性裂纹，裂纹扩展路线 十分曲折，表明该焊层组织较均匀，韧性较好。 图2 堆焊层截面S E M F i g ．2S E Mi m a g eo fc r o s s - s e c t i o no fd e p o s i t e dl a y e r 从图2 b 还可以看到，合金中某些元素由于局能形成一些细小的共晶化合物，这些硬质相弥散在 部润湿不好而形成了孔隙缺陷。经分段取样 每隔固溶体间起到了第二相强化作用，因此N i 基合金粉 1 0m m 线切割切断 观测，按下面公式对焊道的平 末堆焊层有较高的硬度。 均孔隙缺陷率进行测算 表1 堆焊层硬度 1So／So100％Table 1H a r d n e s so fd e p o s i t e dl a y e r 式中叼为平均孔隙缺陷率；s b 为堆焊层横截面 孔隙缺陷面积之和；S c 为堆焊层横截面面积之和 测算结果为平均孔隙缺陷率低于2 ．5 ％。 2 ．2 硬度试验结果分析 堆焊层的硬度值见表1 ，比较了堆焊焊道表面 和横截面以及母材不同部位的硬度值。从表1 中数 据可以看出，断面和表面硬度数值接近，均高出母材 很多，这说明N i 基合金粉末经等离子弧堆焊后明显 强化了母材，从而可以显著提高表面的耐磨性。N i 基合金粉末堆焊层有较高的硬度，经分析认为粉末 中加入的C 、C r 、B 、S i 等元素，在堆焊时熔池温度较 高，合金元素一方面溶解进入固溶体起到了强化作 用，另一方面在冷却过程中C 、C r 、B 、N i 等合金元素 2 ．3 堆焊层的耐磨性 将P T A N i 5 5 合金粉末堆焊试样制成标准摩擦 磨损试件 1 9 ．0 5m m 1 2 ．3 2m m 1 2 ．3 2m m ，磨 损试验在M R H 一3 型高速环块磨损试验机上进行， 磨损示意图见图3 ，耐磨性能试验采用干摩擦滑动， 试验条件载荷2 0 0N ，转速4 0 0r ／m i n ，磨损时间1 0 m i n ，室温2 5 ℃。摩擦磨损试验卸载后，先用酒精加 超声波清洗试块，然后采用精度为0 ．1m g 的 B s 2 1 0 S 型分析天平称量试样的摩擦磨损失重。 堆焊层的磨损量见表2 ，从表2 可以看出，堆焊 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 7 3 图3 磨损示意图 F i g ．3 S c h e m a t i cp l a no fa b r a s i o nt e s t 层磨损量较母材磨损量大幅度减少，即堆焊层耐磨 性能较高，通常认为焊层的耐磨性与其硬度值、显微 组织结构有紧密的联系，在相同条件下，一定范围内 堆焊层的表面硬度H R C 越高，则耐磨性越好[ 8 1 。 表2 堆焊层磨损量 T a b l e2W e a re x t e n to fd e p o s i t e dl a y e r 3结论 1 等离子弧喷焊P T A N i 5 5 合金粉末，所形成 的堆焊层组织致密，孔隙率小； 2 等离子弧堆焊层硬度及耐磨性较母材有显 著提高，堆焊层耐磨性与硬度具有对应关系，硬度 高，堆焊层耐磨性能好。 参考文献 [ 1 ] 尹道亮．稠油热采装置密封面的等离子弧堆焊[ J ] ．焊 接，1 9 9 4 1 0 1 1 1 4 ． [ 2 ] 詹祖保，童向阳，易国森．高温高压蒸汽截止阀密封面 等离子弧堆焊[ J ] ．焊接，1 9 9 6 8 1 2 1 5 ． [ 3 ] A o hJ o n - 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c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n da b r a s i o nb e h a v i o r [ J ] ．S u r f a c ea n dC o a t i n g sT e c h n o l o g y ，2 0 0 3 ，1 6 7 7 6 8 7 6 ． [ 4 ] 王引真，孙永兴，曹文军．超音速火焰喷涂工艺参数对 涂层孔隙率和耐冲蚀性能的影响[ A ] ／／．李长久，徐可 为．第五届全国表面工程学术会议论文集[ C ] ．西安 中国机械工程学会表面工程分会，2 0 0 4 1 6 8 1 7 1 ． [ 5 ] 张清．金属磨损和金属耐磨材料手册[ M ] ．北京冶金 工业出版社，1 9 9 1 7 9 8 5 ． [ 6 ] 朱子新，徐滨士，马世宁，等．高速电弧喷涂F 争～仰C 复合涂层的摩擦学特性[ J ] ．摩擦学学报，2 0 0 3 ，2 3 3 1 7 5 1 7 7 ． 万方数据