卓曉，唐衛(wèi)崗，羅壽根，劉金湘，羅良良，趙琳

摘要：采用非熔化極氣體保護焊（TIG）進行熔覆堆焊，研究Ni3Al及Ni3Al+Cr3C2金屬間化合物基金屬粉芯焊絲在45#鋼、304不銹鋼、42CrMo合金鋼、4Cr14Ni14W2Mo耐熱不銹鋼基板上的熔覆層組織和性能。結果表明：（1）Ni3Al+Cr3C2熔覆后的平均稀釋率（34.55%）低于Ni3Al熔覆后的平均稀釋率（42.8%）;（2）采用純Ni3Al金屬粉芯焊絲堆焊后的熔覆層主要為單一的γ'-Ni3Al相，采用Ni3Al+Cr3C2時，熔覆層主要由γ'-Ni3Al相MC型及M23C6型碳化物組成;（3）Ni3Al+Cr3C2熔覆層的顯微硬度顯著高于純Ni3Al熔覆層;（4）采用Ni3Al、Ni3Al+Cr3C2金屬粉芯焊絲在4種實驗基板上熔覆，焊道冶金結合良好、潤濕良好，堆焊后缺陷少，堆焊層硬度高于母材，能夠用于相關材料表面增強熔覆。

關鍵詞：Ni3Al;Ni3Al+Cr3C2;工藝性;熔覆層;金屬粉芯焊絲

中圖分類號：TG422.3? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）10-0015-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.03

0? ? 前言

堆焊技術是最普遍的表面改性及修復方法，與電鍍鉻、熱噴涂、激光熔覆等技術相比，堆焊操作方便，對設備要求低。非精密零件采用堆焊進行表面改性能夠大大提升零件的耐磨性能和使用壽命，從而顯著降低成本。常見的高溫耐磨堆焊材料有以Stellite 6、12為代表的鈷基合金，Ni-Cr-B-Si、Ni-Cr-Mo-W系合金為代表的鎳基合金等。

Ni3Al是一種鎳鋁基金屬間化合物，其具備的超位錯在材料力學特征上表現(xiàn)為高變形抗力、高加工硬化率和反常的屈服強度-溫度變化規(guī)律，是最具備潛力的下一代高溫結構材料。索進平[1]等人研究了水平連鑄的Ni3Al焊條和粉末冶金制備的WC/Ni3Al復合材料焊條的焊接性能，結果表明WC中的C原子在堆焊中優(yōu)先與氧結合，從而減少了鋁的氧化。李尚平[2]等人對Ni3Al基焊絲中復合的碳化物特性進行了研究，結果表明在氬弧堆焊中添加的WC仍然以原始大顆粒狀態(tài)存在，而添加的Cr3C2則會轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿浬⒌腃r7C3，起到良好的彌散強化作用。安同邦、傅麗華、李尚平等人[3-5]分別研究了水平連鑄、熱等靜壓、真空燒結的Cr3C2/Ni3Al材料的耐磨性能及高溫抗氧化性能：室溫條件下，磨粒磨損性能是Stellite12的2倍，微動磨損條件耐磨性是Stellite6的3倍;高溫條件下（室溫至900 ℃），硬度顯著高于Stellite6、Stellite12，溫度越高優(yōu)勢越明顯;1 000 ℃條件下，氧化速率僅為Stellite12的1/2，適應于高溫服役條件。相比之下，金屬粉芯焊絲形式的Ni3Al焊絲具有材料利用率高、配方可調(diào)控等特點，但相關堆焊材料工程化應用研究的介紹卻甚少。

文中通過對Ni3Al基金屬粉芯焊絲在不同基板上的堆焊工藝及熔覆層性能進行研究，以期為Ni3Al基堆焊材料的工程化應用提供參考。

1 試驗材料與方法

焊絲外皮采用N6純鎳皮（6 mm×0.3 mm），芯部添加φ0.8 mm的純鋁芯絲及一定比例混合的Ni3Al合金粉、碳化鉻粉等，填充率為25%。Ni3Al合金粉末化學成分如表1所示。Ni3Al+Cr3C2焊絲添加的碳化鉻粉的質(zhì)量分數(shù)為10%。

基板材料為市售的45#鋼、304不銹鋼、42CrMo合金鋼、4Cr14Ni14W2Mo耐熱不銹鋼，其化學成分如表2所示。采用TIG進行熔覆堆焊，焊前不預熱，焊后在室溫下冷卻，保護氣為高純氬氣，保護氣流量為10 L/min。

試樣經(jīng)線切割及磨拋后，采用HCl-FeCl3試劑腐蝕，采用Leica DM6M金相顯微鏡對熔覆層進行分析;Image Pro Plus 6.0軟件計算各區(qū)域面積并分析稀釋率;QATM Master10+顯微維氏硬度計測量硬度;BRUKER D8 ADVANCE X射線衍射儀分析熔覆層物相，并通過Apreo 2 S Hivac場發(fā)射掃描電鏡分析顯微結構。

2 試驗結果及分析

2.1 焊接工藝性

采用不同的焊接電流進行熔覆堆焊，Ni3Al+Cr3C2的焊后外觀如圖1所示?？梢钥闯觯骱附庸に囅潞傅辣砻婀饬?、無明顯缺陷。當電流小于80 A時，單道熔覆金屬的外觀較為狹小，潤濕性較差，隨著電流增大，潤濕性得到明顯改善，焊道鋪開良好，表面美觀。在焊接過程中，當電流小于80 A時出現(xiàn)送絲困難，電流大于110 A時手工送絲速度難以持續(xù)跟上焊絲熔化速度。此外，熔覆4Cr14Ni14W2Mo過程中會出現(xiàn)嚴重的焊接明顯飛濺，而在其他3種基板材料上堆焊時并無明顯飛濺，這可能與Mo元素在熔池中的氧化反應生成易揮發(fā)的氧化鉬有關。使用純Ni3Al焊絲進行相同試驗，現(xiàn)象較為一致。

2.2 熔覆層橫截面及稀釋率

焊接電流90 A時，兩種焊絲在4種基板上熔覆的焊道橫截面如圖2所示?？梢钥闯?，各熔覆層金屬均與基板材料產(chǎn)生了冶金結合。其中，Ni3Al焊絲在45#鋼和4Cr14Ni14W2Mo的熔覆層有出現(xiàn)未熔合、裂紋等缺陷。未熔合缺陷與送絲速度、焊接電流過小等因素有關，由于鋁、鎳的熔點差異大，容易產(chǎn)生熔池不均勻的問題，因此合理的TIG堆焊是保證堆焊質(zhì)量的關鍵。裂紋缺陷主要位于熔覆金屬位置，堆焊前未預熱、焊絲成分均勻性等問題均對該類裂紋有較大的影響。

各焊道橫截面基本形狀如圖3所示。焊道稀釋率為λ=S2/（S1+S2），稀釋率統(tǒng)計結果如圖4所示。

由圖4可知，采用Ni3Al焊絲在各基板上熔覆的平均稀釋率為42.8%，采用Ni3Al+Cr3C2焊絲在各基板上熔覆的平均稀釋率為34.55%。在相同基板上采用Ni3Al+Cr3C2焊絲進行堆焊的稀釋率總是低于采用純Ni3Al焊絲的，這與鎳鋁類材料的自蔓燃效應有關[6]。在TIG堆焊過程中，非消耗電極鎢極產(chǎn)生熱量對母材和焊絲起到了加熱作用，焊絲的鎳皮、鋁芯被熔化在熔池中發(fā)生自蔓燃反應，產(chǎn)生大量的熱，進一步提高了熔池溫度。而在相同工藝條件下，一方面Ni3Al+Cr3C2焊絲在單位時間內(nèi)參與自蔓燃的鎳、鋁含量較純Ni3Al焊絲少，另一方面Cr3C2的加入在熔化過程吸收大量的熱，降低了熔池的峰值溫度，從而降低了稀釋率。

2.3 XRD及顯微形貌

Ni3Al焊絲和Ni3Al+Cr3C2焊絲熔覆層的XRD分析結果分別如圖5、圖6所示?？梢钥闯?，當采用Ni3Al焊絲進行堆焊時，熔覆層主要為單相的γ'-Ni3Al相。采用Ni3Al+Cr3C2焊絲堆焊時，在304和45#鋼基板的熔覆層中，碳化物主要以M23C6形式存在，在42CrMo和4Cr14Ni14W2Mo基板的熔覆層中以MC、M23C6形式存在。

熔覆層的背散射相如圖7所示，可以看出，碳化物以原位自生的形式生成，具有細小、彌散的特點。其中MC型碳化物主要受Mo元素影響，M23C6型碳化物生成過程為碳、鉻等原子在高溫時溶入液體，在溫度下降時，碳、鉻等溶質(zhì)原子由于過飽和最終以碳化物析出[7]，其分布和形態(tài)具備固態(tài)相變的特點。陳翠欣[8]等人介紹了Ni3Al/Cr3C2激光熔覆層中的碳化物主要以M7C3型碳化物形式存在，可能與焊接熱輸入及更高的原始碳化物復合度有關。

2.4 顯微硬度

對Ni3Al焊絲和Ni3Al+Cr3C2焊絲在不同基板上的熔覆層進行顯微硬度測試，結果分別如圖8、圖9所示?？梢钥闯?，Ni3Al+Cr3C2焊絲的熔覆層硬度顯著高于母材和Ni3Al焊絲的熔覆層硬度。在42CrMo、4Cr14Ni14W2Mo基板上堆焊層硬度達到500 HV0.2。

Ni3Al基材料的性能依靠強原子結合力的L12晶體結構，超高的加工硬化率，反常的屈服強度—溫度變化規(guī)律（800℃以下，溫度升高，強度升高），保證了其在服役過程中具備超高的耐磨性能[9]。

在高溫高強的Ni3Al基體上進一步復合碳化物，碳化物在堆焊過程中部分熔入基體起到固溶強化作用，部分碳化物彌散析出，強化了熔覆層整體，從而使得復合碳化物的熔覆層硬度大幅提升，顯著高于基體。同時，Ni3Al+Cr3C2熔覆層在磨損服役過程中，碳化物有效支撐起了基體，減小接觸面，從而進一步提升了耐磨性并對摩擦副友好[8]。

3 結論

（1）Ni3Al及Ni3Al+Cr3C2焊絲在45#鋼、304不銹鋼、42CrMo合金鋼、4Cr14Ni14W2Mo耐熱不銹鋼上熔覆時，焊道與基板潤濕良好、外觀光亮，無明顯缺陷產(chǎn)生。

（2）采用相同工藝熔覆時，Ni3Al焊絲單道熔覆層的平均稀釋率為42.8%，較于Ni3Al+

Cr3C2焊絲單道熔覆層的平均稀釋率高8.25%。

（3）Ni3Al焊絲熔覆層由為γ'-Ni3Al相組成，Ni3Al+Cr3C2焊絲熔覆層主要由γ'-Ni3Al相及MC型、M23C6型碳化物組成，碳化物細小彌散。

（4）Ni3Al+Cr3C2熔覆層的硬度顯著高于純Ni3Al焊絲熔覆層的硬度。

參考文獻：

[1]索進平，馮滌，錢曉良，等.添加WC改善Ni3Al的焊接性能[J]. 焊接學報， 2001（6）：18-21.

[2]李尚平，駱合力，馮滌，等.碳化物特性對Ni3Al基表面強化復合材料組織與性能的影響[J].材料工程，2004（11）：53-56.

[3]安同邦，Gong Karin，駱合力，等.碳化鉻/Ni3Al復合堆焊層組織及摩擦磨損分析[J]. 焊接學報，2012，33（2）：101-104.

[4]傅麗華，韓偉，趙琳，等. Cr3C2/Ni3Al復合材料耐磨性提高的機制分析[J]. 北京科技大學學報，2019，41（1）：117-123.

[5]李尚平，馮滌，駱合力. Cr3C2/Ni3Al表面耐磨堆焊材料的焊接性[J]. 焊接學報，2006（4）：21-24.

[6]黑鴻君，崔洪芝，董淑光，等. 反應合成Ni-Al金屬間化合物多孔材料的研究[J]. 新技術新工藝，2007（9）：83-85.

[7]陳亞楠，金云學，牛牧野，等. Ni3Al（Cr）合金室溫干滑動摩擦磨損性能研究[J]. 江蘇科技大學學報：自然科學版，2019（5）：18-26.

[8]陳翠欣，趙向東，方前，等. 激光熔覆Ni3Al/Cr3C2復合材料耐磨性能研究[J].稀有金屬材料與工程，2020，49（4）：288-294.

[9]岳錦濤，龐建明，趙琳，等. 激光直接沉積成形Ni3Al合金的裂紋分析[J]. 粉末冶金工業(yè)，2021，31（2）：6.