氩弧熔覆技术制备TiC-TiB2复合陶瓷涂层力学性能的研究.docx

氩弧熔覆技术制备TiCTiB2复合陶瓷涂层力学性能的研究 冷菊　李晓晨　魏贺　程汉池摘 要：采用以钨极为电极的氩弧熔覆技术，将钛铁粉、B4C粉为主要原料的合金粉末预置在钢基体表面熔覆，进而得到原位合成的TiC-TiB2复合陶瓷涂层采用正交试验优化氩弧熔覆工艺参数，通过布氏硬度仪、洛氏硬度仪检测耐磨涂层的硬度，使用磨损试验机测试涂层的耐磨性结果表明，TIG焊的最佳工艺参数为：电流强度145 A，氩气流量6 L/min，焊接速度120 mm/min；熔覆涂层表面及熔合线硬度明显高于基体，加入Cr、Ni等合金粉末，将提高复合材料熔覆涂层表面及熔合线附近区域的硬度；基体内并不含有硬质相以抵抗磨粒磨损，氩弧熔覆技术制备的陶瓷涂层能显著提高材料的耐磨性[1-4]关键词：氩弧熔覆；TiC-TiB2；陶瓷涂层；硬度1 引言金属的磨损与失效是零部件损坏的主要原因，其一般的损坏部分多集中在零件表面，因此对于金属表面的防护及修复成为提高产品使用效率、降低能源材料消耗的关键问题据不完全统计，我国每年因材料更换所引起的费用高达数千亿美元，其中以大中型零部件为主采用表面熔覆涂层不仅对金属表面进行了有效的防护，更增强了复合材料的硬度以及耐磨性，是一种经济环保、性能可靠的防護技术[5]。

目前，针对零部件表面的耐磨改性主要采用喷涂，等离子熔覆或激光熔覆等，它们都能在很大程度上对金属基体进行有效防护，但成本过高，不适合于工业生产[6]而采用氩弧熔覆技术的方法，应用的设备简单，操作方便，易于控制，在普通的金属基表面熔覆一层或多层稳定的复合涂层，不仅增强了金属表面的性能，更有效降低了成本熔覆过程中，陶瓷相的加入一般有两种途径，一是陶瓷相的直接加入，二是在金属基体上原位合成陶瓷相采用第二种原位合成的方法避免了直接加入而引起的裂纹、脱落等缺陷，得到的复合材料界面洁净、力学性能稳定，与金属基体结合良好本文研究的目的在于通过氩弧熔覆技术将涂覆于金属基体表面的合金粉末熔化，在基体表面原位合成Fe基TiC-TiB2复合陶瓷相涂层，进而探讨复合涂层的力学性能2 制备TiC-TiB2复合涂层工艺探究2.1原位自生合成技术原位自生合成技术应用于氩弧熔覆焊接之前，它是近年来发展起来的一种方法，一经应用便广受关注通过金属表面颗粒的影响进而增强复合材料的方法主要有两种：一种是通过外加颗粒，另一种即为原位自生合成通过外加的方法虽然使增强体与基体之间的自由度增大，但由于外加增强体在理化性质上存在一定的不相容性，使得工艺变得复杂，成本也相应增加。

而原位反应合成因其第二相与金属基体能够有理想的原位匹配，且界面无杂质对复合材料污染，所以能显著提高材料的热力学稳定性，改善材料界面的结合状态同时原位合成相对非原位合成能够有效简化工艺，降低操作难度，进而使得工艺成本显著下降[7]本文采取原位自生合成的方法，将所需的两种固态粉末与粉末状基体按照一定比例进行混合，操作过程中需将混合粉末进行充分压实，干燥去气，为生成增强体颗粒，需将干燥去气后的压坯块置于温度高于基体熔点的环境下快速加热，使得在熔体介质中的两种混合粉末发生放热反应，然后通过二次成型即挤压成型得到待焊接试样原位合成具有一系列能使复合材料具有良好性能的优点，它能避免第二相不均匀分散的问题，同时能够解决外加颗粒方法中未能避免的界面结合不牢、理化性质不相容等问题[8-9]2.2 氩弧熔覆技术2.2.1氩弧熔覆技术的基本原理氩弧熔覆是利用电弧电离加热所产生的热量将涂覆于金属表面的合金粉末熔化，以使得合金粉末涂层与金属基体呈牢固的冶金结合的技术氩弧熔覆技术所用电极为铈—钨极，其原理与采用金属钨做电极的原理相同，采用纯度为99.99%的工业氩气作为保护气，有效地保护了电极、熔覆区域以及金属基体，减少了有益成份的烧损以及在很大程度上避免了空气对熔覆过程中金属的有害影响[10]。

其原理示意图如图1所示2.2.2钨极氩弧焊工艺钨极氩弧焊（又称TIG焊），是在利用氩气作为保护气的条件下，以钨或其合金作电极对母材及复合材料进行电弧加热，以使其熔化焊接的技术，其间充填材可选择添加或不添加[11]焊接过程需要在一定热量下进行，钨极氩弧焊利用气体介质电离所产生的电弧热对材料进行熔化，此过程中阴极压降低，其在放电过程中，电流密度较大，因此加热速度较其他方法快，同时在局部发生融化后又以一定的速度冷却[11]电弧可分为三个区域，即电弧各自与电源正负两极相连所对应的阳极区、阴极区以及阴阳两极间的弧柱区热量的传递过程则包含辐射，对流以及热传递三种，热源与焊件之间的传递为辐射与对流，而母材受热后的热量传播则为热传递焊接时熔化的母材与焊接金属组成的具有一定形状的液体金属称之为熔池，它的形状，尺寸等参数对于熔池中的合金相以及冶金反应等有着重要的影响，同时熔覆过程中的缺陷均与熔池的形成有着不可分割的联系熔池产生主要有过渡期、准稳定期及之后的稳定阶段熔池形成初期称为过渡期，之后进入准稳定期，这期间熔池的形状、尺寸等均不再变化[12]其准稳定期形状如图2所示2.2.3 氩弧熔覆制备工艺的特点氩弧熔覆技术是一种性能优良，可有效保护熔覆过程的耐磨涂层制备工艺，其由于良好的应用性，在工业中的得到了很大程度的推广。

其优点主要有：在整个熔覆过程采用氩气进行保护，有效降低了烧损和氧化现象的发生；利用氩弧进行加热能有效利用热能，其热量集中，能加热大部分材料，虽温度不及激光束，但性能足以满足工业需求；成本较低，设备廉价且易于操作，工程中应用较广；熔覆过程可采用手工焊接，操作灵活，可在复杂环境条件下进行野外作业[13]在实际操作过程中，氩弧熔覆也存在如下不足：采用手工焊接过程中，如在野外进行操作，其受作业环境影响较大，氩弧熔覆易受气流影响，因此对于易蒸发或低熔点的金属焊接难度较大采用钨极作为保护电极时，其可负载的电流能力有限，致使焊接的速度以及焊缝的深度受到功率的影响，其结果是焊接速度较低且焊缝的熔深较浅但正是由于这一特点，此工艺适宜制备陶瓷耐磨涂层2.3研究内容与实验方法2.3.1研究内容（1）熔覆涂层的工艺设计及成分配比1）以钛铁粉、B4C粉为原料，通过计算设计出初步配比方案，对试验原料的配比进行分组，并分别进行均匀混合2）试验过程中，采用正交实验法以确定最佳的焊接参数，如氩气流量、焊接速度以及熔覆电流等，进而制备出符合实验要求的耐磨涂层2）熔覆涂层的性能测定与对比分析1）用布氏硬度计和洛氏硬度计分别对金属基体及耐磨涂层进行硬度测定，对比分析熔覆工艺对金属硬度的改善以及实验因素、参数对硬度的影响。

2）通过上述试验测定进而研究硬度等因素对复合材料耐磨性能的影响2.3.2实验方法首先，利用电子天平对原始粉末进行称量，其精度为0.001 g，配比粉末的总质量为10 g，然后将粉末置于研钵中进行混合，研磨均匀取适量合金粉末于培养皿中，用胶头滴管滴取少量水玻璃作粘结剂，并用玻璃棒搅拌均匀，搅拌过程中应特别注意粉末的干湿性，因为预敷在基体上的粉末材料过干则会使其不易涂刷，导致结合不牢固而在干燥过程中脱落，粉末材料过湿会使材料中存在间隙，进而在熔覆过程中产生气孔缺陷获得干湿性良好的粉末后，直接将其敷在基体表面上，两侧用洁净的钢锯条控制预敷材料的厚度为0.8 mm或1.2 mm，厚度不宜过厚或过薄，否则将影响焊接效果，然后用经酒精擦洗的玻璃板压实去气，使预敷材料表面平整洁净钢板两端要留出1 mm以上的空隙，以方便引弧操作將制备好的试样放在通风无水的环境中自然干燥12 h，然后放置在干燥箱中100℃烘干2 h，使预敷材料获得较高的强度，以抵抗熔覆时氩气流的冲击然后采用手持型钨极氩弧焊机作为氩弧熔覆设备，并选用直径为2.5 mm的钨极，适用于手弧焊接操作过程中注意对电流，氩气流速的调节以实现手动开关控制，同时及时对高频高压进行控制，以保证起弧的顺利完成。

3 熔覆涂层力学性能的探究3.1 熔覆涂层硬度测试硬度是反映材料强度、韧性等性能的主要标准，是检测综合性能的重要指标之一基体采用布氏硬度计测试，试验力14710 F/N，平均直径4.15，硬度测试结果如表1所示熔覆涂层表面采用洛氏硬度计进行测试，结果如表2所示试样断面熔合线采用洛氏硬度计进行测试，结果如表3所示合金粉末中加入5%的Cr、Ni粉末，熔覆涂层表面洛氏硬度及断面熔合线硬度分别如表4、5所示试验过程中，通过检测显示，采用熔覆电流为140 A，氩气流速为6 L/min所得到的试件硬度最佳，其显著高于基体的硬度3.2 熔覆涂层耐磨性试验中所用基体材料主要由铁素体及少量珠光体组成，其在磨粒磨损试验中失重较大，以此证明基体材料内并不含有硬质相以抵抗磨粒磨损熔覆电流对复合材料的耐磨性也有着重要影响，当电流为120～160 A时，其耐磨层性能较好，电流为140 A时，耐磨性能最佳[14]4 结论采用工业上常见的钛铁粉以及B4C粉末为主要原料进行预敷，以钨极氩弧焊产生的热量作熔覆热源，在Q235钢基体上原位自生TiC-TiB2复合陶瓷涂层，利用布氏硬度仪、洛氏硬度仪以及耐磨试验机等对涂层的力学性能进行了分析，得到的结论如下：（1）采用以钨极为电极的氩弧熔覆技术对Q235钢基体和其表面的预敷材料进行加热，所供给的热量足以满足热源要求，实验成功制备出与Q235基体呈现出良好冶金结合的TiC-TiB2复合陶瓷涂层[15-16]；试验过程中的电弧电流和焊接速度对预敷材料的熔化有较大影响。

氩弧熔覆的最佳工艺参数为：金属基体上预置的粉末涂层厚度为0.8～1.2 mm，熔覆电流145A～155 A，氩气流量选择为5.5～6 L/min，焊接速度为120 mm/min，电压则控制在20～22 V2）预敷钛铁粉及B4C混合粉末时，测得的熔覆涂层表面及熔合线硬度明显高于基体，加入Cr、Ni等合金粉末，将提高复合材料熔覆涂层表面及熔合线附近区域的硬度[17]；合适的电流大小及熔覆速度有益于得到硬度较高的复合材料，当熔覆电流为160 A时，随着电流的降低以及熔覆速度的提高，熔覆层的硬度逐渐增大，电流140 A时最佳3）Q235钢基体内并不含有硬质相以抵抗磨粒磨损，氩弧熔覆技术制备的陶瓷涂层能显著提高材料的耐磨性[18]参考文献[1] 王振廷，孟君晟，赵国刚. 氩弧熔覆原位自生TiC/Ni60A复合涂层的滑动磨损特性[J].粉末冶金技术，2008，26（3）：183-186.[2] X.H.Wang， S.L.Song， S.Y.Qu，et al. Characterization of in situ synthesized TiC particle reinforced Fe-based composite coatings produced by multi-pass overlapping GTAW melting process [J]. Surface&Coatings Technology，2007（201）：5899–5905.[3] L.Contreras， X.Turrillas， G.B.M.Vaughan，et al. Time-resovled XRD study of TiC-TiB2 composites obtained by SHS [J]. Acta Materialia， 2004（52）：4783-4790.[4] 张虎，高文理，张二林，等. Ti-54Al-xB合金中TiB2的形貌演变及生长机理[J]. 金属学报，2002，38（7）：699-702.[5] 李建林，曹广义，周勇. 高能球磨制备TiB2/TiC纳米。