電弧熔敷用高熵合金粉芯絲材熔敷層的摩擦磨損行為

彭勇　衛(wèi)寧　張揚(yáng)　張文杰　鄧瑤　李小平

摘要：通過研究電弧熔敷不銹鋼高熵合金粉芯絲材在不同摩擦條件下的摩擦磨損行為，為實(shí)現(xiàn)電弧現(xiàn)場(chǎng)快速修復(fù)和成形在耐磨性能方面提供可靠的保證。將高熵合金組成的 Fe、Co、Ni、Cu四種金屬元素以粉末按等原子比制成不銹鋼高熵合金粉芯絲材，通過電弧熔敷方式熔敷在不銹鋼表面。采用Nanovea Tribometer摩擦磨損儀和Nanovea PS50表面輪廓儀測(cè)試和分析焊道表面的耐磨性。高熵合金以FCC相不均勻散布在不銹鋼焊層中，焊道耐磨損性能高于不銹鋼基材，焊道磨損體積和磨損率均比基材及308粉芯焊絲降低30%，高熵合金的FCC相對(duì)不銹鋼耐磨性能有強(qiáng)化作用。隨著磨損載荷和速率的增加，高熵合金焊道的摩擦系數(shù)均逐漸降低，磨痕的深度、寬度、磨損體積均在增加;在當(dāng)載荷為2 N、4 N，磨損速率為100 r/min、200 r/min時(shí)，焊層的耐磨性是不銹鋼基材及JQ-308不銹鋼粉芯絲材的1.5倍，主要表現(xiàn)為磨粒磨損和粘著磨損;當(dāng)載荷為6 N、8 N，速率為300 r/min、400 r/min時(shí)，焊層的耐磨性是不銹鋼基材及JQ-308不銹鋼粉芯絲材的2倍，主要表現(xiàn)為粘著剝落磨損。將性能優(yōu)異的高熵合金應(yīng)以粉芯方式應(yīng)用于電弧熔敷中，可實(shí)現(xiàn)實(shí)際環(huán)境下關(guān)鍵零部件現(xiàn)場(chǎng)電弧快速修復(fù)或表面強(qiáng)化。

關(guān)鍵詞：高熵合金;粉芯絲材;不銹鋼;電弧熔敷;摩擦磨損

中圖分類號(hào)：TG422.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）01-0034-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.05

0 前言

高熵合金是多種合金元素按等原子比合成的一種新型合金材料[1]。相比于傳統(tǒng)的單主元或雙主元合金，多主元使其具有高熵效應(yīng)，且原子不易擴(kuò)散，形成的結(jié)構(gòu)簡單、不易形成金屬間化合物，這使得高熵合金具有優(yōu)異的耐磨性和塑性[2-6]。Sajid

Alvi[7]等人采用放電等離子體燒結(jié)法制備了一種 CuMoTaWV高熵合金復(fù)合材料進(jìn)行研究，結(jié)果表明其由常溫到高溫的耐磨適應(yīng)性良好。根據(jù)合成金屬元素的主元組成不同，其各方面性能有著明顯的差異，這使得高熵合金有著重要的應(yīng)用[8-9]。

粉芯絲材（Cored wire）也稱管狀絲，根據(jù)所需選擇金屬外皮和配置內(nèi)部粉芯。金屬外皮主要選擇塑性較好的低碳鋼帶或者其他合金或金屬帶[10-11]。S. Krishnan[12]等研究金屬藥芯焊絲P91鋼埋弧焊，結(jié)果表明使用金屬藥芯焊絲可使焊接速度提高20%，與實(shí)心焊絲相比，焊絲沉積率提高42%，使用金屬芯填充焊絲對(duì)中高厚度P91鋼進(jìn)行脈沖電流氣體保護(hù)金屬電弧焊可提供更高的沉積速率和焊接速度，并增強(qiáng)焊縫性能[12]。粉芯部分可根據(jù)設(shè)計(jì)需要選擇各種金屬合金、氧化物、碳化物、陶瓷等粉末按比例混合后作為填充物。粉芯絲材兼具實(shí)心絲材和粉末的優(yōu)點(diǎn)，拔絲容易，并且使不導(dǎo)電的粉末材料也能應(yīng)用于電弧熔敷或電弧的對(duì)焊[13]。

近年來，粉芯絲材得到越來越多的運(yùn)用與開發(fā)，如王照峰[14]等研制FeCrNi/WC粉芯絲材，得到的涂層綜合力學(xué)性能優(yōu)異，具有較高的結(jié)合強(qiáng)度、高致密度、較好的耐熱震性能和耐磨損性能。G.N.Sokolov等研究了GMAW工藝（將焊條分成兩根，焊條振動(dòng)，并用填充焊絲冷卻焊池金屬），減少了電弧對(duì)納米顆粒的熱影響，并改善了其向固化金屬的質(zhì)量轉(zhuǎn)移具有細(xì)晶粒的復(fù)合金屬在成核中心的影響下以TiCN納米粒子簇的形式形成。在焊池中引入具有超分散TiN顆粒的填充藥芯焊絲，可提高熔敷金屬的電阻Fe-C-Cr-Mo-Ni-B系統(tǒng)對(duì)500 ℃的磨料磨損的影響[15]。而粉芯絲材在電弧應(yīng)用主要在電弧噴涂，在電弧熔敷中的應(yīng)用較少。研究將高熵合金作為粉芯、以不銹鋼為基材制成新型高熵合金粉芯絲材，通過電弧熔敷在不銹鋼表面，對(duì)其耐磨性和磨損機(jī)制進(jìn)行研究。從材料角度將性能優(yōu)異的高熵合金應(yīng)用于電弧熔敷中，為各種實(shí)際環(huán)境下的現(xiàn)場(chǎng)電弧快速修復(fù)提供了一定的應(yīng)用意義。

1 試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以Fe粉（80～100目），Co粉（80～100目），Ni粉（80～100目），Cu粉（80～100目）以原子比1∶1的比例混合，在行星式球磨機(jī)中干磨30 min，磨制均勻，真空干燥24 h制成絲材粉芯。以308不銹鋼帶為基材，用U型槽圈絲法的傳統(tǒng)制絲方式制成直徑1.2 mm的高熵合金粉芯絲材，其中高熵合金粉芯填充量為25.5%。

采用ESAB逆交式氬弧焊機(jī)，絲材焊接示意如圖1所示。在308不銹鋼基板上進(jìn)行單道焊接，采用直流連續(xù)送絲的TIG焊，鎢極直徑6 mm。在焊接電流120～200 A、焊接速度10～20 cm/min、送絲速度150～200 cm/min，焊接角度30°～60°區(qū)間進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。無焊接質(zhì)量缺陷參數(shù)如表1所示。

采用Nanovea Tribometer微型摩擦磨損試驗(yàn)儀在室溫下測(cè)試不銹鋼基材和高熵合金焊層的耐磨性能，試樣尺寸15 mm×10 mm×5 mm，摩擦表面經(jīng)過打磨拋光，干摩擦條件下摩擦偶件為高鉻剛軸承鋼球，直徑6 mm，采用往復(fù)式磨損方式，摩擦長度10 mm。采用不同的載荷（2 N、4 N、6 N、8 N）、不同的轉(zhuǎn)速（100 r/min、200 r/min、300 r/min、400 r/min）和時(shí)間5 min對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試。采用顯微鏡和掃描電鏡分析摩擦磨損后的三維形貌與磨損形貌。

采用HD-XpretPRO型X射線衍射儀分析高熵合金焊道的物相組成。采用SIGMA 500場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡分析磨損后表面形貌，倍率分別為200倍和1 500倍。采用X射線能譜儀對(duì)高熵合金焊道表面進(jìn)行元素分析，通過面掃描方法觀察表面元素分布及含量。

由于高熵合金焊絲焊接時(shí)粉芯合金并非均勻散布在焊道中，不同位置密度并不相同，采用質(zhì)量損失的方法誤差較大，因此選擇采用輪廓儀計(jì)掃描表面輪廓計(jì)算磨損體積的方法作為測(cè)試磨損率的標(biāo)準(zhǔn)。掃描參數(shù)為：掃描區(qū)域2 mm×2 mm，步長10 μm，掃描速度3.33 mm/s。試樣的磨損率為

2 結(jié)果與討論

2.1 高熵合金焊絲焊道物相分析

高熵合金焊絲焊道物相分析如圖2所示。由圖2可知，高熵合金焊絲焊道合金表面存在兩種簡單相——高熵合金FCC相和不銹鋼相，且兩相強(qiáng)度相差較小。根據(jù)Jade軟件分析，采用謝樂公式[式（3）]計(jì)算得出：不銹鋼相晶粒尺寸為26.6 nm，F(xiàn)CC相晶粒尺寸為24.8 nm。可見不銹鋼和FCC相強(qiáng)度基本一致，晶粒大小均勻。

對(duì)焊道表面進(jìn)行EDS分析，如圖3所示?？梢钥闯觯饘俸辖鹪鼗揪鶆蚍植荚诤傅辣砻?，不銹鋼本身具有的Fe、Cr元素較為富集，而粉芯添加的其他金屬元素含量比較平均，燒損量相對(duì)較低且氧含量較少，說明高熵合金粉芯在焊接過程中燒損量不大，并能穩(wěn)定地在焊層中形成固溶體。

對(duì)高熵合金焊道截面進(jìn)行金相分析。腐蝕液采用硝基鹽酸（3HCl·HNO3），是濃鹽酸（HCl）和濃硝酸（HNO3）按體積比為3∶1組成的混合物，其高熵合金焊層顯微組織如圖4所示，其中圖4a、4b為腐蝕時(shí)間20 s的金相組織，可以看出基材為簡單的奧氏體，但是焊層并未顯示明顯的組織結(jié)構(gòu)。腐蝕5 min后得到焊層組織結(jié)構(gòu)如圖4c、4d所示，可以明顯看出焊層大部分為片狀珠光體，其中包裹簡單FCC相，且不均勻地分布在焊層中。

2.2 高熵合金焊絲、不銹鋼基材及常用JQ-308粉芯絲材的摩擦性能

對(duì)基材、高熵合金焊道及常用JQ-308粉芯絲材焊道進(jìn)行不同載荷的磨損實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。在不同載荷下，高熵合金焊道的磨損體積和磨損率都低于基材，降低幅度為30%，磨損寬度和磨痕最大深度均有所降低。這說明高熵合金粉芯在熔敷過程中的高熵合金相提高了表面的塑性，提高了耐磨性能，分布于焊層中的高熵合金相對(duì)不銹鋼有強(qiáng)化作用。

根據(jù)基材和高熵合金焊道磨損結(jié)果分析，在載荷6 N、摩擦速率200 r/min下的磨損結(jié)果穩(wěn)定準(zhǔn)確，以上述參數(shù)為例說明基材和高熵合金焊道在磨損行為上的差異，測(cè)得的摩擦系數(shù)如圖6所示，可以明顯看出，不銹鋼基材的摩擦系數(shù)略大于高熵合金絲材，且基材在摩擦2 min后摩擦系數(shù)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，而高熵合金絲材摩擦系數(shù)基本趨于穩(wěn)定，平均為0.52。而常用不銹鋼粉芯絲材摩擦系數(shù)較為穩(wěn)定，平均為0.39。摩擦剖面圖如圖7所示，不銹鋼基材和高熵合金絲材焊道的耐磨性測(cè)試結(jié)果如表2所示。

不銹鋼基材和高熵合金絲材焊道的磨痕SEM圖如圖8所示。

可以看出，在6 N、200 r/min摩擦參數(shù)下，不銹鋼基材的表面發(fā)生了嚴(yán)重的磨粒磨損，不銹鋼表面材料在鋼球摩擦下呈顆粒狀大量剝離（見圖8b中A區(qū)域），且不均勻地分布在摩擦表面和基材表面，從而加劇了磨損，也導(dǎo)致摩擦系數(shù)出現(xiàn)不均勻的波動(dòng)。而高熵合金絲材焊道表面并沒有出現(xiàn)大量的磨粒，反之出現(xiàn)細(xì)小的犁溝，表面材料發(fā)生輕微的材料轉(zhuǎn)移，隨著摩擦的進(jìn)行，材料粘著的加強(qiáng)使得材料表面出現(xiàn)一定的平滑區(qū)域（見圖8d中B區(qū)域）[16]?？梢娫诓讳P鋼中加入高熵合金，在焊接過程中形成的高熵合金簡單的FCC相對(duì)不銹鋼表面有一定的強(qiáng)化作用，在相同的摩擦參數(shù)下，減緩了材料表面的剝離，加強(qiáng)了材料的結(jié)合力。

2.3 磨損載荷和磨損速率對(duì)高熵合金焊道耐磨性能的影響

取高熵合金焊道試樣在摩擦速率200 r/min、摩擦?xí)r間5min條件下不同磨損載荷的摩擦系數(shù)如圖9a所示。由圖9a可知，在不同載荷下，試樣的摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)基本相同，當(dāng)加載力為2 N時(shí)，摩擦系數(shù)平均約為0.71;當(dāng)加載力為8 N時(shí)，摩擦系數(shù)平均約為0.52。隨著加載力的增大，摩擦系數(shù)逐漸降低，但是降低程度相對(duì)較小，當(dāng)加載力為6 N和8 N時(shí)，摩擦系數(shù)變化很小。高熵合金焊道在加載力6 N、摩擦?xí)r間5 min的條件下，不同磨損速率的摩擦系數(shù)如圖9b所示?？梢钥闯?，試樣的摩擦系數(shù)很快趨于穩(wěn)定，并且隨著摩擦速率的增加，摩擦系數(shù)逐漸下降，摩擦速率為100 r/min時(shí)，平均摩擦系數(shù)為0.58;當(dāng)摩擦速率為400 r/min時(shí)，平均摩擦系數(shù)為0.33。

不同載荷的磨損測(cè)試結(jié)果如表3所示，隨著加載力的增大，磨痕寬度和深度都隨之增大，使得試樣的磨損體積和磨損率都隨之增加。這是由于加載力的增大增加了磨損過程中摩擦鋼球?qū)Σ牧媳砻娴那邢髯饔茫龃罅瞬牧献冃瘟亢娃D(zhuǎn)移量，從而導(dǎo)致材料的磨損體積增大。不同磨損速率的測(cè)試結(jié)果如表4所示，可以看出，隨著磨損速率的增加，磨痕的深度、寬度、磨損體積都在增加。由于在相同時(shí)間內(nèi)，摩擦偶對(duì)試樣表面的摩擦次數(shù)增加，表面材料被反復(fù)轉(zhuǎn)移而出現(xiàn)裂紋并剝落，也使得磨損率隨著摩擦速度的增加而增加。

不同載荷下的高熵合金焊絲焊道的磨損形貌的SEM圖片如圖10所示?？梢钥闯?，隨著加載力的增大，磨痕寬度不斷增大。當(dāng)加載力較小時(shí)，材料表面只是產(chǎn)生細(xì)微的磨粒散布在材料表面。隨著加載力的增大，磨粒在摩擦球壓應(yīng)力作用下粘著在材料表面，并隨著摩擦的進(jìn)行不斷地堆積增厚，所以加載力的不同對(duì)材料磨損情況影響較大[17-18]。磨損速率較低時(shí)，隨著加載速率的增加，部分黏著層不斷增厚。當(dāng)速度增加到300～400 r/min時(shí)，堆積過高的黏著層由于高頻率的切削作用，表面開始出現(xiàn)裂紋，并且開始剝離試樣表面。說明試樣表面的磨損機(jī)制和磨損速率存在密切關(guān)系，當(dāng)速度較低時(shí)磨損機(jī)制表現(xiàn)為粘著磨損，當(dāng)磨損速率較大時(shí)則表現(xiàn)為剝落磨損[19-21]。

3 結(jié)論

（1）以308不銹鋼為基材，由Fe、Co、Ni、Cu四種合金元素按原子比1∶1制成的高熵合金粉芯絲材，通過電弧熔敷在不銹鋼表面得到高熵合金焊道，高熵合金以簡單的FCC相不均勻散布在不銹鋼焊層中，焊道耐磨損性能高于不銹鋼基材，焊道磨損體積和磨損率較基材降低30%，研究表明高熵合金的FCC相對(duì)不銹鋼耐磨性能有強(qiáng)化作用。

（2）通過對(duì)高熵合金焊道的磨損實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)載荷為2 N、4 N，磨損速率為100 r/min、200 r/min時(shí)，焊層的耐磨性是不銹鋼基材及常用不銹鋼粉芯絲材的1.5倍，主要表現(xiàn)為磨粒磨損和粘著磨損，當(dāng)載荷為6 N、8 N和速率為300 r/min、400 r/min時(shí)，焊層的耐磨性是不銹鋼基材及常用不銹鋼粉芯絲材的2倍，主要表現(xiàn)為剝落磨損。

（3）將高熵合金組成的金屬元素按等原子比制成高熵合金粉芯絲材并通過電弧的方式熔敷在不銹鋼表面。從材料角度將高熵合金應(yīng)用于電弧熔敷中，通過粉芯絲材方式將性能優(yōu)異的高熵合金應(yīng)用于不同的電弧場(chǎng)所，為實(shí)現(xiàn)電弧現(xiàn)場(chǎng)快速修復(fù)提供了可靠保證。

參考文獻(xiàn)：

[1] 溫曉燦，張凡，雷智鋒，等. 高熵合金中的第二相強(qiáng)韌化[J]. 中國材料進(jìn)展，2019，38（3）：242-250.

[2] JULIUSZ D，MAREK Z，WITOLD K，et al. Demystifying the sluggish diffusion effect in high entropy alloys[J]. Journal of Alloys and Compounds，2019（783）：193-207.

[3] 彭竹琴，李俊魁，盧金斌，等. 稀土CeO2對(duì)AlCoCuFeMnNi高熵合金組織與性能的影響[J]. 材料工程，2018，46（8）：91-97.

[4] YE Y F，WANG Q，LIU C T，et al. High-entropy alloy：challenges and prospects[J]. Materials Today Volume，2016，19（6）：349-362.

[6] 李美艷，張琪，韓彬，等. 多主元高熵合金組織性能及塑性變形的研究進(jìn)展[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào)，2019，40（1）：1-8.

[7] SAJID A，F(xiàn)ARID A. High temperature tribology of CuMo-TaWV high entropy alloy[J]. Wear，2019（426-427）：412-419.

[8] X FU，C A SCHUH，E A OLIVETTI. Materials selectionconsiderations for high entropy alloys[J]. Scripta Materialia，2017（138）：145-150.

[9] C MATHIOU，A POULIA，E GEORGATIS，et al. Microst-ructural features and dry-Sliding wear response of MoTa-NbZrTi high entropy alloy[J]. Materials Chemistry and Ph-ysics，2018（210）：126-135.

[10] 黃林兵，余圣甫，鄧宇，等. 電弧噴涂粉芯絲材的研究進(jìn)展與應(yīng)用[J]. 材料導(dǎo)報(bào)，2011（3）：63-65.

[11] 劉政軍，賈華，李萌. 自保護(hù)藥芯焊絲堆焊原位合成TiB2-TiC顆粒對(duì)堆焊合金組織性能的影響[J]. 材料工程，2018，46（7）：106-112.

[12] S Krishnan，D V Kulkarni，A De. Pulsed current gas metalarc welding of P91 steels using metal cored wires[J]. Jou-rnal of Materials Processing Technology，2016（229）：826-83.

[13] CHU Q L，ZHAN M，LI J H，et al. Experimental investig-ation of explosion-welded CP-Ti/Q345 bimetallic sheet filled with Cu/V based flux-cored wire[J]. Materials and Design，2015（67）：606-614.

[14] 王照鋒，彭偉，秦文平. 高速電弧噴涂FeCrNi/WC粉芯絲材的研制與性能研究[J]. 表面技術(shù)，2006，35（5）：17-25.

[15] G N Sokolov，I V Zorin，A A Artem’ev，et al. Thermal and wear-resistant alloy arc welding depositions using compo-site and flux-cored wires with TiN，TiCN and WC nanop-articles[J]. Journal of Materials Processing Technology，2019（272）：100-110.

[16] BAI X，JIN Y X，LU X，et al. Friction and wear performance of in-situ （TiC+TiB）/Ti6Al4V composites[J]. Rare Metal Materials and Engineering，2018（12）：3624-3628.

[17] 周陳新，羅明軍，李樂樂，等. TiB2鋼結(jié)硬質(zhì)合金摩擦磨損行為[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào)，2018，39（8）：114-121.

[18] JOEL V，YU J，TAPANI A P，et al. Adhesive friction and wear of micro-pillared polymers in dry contact[J]. Polymer Testing，2019（73）：258-267.

[19] 周仲炎，莊宿國，楊霞輝，等. Ti6Al4V合金激光原位合成自潤滑復(fù)合涂層高溫摩擦學(xué)性能[J]. 材料工程，2019，47（3）：101-108.

[20] MOSTAFA A. Microstructure，wear and friction behavior of nanocomposite materials with natural ingredients[J]. Trib-ology International，2019（13）：184-190.

[21] AKBARPOUR M R，ALIPOUR S. Wear and friction pro-perties of spark plasma sintered SiC/Cu nanocomposites[J].Ceramics International，2017（43）：13364-13370.