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(xué)機(jī)械工程學(xué)院 安徽 淮南 232000)

引言

磨損是機(jī)械設(shè)備的主要失效形式之一，它所造成的經(jīng)濟(jì)損失十分巨大，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的使用壽命。堆焊技術(shù)是利用堆焊設(shè)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(jié)構(gòu)及其顯微硬度，并將涂層的耐磨損性能與45#鋼進(jìn)行了對比。

一、實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

(一)實(shí)驗(yàn)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(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 TA2焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表3 QAl9-4焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表4 TC4鈦板母材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

(二)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括WSM7-500J/塑氬弧焊機(jī);MICROMET-6030的維氏硬度儀;NovaNanoSEM50型號(hào)的場發(fā)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(yàn)過程

(一)堆焊層制備。為了減少堆焊過程中產(chǎn)生的氧化現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)前對基體噴砂處理，然后將基體放入自制的氬氣保護(hù)箱中。實(shí)驗(yàn)時(shí)調(diào)節(jié)堆焊電流，堆焊電壓以及堆焊速度等工藝參數(shù)，制備成形較好的堆焊層。

(二)XRD分析。采用型號(hào)為 X′Pert Power衍射儀進(jìn)行物相分析(XRD)。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果采用 Jade5.0 軟件進(jìn)行分析，結(jié)合 PDF 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行物相檢索，最后采用Origin軟件處理結(jié)果并繪制曲線。

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

圖1 熔敷層截面示意圖

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

圖2 摩擦試驗(yàn)原理圖

三、結(jié)果與討論

(一)堆焊層的物相分析。圖3為堆焊層的XRD圖譜?？梢缘弥喝鄯髮釉谑覝叵聻锳lCu2Ti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(xiàn)階梯分布，熔敷區(qū)硬度>稀釋區(qū)硬度>基體硬度。進(jìn)計(jì)算，熔敷區(qū)硬度達(dá)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(qiáng)化作用。

圖4 室溫下堆焊層維氏硬度

四、結(jié)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(jié)構(gòu)致密，無氣孔及裂紋等缺陷，與基體實(shí)現(xiàn)了良好的冶金結(jié)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。