利用JMatPro軟件進行合金覆層成分設(shè)計及回火工藝制定*

周立華

(成都理工大學 工程技術(shù)學院，四川 樂山 614000)

0 引 言

微束等離子熔覆加工技術(shù)是表面工程中應用廣泛的核心技術(shù)之一，該技術(shù)可以在鋼鐵零部件的表面熔覆一層性能優(yōu)異的合金涂層，對基體材料進行表面強化和保護，從而提高基體材料的使用壽命或修復破損部位以恢復使用功能，與目前我國提出的節(jié)約資源、建立環(huán)境友好型社會的目標一致，受到了相關(guān)科技工作者的廣泛關(guān)注[1]。比如，通過Mo/W 的固溶強化作用抑制 Fe 的自擴散來提高其再結(jié)晶溫度[2]；通過固溶強化與碳化物的彌散強化來實現(xiàn)合金材料熱強性的提升[3]；通過V元素形成的細小且長期穩(wěn)定的碳/氮化物沉淀與彌散強化，來提高合金材料的熱強性和蠕變性[4]；通過Cr元素的加入(注意Cr含量在大于 12%時會導致δ鐵素體的形成，從而削弱耐熱鋼的蠕變強度)來提升耐熱鋼的耐腐蝕性及高溫抗氧化腐蝕性等[5]。實際使用中，通過微束等離子熔覆加工技術(shù)獲得的合金覆層，由于熔覆工藝過冷度大，其淬火組織中通常含有一定體積分數(shù)的殘留奧氏體[6-10]，對其進行高溫回火，覆層內(nèi)部會出現(xiàn)碳化物析出，從而顯著提高覆層的硬度[11-15]。但由于覆層的高合金化與等離子熔覆工藝本身的性質(zhì)，通常需要大量的嘗試性實驗才能獲得穩(wěn)定的覆層顯微結(jié)構(gòu)與組織，并進行多組參照實驗才能確定適宜的回火工藝[16-17]。

JMatPro軟件是英國Sente Software公司開發(fā)的，一款功能強大的材料性能模擬軟件，可以用來計算金屬材料的多種性能，廣泛用于金屬材料的相圖計算和性能預測。經(jīng)過大量的實驗驗證，JMatPro軟件具有可靠的模擬計算準確性，其數(shù)據(jù)計算能力強大且操作簡便，確保了使用的方便和高效，夏云峰等[18-19]運用JMatPro軟件對4Cr5Mo2V鋼進行熱處理工藝參數(shù)的模擬計算，減少了大量的嘗試性工藝試驗，提高了工藝改進的效率。本文旨在通過JMatPro軟件對合金覆層進行設(shè)計和模擬計算，確定合金覆層的相組成成分并制定一系列的回火工藝，預測合金覆層的組織性能與回火硬度變化，從而為設(shè)計并制備高硬度、高回火穩(wěn)定性的合金覆層提供技術(shù)參考。

1 計算結(jié)果與分析

1.1 相組成分析

表1為實驗使用的合金覆層成分。從表1可以看出，合金覆層中主要包含Cr、Mo、W、V、C和Si等元素，含量分別為16.0%,1.5%,1.2%,0.5%,0.4%和0.2%(質(zhì)量分數(shù))。將表1中的合金覆層成分輸入到JMatPro軟件中對其進行熱力學計算，得到合金覆層組織的平衡相圖，如圖1所示。

表1 合金覆層成分

從圖1可以看出，該合金覆層在25 ℃室溫時，平衡相組織主要由79.73%F+6.37%M23C6+0.49%M2(C,N)+11.09%α-Cr+2.31%[Fe,Cr,W,Mo](Laves)相組成，合金覆層的奧氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間為975～1 182 ℃、固-液轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間為1 306～1 476 ℃，且在1 182～1 347 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)存在高溫鐵素體相。

圖1 合金覆層組織的平衡相圖Fig 1 Equilibrium phase diagram of alloy cladding structure

1.2 回火組織分析

利用JMatPro軟件，分別模擬該合金覆層在200，400和600 ℃狀態(tài)下進行回火，計算回火組織中各相體積百分比及其顆粒尺寸的變化情況，結(jié)果如圖2～4所示。從圖2可以看出，對合金覆層進行模擬200 ℃回火時，合金覆層中碳化物的種類、體積百分比、顆粒尺寸隨回火時間均無明顯變化，因而可以預見，對該合金覆層進行200 ℃回火，除了能消除內(nèi)應力外，對合金覆層的組織結(jié)構(gòu)與硬度均無太大的影響。

圖2 合金覆層200 ℃回火各相Fig 2 All phases of alloy coating tempered at 200 ℃

從圖3可以看出，當對合金覆層進行模擬400 ℃回火2 h后，以M2(C,N)型為主的碳化物開始少量析出，與此同時，M2(C,N)型碳化物開始長大，因而可以預見，對該合金覆層進行400 ℃回火2 h，合金覆層內(nèi)部碳化物的種類與數(shù)量將增加，一定程度上會提高合金覆層的硬度。

圖3 合金覆層400 ℃回火各相(a)體積百分比和(b)顆粒尺寸Fig 3 All phases of alloy coating tempered at 400 ℃

從圖4可以看出，對合金覆層進行600 ℃回火2 h后，合金覆層組織中將析出大量M7C3、M23C6以及M2(C,N)型碳化物，且除M2(C,N)型碳化物以外，其它類型的碳化物尚未明顯長大，因而可以預見，對該合金覆層進行600 ℃回火2 h，合金覆層內(nèi)部碳化物的種類與數(shù)量將急劇增加，合金覆層的硬度將會大幅度地提高。

圖4 合金覆層600 ℃回火各相(a)體積百分比和(b)顆粒尺寸Fig 4 All phases of alloy coating tempered at 600 ℃

2 實驗

2.1 實驗材料

實驗基體材料選用H13鋼，其尺寸為100 mm× 40 mm×8 mm，使用角磨機去除其表面氧化層并打平，之后用酒精棉球擦拭表面，以去除油污。

由于微束等離子焊接本身的特性，在合金覆層制備過程中，各元素存在一定的燒損現(xiàn)象。因而在制備合金覆層之前，先進行探索性實驗確定最佳的實驗參數(shù)并對實驗配方粉末的成分加以修正，確保使用微束等離子熔覆工藝后，得到的合金覆層的成分與設(shè)計成分一致。修正后的實驗配方粉末化學成分如表2所示。從表2可以看出，合金覆層中主要包含Cr、Si、C、Mo、W和V等元素，含量分別為26.55%,3.85%,2.55%,2.50%,2.00%和1.00%(質(zhì)量分數(shù))。

表2 修正后的試驗配方粉末化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

2.2 制備工藝

首先，將修正后的實驗配方粉末裝入行星球磨機(QP-ISP)，在100 r/min的轉(zhuǎn)速下進行混粉2.5 h；其次，將混合均勻的合金粉末在80 ℃溫度下進行烘干，時間為1 h；然后，將烘干的合金粉末倒入自動送粉器中待用；最后，采用微束等離子熔覆工藝對合金粉末經(jīng)行熔覆，焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表3 焊接工藝參數(shù)表

2.3 測試方法

使用線切割機對合金覆層試板進行加工，制備合金覆層金相試樣、XRD試樣和回火試樣。其中，金相試樣經(jīng)酚醛樹脂鑲嵌、砂紙磨制、SiC 水溶液拋光、10%硝酸酒精腐蝕后，用無水酒精棉球擦拭、 干燥；XRD試樣進行磨制、拋光；回火試樣使用金相砂紙磨平即可。

采用數(shù)顯顯微硬度計(HX-1000TM /LCD)測試合金覆層回火后的顯微硬度(5點取平均值)；采用轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀(D/MAX-RB型)研究合金覆層的相組成(30～100°)；采用電子探針顯微分析儀(JXA-8230/INCAX-ACT型)觀測背散射電子相(COMPO，×1 000)并分析其微區(qū)成分(EDS)；采用箱式節(jié)能電阻爐(XMT-5000 型)對樣品進行200，400和600 ℃回火實驗。

3 結(jié)果與討論

3.1 合金覆層顯微組織及相組成分析

圖5為合金覆層回火前后的顯微組織形貌，圖6為合金覆層回火前后的XRD衍射分析圖。

從圖5(a)可以看出，回火前，合金覆層組織結(jié)構(gòu)主要由板條狀的馬氏體基體內(nèi)包含團狀的珠光體組織構(gòu)成。由于微束等離子熔覆技術(shù)的特征，在合金覆層制備的過程中存在較大的過冷度，且合金覆層冷卻速度不均勻，冷卻速度較快的區(qū)域形成了典型的板條馬氏體組織；而冷卻速度較慢的區(qū)域則出現(xiàn)了趨于平衡結(jié)晶的珠光體組織。結(jié)合圖6(a)可知，回火前合金覆層內(nèi)部主要由Fe、Cr、W、[Fe,Cr]固溶體以及Cr7C3碳化物構(gòu)成。

圖5 合金覆層回火前后的的顯微組織(OM)Fig 5 Microstructure of alloy coatings before and after tempering

從圖5(b)和6(b)可以看出，經(jīng)過200 ℃回火，合金覆層內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)及相組成均無明顯變化。從圖5(c)和6(c)可以看出，經(jīng)過400 ℃回火，合金覆層組織內(nèi)部開始有少量MC型特殊碳化物析出，一定程度上對晶粒起到了打斷、隔離的作用，晶界周圍逐漸呈現(xiàn)不連續(xù)的網(wǎng)狀分布。從圖5(d)和6(d)可以看出，經(jīng)過600 ℃回火，合金覆層組織內(nèi)部析出大量MC、M2C型特殊碳化物, 碳化物晶界面積增大，之前不連續(xù)的網(wǎng)狀分布發(fā)展為連續(xù)、密集的蛛網(wǎng)狀分布，覆層內(nèi)部整體呈現(xiàn)出更為細小、均勻的組織形態(tài)。

3.2 合金覆層成分分析

采用電子探針對回火前后覆層組織中不同區(qū)域進行元素分析，圖7為合金覆層回火前后背散射電子圖像，表4為合金覆層整體及微區(qū)成分測試。

圖6 合金覆層回火前后的XRD衍射分析圖Fig 6 XRD diffraction patterns of alloy coatings before and after tempering

從圖7(a)和表4可以看出，合金覆層回火前，圖中A區(qū)域相較合金覆層整體，C、Si元素含量相對較高、Cr元素含量相對較低，可以推測在凝固時趨近于平衡結(jié)晶；B區(qū)域Cr元素含量較高、C元素含量相對較低，因而在凝固時冷卻速度較快，呈現(xiàn)出典型的板條馬氏體組織；C區(qū)域W、Si元素含量相對較高，可以推測這是由于該類元素熔點較高，加之微束等離子熔覆能力較低，未充分熔融所致。從圖7(b)和表4可以看出，600 ℃回火后，合金覆層內(nèi)部C、Cr、Si元素的分布無明顯變化，Mo、W、V等改性元素向D區(qū)域聚集。結(jié)合XRD分析，這是由于該區(qū)域在600 ℃回火時析出的MC、M2C型特殊碳化物所致。

圖7 合金覆層回火前后背散射電子圖像Fig 7 Backscattered electron images of alloy coatings before and after tempering

表4 合金覆層整體及微區(qū)成分測試

由表4可知，對合金覆層的組織進行面掃，以分析整體和局部區(qū)域的成分，結(jié)果表明，修正后的配方粉末經(jīng)微束等離子熔覆后得到的合金覆層中的各元素成分與設(shè)計并利用JMatPro軟件計算的合金成分基本一致。

3.3 合金覆層回火前后顯微硬度分析

圖8為合金覆層在回火前和200，400，600 ℃回火后顯微硬度的變化情況。結(jié)合JMatPro軟件模擬結(jié)果分析，由圖8可知，合金覆層回火前硬度為452 Hv0.1，經(jīng)200 ℃回火2 h后，合金覆層內(nèi)部相組成成分與碳化物顆粒大小無明顯變化，因而覆層整體硬度無明顯變化，為463 Hv0.1；經(jīng)400 ℃回火2 h后，合金覆層內(nèi)部析出M7C3型與部分MC型特殊碳化物，導致覆層硬度上升，達到512 Hv0.1；經(jīng)600 ℃回火2 h后，合金覆層內(nèi)部析出大量M7C3型、MC型與M2C型特殊碳化物，且碳化物晶界面積增大，連續(xù)網(wǎng)狀分布趨勢增強，覆層內(nèi)部整體呈現(xiàn)出更為細小、均勻的組織形態(tài)，合金覆層硬度顯著提升，達到569 Hv0.1。

圖8 合金覆層回火前后顯微硬度變化Fig 8 Change of microhardness of alloy coatings before and after tempering

4 結(jié) 論

(1)利用JMatPro軟件對高溫合金覆層進行模擬，得到了合金覆層在不同回火溫度下的相組成成分、以及不同回火溫度下合金覆層的組織變化情況，從而得出合金覆層的硬度變化情況，減少了大量工藝試驗，提高了工藝改進的效率。

(2)該合金覆層室溫平衡組織主要為鐵素體、M23C6、[Fe,Cr]固溶體以及M2(C,N)型碳化物等，結(jié)合覆層組織形貌與XRD物相分析圖譜檢測分析，600 ℃回火后，合金覆層內(nèi)部析出大量M7C3、MC、M2C型碳化物。

(3)與JMatPro軟件模擬結(jié)果一致，經(jīng)200 ℃回火2 h后，合金覆層組織分布與顯微硬度均無明顯變化，顯微硬度為463 Hv0.1，經(jīng)600 ℃回火2 h后，覆層內(nèi)部呈現(xiàn)連續(xù)、致密的網(wǎng)狀分布，MC、M2C型特殊碳化物在合金覆層內(nèi)部彌散析出，致使合金覆層內(nèi)部組織更加細小、致密，合金覆層整體硬度顯著提升約25.88%，達到569 Hv0.1。