不同溫度對等離子熔覆Fe3AI金屬間化合物的影響

朱冬妹，王惜寶，熊亮同，王毅飛

(1.北京星航機(jī)電設(shè)備廠，北京100074；2.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072；3.空軍駐京西地區(qū)軍事代表室，北京100074)

不同溫度對等離子熔覆Fe3AI金屬間化合物的影響

朱冬妹1，2，王惜寶2，熊亮同1，王毅飛3

(1.北京星航機(jī)電設(shè)備廠，北京100074；2.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072；3.空軍駐京西地區(qū)軍事代表室，北京100074)

針對等離子熔覆產(chǎn)生Fe3Al金屬間化合物過程中，不同板材溫度對熔覆過程中的表面質(zhì)量、組織形態(tài)及影響規(guī)律進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)隨著熔覆過程中溫度的增加，熔覆層顆粒越來越細(xì)小，熔覆層組織中的Fe3Al晶須的數(shù)量和大小有所增加。并通過熔覆層硬度分析得出板材溫度控制在80℃時組織維氏硬度能達(dá)到鐵基的1.67倍。

板材溫度；等離子熔覆；Fe3Al

0 前言

Fe3Al金屬間化合物具有密度低、強(qiáng)度和彈性模量高、抗氧化、抗硫化、耐熱腐蝕，耐磨損等一系列優(yōu)異的性能特點(diǎn)。金屬間化合物由于原子間金屬鍵與共價鍵的共存性，使其可能具有金屬和陶瓷的性能特點(diǎn)，作為高技術(shù)結(jié)構(gòu)材料，F(xiàn)e3Al金屬間化合物近年來成為材料研究最活躍的領(lǐng)域之一[1-2]。

為了進(jìn)一步提高Fe3Al金屬間化合物的機(jī)械性能，國內(nèi)已經(jīng)開展了等離子熔覆等方法制備Fe3Al金屬間化合物，等離子弧心部溫度可達(dá)104K，是實(shí)現(xiàn)材料表面熔覆的一種經(jīng)濟(jì)靈活的熱源。在此研究了不同板材溫度下等離子熔覆過程中的組織形態(tài)及其影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)采用的試板為200 mm×40 mm×8 mm的Q235鋼板，鋼板表面采用噴砂進(jìn)行除銹處理。除銹處理后用φ3.0 mm的純鋁絲經(jīng)過電弧噴涂在鋼板表面制備成厚度約100 μm的鋁層。然后利用等離子弧對涂鋁層表面進(jìn)行重熔處理，通過鐵基和鋁層之間的高溫冶金反應(yīng)，在熔覆過程中原位合成Fe-A1金屬間化合物。等離子弧熔覆參數(shù)如表1所示。

把上述試驗(yàn)條件下的熔覆合金制成金相試樣。分別在金相顯微鏡、掃描電鏡下觀察其組織結(jié)構(gòu)，并采用X射線衍射方法對合金層塊狀平面試樣進(jìn)行物相鑒定，分析不同板材溫度條件下等離子熔覆Fe3Al合金層的組織結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)。

表1 熔覆過程中不同溫度下的等離子熔覆實(shí)驗(yàn)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 熔覆合金層的相構(gòu)成

金相顯微鏡下等離子熔覆合金層由粗大的柱狀晶構(gòu)成，這與激光熔覆和手弧堆焊條件下的組織形態(tài)有相似之處[3-4]。表面看粗大柱狀晶內(nèi)有第二相析出，而且第二相的多少形成了粗大晶粒之間的明暗差異(采用醋酸硝酸水溶液腐蝕劑，其中CH3COOH 25 ml、HNO315 ml、HCL 15 ml、H2O 5 ml)，觀察圖1的金相組織可看到，晶粒之間有明暗差異。能譜分析結(jié)果表明，明暗程度不同的粗大柱狀晶之間的針狀物和晶界之間成分沒有差異。

圖1醋酸硝酸水溶液腐蝕劑的顯微組織

圖2 為較高倍率下柱狀晶團(tuán)內(nèi)部組織的掃描電鏡像。由圖2可知，這些晶粒盡管大小不等，形貌看似不同，實(shí)際均為板條狀形態(tài)。造成柱狀晶團(tuán)之間明暗差異的主要原因可能是各個柱狀晶團(tuán)內(nèi)部的板條晶的數(shù)量差異。為進(jìn)一步檢測熔覆層物相構(gòu)成，對熔覆層平面試樣進(jìn)行X衍射物相分析，衍射試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，熔覆合金層主要相是鐵鋁金屬間化合物Fe3Al、FeAl、α-Fe相以及Al2O3。由EDS分析可知，涂層的平均Al含量為17%(原子分?jǐn)?shù))。從Fe-Al二元和金相圖可以看出(見圖4)，當(dāng)Al含量為17%(原子分?jǐn)?shù))時，熔體凝固后在高溫時的穩(wěn)定相為α-Fe固溶體，隨著溫度的降低，將發(fā)生α-Fe→ FeAl→Fe3Al由無序到有序的轉(zhuǎn)變[5]。在等離子熔覆條件下，由于熔滴內(nèi)部的合金化不均勻，使FeAl→Fe3Al的轉(zhuǎn)變受到抑制，從而導(dǎo)致室溫下涂層中Fe3Al、FeAl與α-Fe相同時存在。同時熔覆表面還有少量的Al2O3，這主要是涂層表面的鋁被氧化，Al2O3的生成使表面形成了Fe3Al金屬間化合物—A12O3陶瓷涂層，增大了表面的耐磨性。

圖2 熔覆層SEM

圖3 熔覆表面X-射線衍射圖譜

圖4 Fe-Al二元和金相圖[6]

2.2 不同板材溫度對等離子熔覆表面質(zhì)量的影響

為了研究熔覆層表面成型與溫度之間的關(guān)系，熔覆過程中采用不同的溫度20℃(室溫)、80℃、190℃，在已經(jīng)噴涂好的樣板上進(jìn)行等離子熔覆。然后使用顯微圖像測量儀CF-2000C型對熔覆后的試板進(jìn)行表面成型分析，如圖5所示。由圖5可知，熔覆層表面都沒有裂紋，溫度為20℃時，熔覆層表面有少量的氣泡，但是隨著溫度的增加，氣泡越來越少，熔覆層間距越來越小，熔覆層顆粒越來越細(xì)小。

圖5熔覆層的表面形貌

圖6 為不同溫度時橫截面的宏觀形貌，黑色部分為試樣的熔覆層，下面亮色部分為基體。從橫截面可看出，隨著溫度的升高，熔覆深度增加，最后得出20℃時熔覆深度平均為0.232 5 mm，80℃時熔覆深度平均為0.349 mm，190℃時熔覆深度平均為0.447 mm。

圖6 不同溫度時橫截面的宏觀形貌

由此可見，隨著溫度的升高等離子熔覆熔深增加。由于溫度的升高從而使焊接熱輸入增加，熔深和熔寬均相應(yīng)增加，從而使熔池存在的時間變長，熔池的流動性增加，所以表面成型效果最好。

2.3 不同板材溫度對等離子熔覆組織形態(tài)的影響及其規(guī)律

熔覆過程中試板溫度為20℃、80℃、190℃，放大200倍時金相顯微鏡觀察到的熔覆層橫截面的典型組織如圖7所示。

觀察圖7可以發(fā)現(xiàn)，三種情況下試樣的橫截面組織均由兩部分組成，即黑色基體組織和亮白的金屬化合物層。比較熔覆層的典型組織可以發(fā)現(xiàn)，隨著熔覆過程中溫度的增加，熔覆層中的針狀晶須變得粗大。在溫度為20℃時，熔覆層組織中Fe3Al分布極不均勻，F(xiàn)e3Al晶須聚集在某一處且十分密集，這種聚集區(qū)主要集中于熔覆層靠近上表面的區(qū)域，而熔覆層下部則很少，如圖8所示。聚集區(qū)主要在上表面是由于Fe3Al的密度較輕(5.90 g/cm3)，而FeAl的密度為6.72 g/cm3、Fe的密度為7.83 g/cm3，使得在熔覆層中生成的Fe3Al晶須很容易在熔化的液態(tài)金屬中通過等離子弧吹力依靠對流作用上浮，并最終集中于熔覆層的上表面。但是由于熔池溫度低，熔池凝固時間短，使得熔池對流來不及將晶須分散均勻，熔池就已經(jīng)凝固，因而導(dǎo)致了這種熔覆層組織的嚴(yán)重成分偏析，造成該處Fe3Al晶須的大量聚集。當(dāng)溫度增加時，F(xiàn)e3Al晶須在熔覆層中靠近上表面與中下部的分布不均的情況有所改善，當(dāng)溫度為80℃和190℃時，F(xiàn)e3Al晶須分布比較均勻，F(xiàn)e3Al晶須聚集區(qū)較少。原因在于熔覆過程中隨著溫度的增大，熔覆層熱輸入增加，等離子弧溫度升高，等離子弧吹力增大，熔池凝固時間增加，熔池內(nèi)對流作用增強(qiáng)，使得熔池中的冶金反應(yīng)較完全，熔池中成分均勻化程度較高。

圖7 不同溫度下熔覆層橫截面的典型組織

圖820 ℃時熔覆層組織

熔覆過程中隨著溫度的增加，熔覆層中Fe3Al晶須在數(shù)量上有增加的趨勢，晶須變得粗大，并且分布更加均勻，但是當(dāng)溫度過高時，F(xiàn)e3Al晶須的分布不均勻。出現(xiàn)這種組織變化的原因，可能是由于隨著熔覆過程中溫度的增加，熔覆線能量有所增加，因而熔池中的合金熔化趨于完全，并且熔化后的液態(tài)金屬溫度較高，有利于液態(tài)金屬中的反應(yīng)更加充分，造成反應(yīng)生成的Fe3Al晶須數(shù)量增加。針狀Fe3Al晶須隨著電流的增加有變粗、變長的趨勢，出現(xiàn)這種情況可能的原因在于隨著熔覆溫度的增加，熔池溫度升高，在結(jié)晶過程中結(jié)晶的時間變長，形成的晶須有更長的時間充分長大，導(dǎo)致晶須長度的增加。

從圖7可知，溫度為20℃和80℃時熔覆層和基體有明顯的分界線，形成很小的白亮帶，它是以平面晶的生長形態(tài)沿?zé)崃鞣较蛏L出來的，并與熱影響區(qū)保持平直界面。受界面微區(qū)化學(xué)成分和結(jié)晶條件急劇變化的影響，界面結(jié)合區(qū)并非由單層的幾何面構(gòu)成。由等離子熔覆金相組織可知，在等離子熔覆條件下，組織結(jié)晶時以枝晶形式開始生長，這與等離子束能量條件密切相關(guān)。當(dāng)能量條件合適，即溫度梯度很大，而凝固速度很小時，就會以平面晶的形式生長，出現(xiàn)白亮層；而如果溫度梯度不是很大，凝固速度也不是很小時，就可能會直接以胞狀晶或者枝晶的形式生長，也就沒有白亮層出現(xiàn)。

2.4 不同板材溫度熔覆層硬度結(jié)果和分析

將圖5a、圖5b、圖5c和鐵基分別用金相砂紙進(jìn)行打磨，簡單拋光后利用HR-10A型小負(fù)荷維氏硬度計(載荷10 kg、加載15 s)在不同的點(diǎn)上打出硬度，板材溫度為20℃時維氏硬度值為204.2HV，80℃時為299.6 HV，190℃時為283.2 HV，鐵基為179 HV。從測量結(jié)果可以看出，基體的硬度值最小，隨著熔覆過程中溫度的升高，熔覆層的維氏硬度平均值先升高再降低。當(dāng)溫度為80℃時，熔覆層的維氏硬度平均值最高，是鐵基的1.67倍。造成硬度值升高的原因可能是熔覆過程中溫度為80℃、190℃時，熔覆層中Fe3Al晶須數(shù)量多且分布均勻，因而硬度明顯高于晶須分布不均勻、溫度為20℃的熔覆層。溫度為80℃、190℃時硬度值相差不大，說明這兩種情況下熔覆層組織中的冶金反應(yīng)已經(jīng)很充分。但是當(dāng)熔覆過程中溫度過高時，F(xiàn)e3Al晶須的分布不均勻，而且針狀Fe3Al晶須隨著電流的增加有變粗、變長的趨勢，說明Fe3Al晶須的粗大程度對熔覆層的宏觀硬度有影響。

3 結(jié)論

(1)采用等離子熔覆方法獲得了沒有明顯組織突變和宏觀界面的Fe-Al金屬間化合物，熔覆合金層主要由金屬間化合物Fe3Al、FeAl、α-Fe相以及Al2O3構(gòu)成。

(2)隨著熔覆過程中試板溫度的增加，熔覆層熔覆熔深增加，組織中Fe3Al晶須的數(shù)量增多、晶須大小增加，當(dāng)溫度值達(dá)到80℃時，晶須分布最均勻，未出現(xiàn)成分偏析。

(3)Fe-Al金屬間化合物等離子熔覆層很好地提高了基體材料硬度，隨著熔覆過程中板材溫度的升高，熔覆層的維氏硬度平均值呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢，當(dāng)板材溫度為80℃時，組織硬度能達(dá)到鐵基的1.67倍。

[1]陳國良，林均晶.有序金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1999.

[2]Mckamey C G，Devan J H，Tortorelli P T，et al.A Review of Recent Developments in Fe3Al-based Alloys[J].J.Mater.Res.，1991(6)：1779.

[3]尹衍升，施忠良.鐵鋁金屬間化合物[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1996.

[4]程廣萍，何宜柱.鋼基表面單道激光熔覆Fe3Al金屬間化合物的研究[J].鑄造技術(shù)，2004(25)：8.

[5]G W Du，Z Wang，J M Xiao.Phase transformations in Fe-28A1 alloys[J].Acta Metallurgical Sinica，1995，31(4)：151-155.

[6]Z Liu，W Gao，F(xiàn) Wang.Oxidation behavior of FeAl intermetallic coatings produced by magnetron sputter deposition[J].Scripta Materilla，1998，39(11)：1497-1502.

Research on the influence of plasma cladding at different heats on Fe3Al inter-metallic compound

ZHU Dong-mei1，2，WANG Xi-bao2，XIONG Liang-tong1，WANG Yi-fei3

(1.Beijing Xinghang Mechanical-Electric Equipment Plant，Beijing 100074，China；2.School of Material Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3.Air Force Military Representative Office in Western Beijing，Beijing 100074，China)

In this paper，we study on the influence of the plate temperature on the surface quality and composition of Fe3Al intermetallic compound and its trend during the PTA(Plasma Transferred Arc)process.With the increase of the temperature of the test plate，the granular size of the coatings decreases，while both the quantity and size of the Fe3Al whiskers in the coatings increases.By analyzing the hardness of the coatings，it is found that when the plate temperature is controlled at 80℃，the hardness value of the inter-metallic compound is 1.67 times of the value of the Fe-based material.

plate temperature；inter-metallic compound；Fe3Al

book=9,ebook=235

TG456.2

A

1001－2303(2012)09－0030-05

2012－05－16

朱冬妹(1978—)，女，湖北隨州人，工程師，碩士，主要從事焊接工藝及設(shè)備方面的研究工作。