超聲波功率對氬弧熔覆-噴射Ti(C,N)增強鎳基復合涂層組織和性能的影響

張 寧，董蔚霞，張春紅，孫 涵

（1.徐州工程學院 江蘇省大型工程裝備檢測與控制重點建設實驗室，江蘇徐州 221018；2.徐州生物工程職業技術學院機械工程系，江蘇徐州221006）

超聲波功率對氬弧熔覆-噴射Ti(C,N)增強鎳基復合涂層組織和性能的影響

張 寧1，董蔚霞1，張春紅2，孫 涵1

（1.徐州工程學院 江蘇省大型工程裝備檢測與控制重點建設實驗室，江蘇徐州 221018；2.徐州生物工程職業技術學院機械工程系，江蘇徐州221006）

以新型的超聲波輔助氬弧熔覆-注射技術為基礎，在Q235鋼板上制備Ti（C、N）增強鎳基復合材料耐磨涂層。分析超聲波振動功率對熔覆層的組織結構、物相成分、增強相和耐磨性的影響，研究結果表明：采用此新工藝制備的復合涂層，顆粒與熔體的潤濕性得到改善，促進原位反應，增強相彌散分布，氣體易于逸出。隨著超聲波功率的增大，基體和熔覆層之間連接更為緊密，界面兩端合金元素擴散充分，結合牢固。熔覆層主要由Ti（C、N）、TiC、FeNi3、Cr4Ni15W和Fe2Si相組成。隨著超聲波功率的增大，熔覆層中增強相逐漸析出，數量增多，尺寸細化，分布更加均勻，團聚現象逐步消失，耐磨性提高。

氬弧熔覆-噴射；超聲波；Ti（C、N）；耐磨性

0 前言

每年由磨損所導致的零部件失效占相當大的比例，世界上的摩擦損失消耗了一次性能源1/3～1/2的能量，而在我國由此造成的經濟損失也占了國內GDP的2%～8%[1]。中國機械工業每年在生產使用過程中要消耗一半零部件用鋼，其主要原因也是由于磨損造成各類零部件不能繼續使用，喪失了服役價值。相對于改變零部件整體的耐磨性，在零部件工作磨損表面制備一層耐磨材料，是一種更為便捷、經濟、實用的方法。

熔化-注射技術是一種新興的表面強化技術，該技術不同于熔覆、合金化、堆焊等技術，是向熔池中直接注入增強顆粒，顆粒預先沒有經受高溫，這樣可以最大限度地減緩陶瓷顆粒的分解。目前，國內外已經分別衍生出了氬弧熔化、等離子熔化、激光熔化與注射相結合的各項新技術，雖然采用不同的熱源，但其遵循相圖的基本原理。趙敏海[2]等人利用等離子熔化-注射技術制備了表層WC顆粒增強涂層，涂層非常均勻致密，極大地提高了表面耐磨性能。

超聲波在液體中會產生超聲空化現象，閆久春[3]開發了一種適合于復雜構件在敞開環境下進行可靠連接的超聲波振動輔助釬焊技術。結合熔化-注射技術的特點，另從超聲波輔助釬焊得到啟發，本研究提出了一種新型的超聲波輔助氬弧熔覆-噴射方法，并設計制作了整套實驗裝置。在工件表面涂覆均勻的合金粉末，在氬弧熔覆的同時噴射增強顆粒，并輔以超聲波振動。氬弧的高熱源可以熔化噴射進熔池的顆粒，同時利用超聲波振動產生的空化和聲流效應，改善顆粒與熔體的潤濕性，促進原位反應的發生，增強顆粒在熔體中的分散度，提高熔池中氣體的逸出，制備結合牢固、抗磨損、耐腐蝕、性能優良的陶瓷顆粒增強表層復合材料。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

金屬陶瓷復合材料不僅有陶瓷的高耐磨性、高硬度特點，而且也具有基體金屬的高延展性和韌性特點。Ti（C，N）是由TiC和TiN連續固溶而形成的單一化合物，屬立方晶系、面心立方點陣[4]。Ti（C、N）基金屬陶瓷與WC基硬質合金比，具有密度低、硬度高、對鋼的摩擦系數小、切削時抗黏結磨損和抗擴散磨損和紅硬性好的優點。與TiC基金屬陶瓷相比，Ti（C、N）有更高的熱硬度，更大的橫向斷裂強度，更好的抗氧化能力和更高的熱導率[5]。Ti（C，N）硬質相具有更小的粒度，因而高溫抗蠕變能力更強。本實驗選用Q235鋼板作為基體材料，尺寸100mm×50 mm× 10mm。熔覆粉末選用Ni60A粉（60～90 μm），噴射粉末為混合的TiC粉（75～150μm）、TiN粉（10～25μm）、WC粉（40～50 μm）和Co粉（60～90 μm），成分配比為TiC∶TiN∶WC∶Co=10∶10∶2∶1。利用高溫時的原位反應生成Ti（C、N）增強相，制備鎳基復合材料耐磨涂層。

1.2 試驗方法

Q235鋼板預先用砂紙打磨除銹，丙酮和無水乙醇清洗除油，防止熔覆時合金粉末形成熔滴，不能和鋼板表面完全結合，造成部分界面分離，降低涂層結合力。涂覆材料選用Ni60A自熔性合金粉末，和粘結劑水玻璃一起在研缽中研磨混合均勻，再放入自制模具里于小型壓力機下壓制成型，厚1.2mm，然后涂覆在Q235鋼板上。接著將試件自然風干24h，使預置涂層中的水分充分揮發，然后放入烘干箱，先加熱至70℃預熱1 h，再加熱到150℃保溫烘干2h，使涂覆層整體徹底烘干。最后使用創新的超聲波輔助氬弧熔覆-噴射技術制備Ti（C、N）增強鎳基耐磨復合涂層，實驗示意如圖1所示。

圖1 超聲波輔助氬弧熔覆-噴射過程示意

熔覆工藝：在大氣環境下，取出加熱烘干至150℃的試樣，在鋼板上表面距離熔覆區域40 cm處壓上超聲波振動頭，施加的壓力為0.5 MPa，使鋼板發生超聲振動，振動頻率為20 kHz。超聲波振動的功率越大，振幅就越強，超聲效果就越明顯，實驗所用ZJS-2000M(L)型分檔調節超聲波發生器最高功率1000W，超聲波振動功率如表1所示。其他參數：焊接電流為130 A，氬氣流量為12 L/min，熔覆速度為30 mm/min，噴射速度35 ml/h，保護氣體為99.99%純度的氬氣。熔覆完成后，移開超聲波工具頭，待焊接自然冷卻。

表1 實驗方案

采用線切割截取熔覆試樣斷面，制成金相試樣，拋光后使用4%的硝酸酒精腐蝕基體Q235鋼，使用濃度20%的硝酸加氫氟酸酒精溶液（HF∶HNO3=1∶3）腐蝕熔覆層。在FEI Inspect S50掃描電子顯微鏡上觀察熔覆層的顯微組織，采用OXFORDX-act/INCA150能譜儀測定熔覆層中增強相的成分，BRUKER D8 ADVANCE型X射線衍射儀分析熔覆表層的物相，并用SFT-2M型銷盤式摩擦磨損試驗機測量基體和熔覆層的磨損體積。

2 試驗結果及分析

2.1 超聲功率對復合涂層顯微組織的影響

圖2為采用不同超聲波振動功率熔覆-噴射的各試樣熔覆層分界面的顯微組織。從圖2a～圖2d，超聲波功率從0～800 W依次增大，圖2a不施加超聲波振動，基體和熔覆層之間熔合處有些區域不是很緊密，界面兩端的合金元素沒有很好地相互擴散，而施加超聲波振動后，特別是隨著超聲波功率的增大，焊縫熔合處出現明顯的白亮條帶，說明界面兩端合金元素擴散充分，形成犬牙加錯的形貌，表現出良好的冶金結合。未超聲輔助時，基體過熱區組織較為粗大，出現大量魏氏體組織，而超聲輔助后組織明顯細化。由圖2還可知，隨著超聲功率的增大，熔覆層靠近熔合區部位逐漸出現大量的黑色短棒狀、白色多邊形塊狀和長條形、針狀的各類增強相，且更為均勻彌散分布，這說明施加超聲波振動時，高能超聲在熔池中傳播而產生的聲空化和聲流等次級效應，改變了母材Q235鋼板與涂覆層之間的表面能，加強了界面兩端元素的溶解擴散，改善了顆粒與熔體的潤濕性，促進了原位反應的發生，促使生成了金屬化合物析出相，同時也加速了氣體的逸出，減弱了顆粒的團聚作用，此工藝制備的熔覆層界面結合良好，沒有明顯的氣孔、裂紋和未焊透等缺陷[6]。

圖2 各試樣熔覆層分界面的顯微組織

2.2 超聲功率對復合涂層物相成分的影響

4#試樣（超聲功率800W）熔覆層表層的X射線衍射圖譜如圖3所示。熔覆層的組成相主要為Ti（C、N）、TiC、FeNi3、Cr4Ni15W和Fe2Si相。超聲波輔助氬弧熔覆-噴射時，涂覆的Ni60A粉和噴射的TiC、TiN、WC和Co混合粉在高溫熔池和超聲振動作用下，原位反應生成了Ti（C、N）/Ni60A復合層。層中的增強相主要為Ti（C、N）和部分TiC，基體為FeNi3固溶體。

圖3 4#試樣熔覆層表層的X射線衍射圖譜

圖4為4#試樣熔覆層表層不同區域的EDS點分析，圖中注明能譜微區分析的位置A、B、C為增強相顆粒，D為基體。增強相A為黑色四邊形小塊體，主要含有C、N、Ti三種元素，并固溶少量的Cr、Fe、Ni元素，結合圖3X射線衍射圖譜分析，增強相A即為Ti（C、N）相；增強相B為較大塊的四邊形，主要由C、Ti、Cr三種元素組成，并固溶少量的Fe、Ni、W元素；增強相C為針狀，主要由Cr、Fe、Ni三種元素組成，并固溶少量的C、Si、Ti元素；D區域為基體，主要由Fe、Ni二種元素組成，并固溶少量的C、Si、Ti、Cr元素。由圖4可知，增強顆粒相中主要富集了C、N、Ti、Cr、W等元素，而基體內主要富集了Fe、Ni元素，兩類元素的分布大致呈現出互補性。

2.3 超聲功率對復合涂層增強相的影響

圖5為各試樣熔覆層表層的SEM電子背散射圖。由圖5可知，隨著超聲波功率的增大，熔覆層中增強相顆粒的尺寸、形狀、數量和分布特征都發生很大變化，這直接導致熔覆層各項性能的改變。如圖5a所示，未經超聲波振動時，析出相分布凌亂不均勻，多為長條狀，有部分黑色點狀物分布在基體中，且出現大塊團聚現象。圖5b超聲波功率200 W時，大塊析出相明顯減少，團聚現象開始減弱，有部分Ti（C、N）增強相生成。而圖5c超聲波功率550 W時，增強相更明顯細化，短柱狀、四邊形、五邊形、針狀相數量顯著增加，呈彌散均勻分布。當超聲波功率增大至800 W時，由圖5d可知，各類增強相在高能超聲波的聲空化和聲流作用下，組織分布進一步改善，更為細小且均勻分布，未出現團聚現象，將大幅提升熔覆層的整體性能。

圖4 4#試樣熔覆層表層不同區域的EDS點分析

圖5 各試樣熔覆層表層的SEM照片

圖6為4#試樣熔覆層截面不同區域的SEM照片，可明顯看出熔覆層由熔覆區、結合區和基體三個區域組成。其中圖6a為熔覆層低倍組織，圖6b、圖6c、圖6d分別為圖6a中熔覆層從頂部到底部的A、B、C區域的微區高倍組織。由圖6b可知，熔覆層頂部彌散分布了大量增強相顆粒，非常多的小點狀和短棒狀的Ti（C、N）相均勻析出。分析認為，在熔覆凝固時，增強相顆粒比基體金屬密度小，在超聲波振動、高溫熔池攪拌以及重力氣體吹力等作用下，顆粒易于上浮，并分散均勻[7]。還因為氬弧熔覆具有稀釋作用，相較于熔覆層中部和底部，頂部的稀釋率較小，且冷卻速度快，所以底部的增強相顆粒明顯增多，且分布均勻。如圖6c所示，熔覆層中部Ti（C、N）相開始減少，而四邊形和五邊形的含C、Ti、Cr、W元素的復合碳化物逐漸增多，部分增強相周圍分布著網狀物。如圖6d所示，熔覆層底部Ti（C、N）增強相很少，沒有出現四邊形和五邊形的復合碳化物，大量分布著長片狀和針狀的含C、Cr、Fe、 Ni元素的復式碳化物，這將造成底部增強效果減弱，強硬度降低，塑韌性增大，在界面結合處有一定的緩沖性，符合耐磨材料表層強度、硬度高，芯部韌性好的使用要求，這說明采用此超聲波輔助氬弧熔覆-噴射技術取得了良好的效果。

2.4 超聲功率對復合涂層耐磨性的影響

采用銷盤式的摩擦磨損方式測量材料的耐磨性，通過傳感器檢測表面輪廓計算出磨損體積，GCr15鋼球與測試試樣之間形成干滑動磨損。將四種試樣線切割成20 mm×20 mm×11 mm的塊狀試樣，磨損面分別為基體和熔覆層。摩擦測量參數為鋼球直徑5 mm，加載載荷100 N，轉速500 r/min，旋轉半徑4 mm，磨損時間20 min。

基體Q235鋼和四種試樣熔覆層的磨損體積對比如圖7所示。由圖7可知，在相同的磨損實驗條件下，基體Q235鋼的磨損量很大，而熔覆層的磨損量小得多，且隨著超聲振動功率的增大，熔覆層的磨損量逐漸降低，即耐磨性逐步提高，1#～4#試樣熔覆層的耐磨性分別是基體的9.8倍、11.4倍、13.1倍和14.3倍。這是由于熔覆-噴射時在超聲波的聲空化和聲流作用下，噴射粉末進入熔池后便迅速散開，不會發生團簇，且顆粒與熔體的潤濕性得到提高，有利于原位生成Ti（C、N）等硬質增強相，顆粒細小并均勻分布。在磨損發生時，Q235鋼是基體直接和GCr15鋼球對磨面接觸，且隨著時間的延長一直是同等的鋼基體發生摩擦，變化不大。而熔覆層在摩擦磨損過程中，首先是基體接觸發生磨損，隨著較軟的鋼基體被磨損掉，基體中彌散分布的Ti（C、N）等增強相暴露出來，與對磨面發生接觸，由于Ti（C、N）等顆粒硬度很高，對基體起保護作用，降低了磨損量，極大地提高了熔覆層的耐磨性[8]。

圖6 4#試樣熔覆層不同區域的SEM照片

由上述可知，4#試樣經過800 W功率的輔助超聲作用，組織改善最為明顯，整體性能大幅提高，因此4#試樣熔覆層的耐磨性最好。這從圖7中1#和4#試樣熔覆層的磨痕形貌也可看出，1#試樣熔覆層的磨痕寬度為968 μm，有部分犁溝和片狀磨屑脫落的痕跡；而4#試樣熔覆層的磨痕寬度僅為709 μm，只存在較少的犁溝和撕裂痕跡，試樣的磨損形式主要是磨屑充當第三體引起的磨粒磨損，表現出良好的耐干滑動磨損性能。

圖7 各試樣磨損量

3 結論

（1）通過采用一種新型的超聲波輔助氬弧熔覆-噴射方法，在Q235鋼板上制備Ti（C、N）增強鎳基復合材料耐磨涂層，利用超聲波振動產生的空化和聲流效應，改善顆粒與熔體的潤濕性，促進原位反應的發生，增強顆粒在熔體中的分散度，促進熔池中氣體的逸出，制備的顆粒增強表層復合材料結合牢固、抗磨損、耐腐蝕且性能優良。

（2）施加超聲波振動后，隨著超聲波功率的增大，基體和熔覆層之間熔合處連接更為緊密，沒有縫隙和孔洞，界面兩端合金元素擴散充分，出現明顯的白亮條帶，表現出良好的冶金結合。熔覆層主要由Ti（C，N）、TiC、FeNi3、Cr4Ni15W和Fe2Si相組成。增強顆粒相中主要富集了C、N、Ti、Cr、W等元素，而基體內主要富集了Fe、Ni元素，兩類元素的分布大致呈現出互補性。

（3）隨著超聲波功率的增大，熔覆層中增強相逐漸析出，數量增多，尺寸細化，分布更加均勻，團聚現象逐步消失。熔覆層頂部彌散分布了大量增強相顆粒，中部Ti（C，N）相開始減少，而四邊形和五邊形的含C、Ti、Cr、W元素的復合碳化物逐漸增多，而底部Ti（C，N）增強相很少，大量分布著長片狀和針狀的含C、Cr、Fe、Ni元素的復式碳化物。

（4）經超聲波輔助氬弧熔覆-噴射后，復合涂層的耐磨性得到極大極高，1#～4#試樣熔覆層的耐磨性分別是基體的9.8倍、11.4倍、13.1倍和14.3倍。熔敷層中原位生成的大量Ti（C、N）增強相硬顆粒，使涂層具有很高的粘著磨損抗力和磨料磨損抗力。

[1]吳玉蘭，于競欽.耐磨熔敷D057金屬組織和顯微硬度研究[J].電焊機，2012，42（11）：99-102.

[2]趙敏海，郭面煥，馮吉才，等.外加顆粒增強表層復合材料制備方法[J].焊接學報，2007，28（2）：108-112.

[3]閆久春，孫小磊.超聲波振動輔助釬焊技術[J].焊接，2009（3）：6-13.

[4]王振廷，鄭維.氬弧熔敷原位合成Ti（C、N）-TiB2/Ni60A基復合涂層的組織與耐磨性[J].材料熱處理學報，2011，32（12）：115-119.

[5]張寧，張春紅，李菊麗，等.氬弧熔覆原位自生Ti（C、N）-WC增強Ni60A復合涂層的研究[J].徐州工程學院學報（自然科學版），2015，30（1）：47-51.

[6]劉浩東，胡芳友，李洪波.功率超聲技術的分類研究及應用[J].電焊機，2014，44（12）：25-29.

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[8]張德坤，段俊杰.GCr15球-盤點接觸摩擦副的滑滾摩擦磨損特性研究[J].徐州工程學院學報（自然科學版），2014，29（4）：7-12.

Effect of ultrasonic power on the microstructure and properties of Ti(C、N)particle reinforced nickel base composite coating by argon-arc cladding injection

ZHANG Ning1，DONG Weixia1，ZHANG Chunhong2，SUN Han1
（1.Jiangsu Key Laboratory of Large Engineering Equipment Detection and Control，Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou 221018，China；2.Department of Mechanical Engineering，Xuzhou Bioengineering Technical College，Xuzhou 221006，China）

This experiment base on the new ultrasonic-assisted argon-arc cladding injection technology，and Q235 steel plate is strengthened with Ti(C、N)particle reinforced nickel base composite material wear-resistant coating.The influence of ultrasonic vibration power on the microstructure，phase composition，reinforced phase and wear resistance of the cladding layer is analyzed.The results show that the wettability between the particles and melt is improved，the reaction in-situ is promoted，the reinforced phase disperses and the gas escapes easily by the new process.As the ultrasonic power increases，the connection between the substrate and cladding layer is more closed，the alloy elements on both ends of the interface diffuse fully and unite tightly.The cladding layer is mainly composed of Ti(C、N)，TiC，FeNi3，Cr4Ni15W and Fe2Si phases.As ultrasonic power enhances，the reinforced phases precipitate gradually in cladding layer and the number increases，the size refines.The distribution of the reinforced phases is more uniform，and the reunion phenomenon gradually disappears so that the wear resistance improves.

argon-arc clad spray；ultrasonic；Ti(C、N)；wear resistance

TG446

：A

1001-2303（2015）09-0096-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.21

2015-02-13

國家自然科學基金青年項目（51401177）；江蘇省大型工程裝備檢測與控制重點建設實驗室開放課題（JSKLEDC201308）；江蘇省高等學校大學生實踐創新訓練計劃項目（201411998054Y）；徐州市科技計劃項目（KC14SM100）；2014年江蘇省高?！扒嗨{工程”項目資助

張 寧（1980—），男，江蘇徐州人，講師，博士，主要從事材料焊接和金屬基復合材料的研究工作。