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　衛寧　張揚　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，為實現電弧現場快速修復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相對不銹鋼耐磨性能有強化作用。隨著磨損載荷和速率的增加，高熵合金焊道的摩擦系數均逐漸降低，磨痕的深度、寬度、磨損體積均在增加;在當載荷為2 N、4 N，磨損速率為100 r/min、200 r/min時，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，主要表現為磨粒磨損和粘著磨損;當載荷為6 N、8 N，速率為300 r/min、400 r/min時，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，主要表現為粘著剝落磨損。將性能優異的高熵合金應以粉芯方式應用于電弧熔敷中，可實現實際環境下關鍵零部件現場電弧快速修復或表面強化。

關鍵詞：高熵合金;粉芯絲材;不銹鋼;電弧熔敷;摩擦磨損

中圖分類號：TG422.3 文獻標志碼：A 文章編號：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]。相比于傳統的單主元或雙主元合金，多主元使其具有高熵效應，且原子不易擴散，形成的結構簡單、不易形成金屬間化合物，這使得高熵合金具有優異的耐磨性和塑性[2-6]。Sajid

Alvi[7]等人采用放電等離子體燒結法制備了一種 CuMoTaWV高熵合金復合材料進行研究，結果表明其由常溫到高溫的耐磨適應性良好。根據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用[8-9]。

粉芯絲材（Cored wire）也稱管狀絲，根據所需選擇金屬外皮和配置內部粉芯。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，結果表明使用金屬藥芯焊絲可使焊接速度提高20%，與實心焊絲相比，焊絲沉積率提高42%，使用金屬芯填充焊絲對中高厚度P91鋼進行脈沖電流氣體保護金屬電弧焊可提供更高的沉積速率和焊接速度，并增強焊縫性能[12]。粉芯部分可根據設計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。粉芯絲材兼具實心絲材和粉末的優點，拔絲容易，并且使不導電的粉末材料也能應用于電弧熔敷或電弧的對焊[13]。

近年來，粉芯絲材得到越來越多的運用與開發，如王照峰[14]等研制FeCrNi/WC粉芯絲材，得到的涂層綜合力學性能優異，具有較高的結合強度、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，并用填充焊絲冷卻焊池金屬），減少了電弧對納米顆粒的熱影響，并改善了其向固化金屬的質量轉移具有細晶粒的復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系統對500 ℃的磨料磨損的影響[15]。而粉芯絲材在電弧應用主要在電弧噴涂，在電弧熔敷中的應用較少。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，對其耐磨性和磨損機制進行研究。從材料角度將性能優異的高熵合金應用于電弧熔敷中，為各種實際環境下的現場電弧快速修復提供了一定的應用意義。

1 試驗

實驗以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，絲材焊接示意如圖1所示。在308不銹鋼基板上進行單道焊接，采用直流連續送絲的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°區間進行了大量實驗。無焊接質量缺陷參數如表1所示。

采用Nanovea Tribometer微型摩擦磨損試驗儀在室溫下測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）、不同的轉速（100 r/min、200 r/min、300 r/min、400 r/min）和時間5 min對試樣進行測試。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場發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射線能譜儀對高熵合金焊道表面進行元素分析，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，采用質量損失的方法誤差較大，因此選擇采用輪廓儀計掃描表面輪廓計算磨損體積的方法作為測試磨損率的標準。掃描參數為：掃描區域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，且兩相強度相差較小。根據Jade軟件分析，采用謝樂公式[式（3）]計算得出：不銹鋼相晶粒尺寸為26.6 nm，FCC相晶粒尺寸為24.8 nm。可見不銹鋼和FCC相強度基本一致，晶粒大小均勻。

對焊道表面進行EDS分析，如圖3所示。可以看出，金屬合金元素基本均勻分布在焊道表面，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，并能穩定地在焊層中形成固溶體。

對高熵合金焊道截面進行金相分析。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構。腐蝕5 min后得到焊層組織結構如圖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

對基材、高熵合金焊道及常用JQ-308粉芯絲材焊道進行不同載荷的磨損實驗，結果如圖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不銹鋼有強化作用。

根據基材和高熵合金焊道磨損結果分析，在載荷6 N、摩擦速率200 r/min下的磨損結果穩定準確，以上述參數為例說明基材和高熵合金焊道在磨損行為上的差異，測得的摩擦系數如圖6所示，可以明顯看出，不銹鋼基材的摩擦系數略大于高熵合金絲材，且基材在摩擦2 min后摩擦系數出現明顯的波動，而高熵合金絲材摩擦系數基本趨于穩定，平均為0.52。而常用不銹鋼粉芯絲材摩擦系數較為穩定，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試結果如表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摩擦參數下，不銹鋼基材的表面發生了嚴重的磨粒磨損，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，也導致摩擦系數出現不均勻的波動。而高熵合金絲材焊道表面并沒有出現大量的磨粒，反之出現細小的犁溝，表面材料發生輕微的材料轉移，隨著摩擦的進行，材料粘著的加強使得材料表面出現一定的平滑區域（見圖8d中B區域）[16]。可見在不銹鋼中加入高熵合金，在焊接過程中形成的高熵合金簡單的FCC相對不銹鋼表面有一定的強化作用，在相同的摩擦參數下，減緩了材料表面的剝離，加強了材料的結合力。

2.3 磨損載荷和磨損速率對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、摩擦時間5min條件下不同磨損載荷的摩擦系數如圖9a所示。由圖9a可知，在不同載荷下，試樣的摩擦系數變化趨勢基本相同，當加載力為2 N時，摩擦系數平均約為0.71;當加載力為8 N時，摩擦系數平均約為0.52。隨著加載力的增大，摩擦系數逐漸降低，但是降低程度相對較小，當加載力為6 N和8 N時，摩擦系數變化很小。高熵合金焊道在加載力6 N、摩擦時間5 min的條件下，不同磨損速率的摩擦系數如圖9b所示。可以看出，試樣的摩擦系數很快趨于穩定，并且隨著摩擦速率的增加，摩擦系數逐漸下降，摩擦速率為100 r/min時，平均摩擦系數為0.58;當摩擦速率為400 r/min時，平均摩擦系數為0.33。

不同載荷的磨損測試結果如表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對材料表面的切削作用，增大了材料變形量和轉移量，從而導致材料的磨損體積增大。不同磨損速率的測試結果如表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。由于在相同時間內，摩擦偶對試樣表面的摩擦次數增加，表面材料被反復轉移而出現裂紋并剝落，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。可以看出，隨著加載力的增大，磨痕寬度不斷增大。當加載力較小時，材料表面只是產生細微的磨粒散布在材料表面。隨著加載力的增大，磨粒在摩擦球壓應力作用下粘著在材料表面，并隨著摩擦的進行不斷地堆積增厚，所以加載力的不同對材料磨損情況影響較大[17-18]。磨損速率較低時，隨著加載速率的增加，部分黏著層不斷增厚。當速度增加到300～400 r/min時，堆積過高的黏著層由于高頻率的切削作用，表面開始出現裂紋，并且開始剝離試樣表面。說明試樣表面的磨損機制和磨損速率存在密切關系，當速度較低時磨損機制表現為粘著磨損，當磨損速率較大時則表現為剝落磨損[19-21]。

3 結論

（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相對不銹鋼耐磨性能有強化作用。

（2）通過對高熵合金焊道的磨損實驗得出，當載荷為2 N、4 N，磨損速率為100 r/min、200 r/min時，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，主要表現為磨粒磨損和粘著磨損，當載荷為6 N、8 N和速率為300 r/min、400 r/min時，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用于電弧熔敷中，通過粉芯絲材方式將性能優異的高熵合金應用于不同的電弧場所，為實現電弧現場快速修復提供了可靠保證。

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