等離子噴焊鐵/鎳混合基噴焊層Q345復合板的制備

李逸飛,鐘維榕，鄒昌盛，王浩男，于宏辰*

(1.長春工程學院 應用技術學院,吉林 長春 130021;2.長春工程學院 機電工程學院,吉林 長春 130021)

火力發電作為我國北方目前使用最為廣泛的發電形式，對國民經濟發展具有重要意義[1-2].然而，在發電廠機組運行過程中，鍋爐受熱面管面臨著高溫、固體物料沖蝕、煙氣腐蝕等惡劣工況，極易造成管壁腐蝕、磨損減薄甚至泄漏，給鍋爐的安全運行帶來巨大隱患[3].隨著能源結構改革和材料科學的發展，大批新型金屬材料應用于電廠鍋爐受熱面管.其中TP347奧氏體鋼由于具有較高的強度、塑性及較強的耐腐蝕性而得到廣泛應用[4-5].雖然該鋼種的使用很大程度上減少了火電機組的腐蝕爆管次數，但對減輕管壁磨損減薄效果仍不明顯.等離子噴焊(Plasma Spray Welding)是以高能量密度的離子弧作為熱源，實現涂層與基材之間、涂層顆粒內部之間冶金結合的焊接技術.該技術具有熔覆率高、成本低廉及生產率高等優勢，可以有效提高噴涂層的耐磨性，可廣泛應用于電站鍋爐受熱面管的表面處理[6].

目前，通常使用鎳粉對鋼鐵進行等離子噴焊處理，可以有效提高材料表面的耐磨、耐腐蝕性能，但鎳粉熔化形成的熔滴與鋼鐵潤濕性較差，噴焊層與鋼鐵基體的界面結合強度較小且在界面處存在較大微觀殘余應力.不僅施焊過程中噴焊層容易出現裂紋，并且在外力作用下噴焊層也會過早脫落，從而影響材料的使用壽命.與鎳基粉末相比，鐵粉形成的熔滴與鋼鐵潤濕性較好，很大程度上保證了噴焊層的質量，并逐漸成為鎳基粉末的良好替代品[7].然而，由于噴焊過程中冷卻速度較快，所形成的噴焊層往往硬度較高，最終導致噴焊層塑性大幅下降，使得材料使用壽命縮短.因此，對原有噴焊粉末進行成分設計是提高噴焊層塑、韌性的重要途徑.眾所周知，鋼鐵中加入鎳元素可以擴大奧氏體區，使材料在室溫保持奧氏體組織.不僅如此，具有面心立方結構的奧氏體組織很大程度上能夠提高噴焊層的塑韌性，從而增強材料的使用壽命[8-10].

因此，本文將鐵、鎳基合金粉末作為噴焊材料，利用等離子噴焊技術對其進行表面處理，達到調控噴焊層組織及晶體結構的目的，提高強度的同時，噴焊層塑、韌性也有所提升.有效減少鍋爐運行過程中奧氏體不銹鋼管壁因腐蝕、磨損減薄而發生爆管的次數，保證火電機組的正常運行.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

使用尺寸為300 mm×70 mm×8 mm的Q345鋼，其主要化學成分如表1所示.噴焊材料選用目數為200目的Fe55型Fe基自熔性合金粉末和Ni60型Ni基自熔性合金粉末，其主要化學成分如表2所示.選用目數為140～300目的ZrC陶瓷顆粒作為增強相，以期提高鐵基合金噴焊層的力學性能.

表1 Q345鋼的化學成分

表2 Fe55型 Fe基自熔性合金粉末、Ni60型Ni基自熔性合金粉末主要化學成分

1.2 實驗過程

利用等離子噴焊設備(GAP 2001DC)在其表面制備了含有5.0 wt.% Ni粉的鐵基合金噴焊層.焊接前對Q345鋼進行機械清理.首先，設計簡單正交實驗以達到優化最佳噴焊工藝的目的，具體參數如表3所示.在等離子噴焊中，焊接電流、送粉速度以及焊接速度是最重要的焊接工藝參數，根據這3個參數，設計相應的3因素3水平正交實驗表，以求能夠優化出最佳的焊接工藝.根據本文之前的研究，將離子氣、保護氣的進氣量設置為1.2～1.4 L·min-1、10～12 L·min-1.

表3 正交實驗設計明細

實驗后通過觀察焊縫宏觀形貌、熔池深度、余高高度以及顯微硬度等對焊縫成形系數及硬度較低的工藝進行排除，進而優化出最佳的噴焊工藝.對利用優化工藝制備的試樣進行切割取樣，利用光鏡(Carl Zeiss-Axio Imager A2m)對其進行金相觀察與物相分析；利用顯微硬度計(1600-5122VD Microment 5104)進行顯微硬度測試；利用夏比擺錘沖擊實驗機(PTM2000)對試樣進行沖擊測試(樣品尺寸為10×10×55 mm3)開V型坡口，用300J的錘子試驗，實驗溫度為25 ℃.最終獲得性能最優的等離子噴焊層.

2 結果與討論

圖1為正交試驗后所得到的9組焊縫樣品的宏觀形貌.

圖1 正交實驗樣品焊縫宏觀樣貌

從圖1中可以看出，通過等離子噴焊進行表面處理所得到的焊縫成型較為均勻，沒有明顯缺陷產生.

圖2為正交實驗樣品焊縫截面圖，根據焊縫截面照片對焊縫熔寬、熔深、余高進行測量.進而計算出焊縫成形系數.所得的焊縫成形系數及相應尺寸如表4所示.眾所周知，焊縫成形系數過大，會使得焊縫附近材料具有強烈的應力集中，影響材料使用壽命.而焊縫成形系數過小則會降低焊縫整體強度.根據表中所計算的焊縫成形系數，1號樣品焊縫成形系數太大，容易出現應力集中，而8號樣品焊縫成形系數太小，對焊縫整體強度產生負面作用，因此首先排除1號和8號工藝.

圖2 正交實驗樣品體視顯微鏡焊縫截面圖

表4 焊縫成型系數詳細表

圖3為正交實驗樣品Q345金屬基體層的光鏡組織.由于等離子噴焊過程釋放能量較高，熱影響區往往會出現組織變化等現象.然而從圖3可以看出，焊縫基體附近組織并未發生明顯變化仍為鐵素體+珠光體組織.這說明使用等離子噴焊對金屬表面進行處理，可以有效避免焊縫附近金屬材料組織變化.

圖4為正交實驗樣品熔合區金相組織.熔合區作為力學性能最差的關鍵部分，影響著整個焊縫的使用壽命.然而從圖4可以看出，熔合區附近組織均勻，基體與噴焊層結合較好，未發現明顯焊接缺陷且兩者結合方式為冶金結合.

圖4 正交實驗樣品熔合區金相組織

圖5為正交實驗樣品噴焊層金相組織，噴焊層組織晶粒統計結果如圖6所示.從圖中可以看出，除3號樣品外，其余工藝樣品噴焊層組織為粗大的樹枝晶，而3號樣品中金相組織呈現為細小的球狀晶.并且，7、8、9號樣品樹枝晶粒尺寸較大(高于22 μm).其余具有樹枝晶組織的樣品晶粒尺寸為～21 μm.值得注意的是，3號試樣金相組織晶粒尺寸最為細小為～16 μm.

圖5 正交實驗樣品噴焊層金相組織

圖6 正交實驗樣品晶粒統計圖

對正交實驗樣品進行顯微硬度測試，具體測試位置如圖7所示.分別對噴焊層、熔合區及基體處進行全方位的硬度檢測，每個區域測試硬度3個點并取平均值.最終硬度測試結果如表5所示.從表中可以看出，具有細小球狀金相組織的3號試樣噴焊層、熔合區及基體硬度均要高于其他工藝制備出的材料硬度.并且對各試樣進行沖擊試驗后發現，3號樣品沖擊韌度較高為～180 J·cm-2，而其他試樣沖擊韌度為～150 J·cm-2.因此，優化出具有高性能的鐵/鎳混合基Q345復合板工藝參數電流為60A，送粉量為35%，焊接速度為40 mm·min-1，離子氣流量為1.2～1.4 L·min-1，保護氣流量為10～12 L·min-1.

圖7 正交實驗樣品顯微硬度測試位置示意圖

表5 正交實驗樣品維氏硬度測試詳細數據

對最優工藝參數條件下制備的噴焊層進行XRD測試如圖8所示.從圖中可以看出，由于Ni的加入，使得焊縫金屬在凝固過程中奧氏體區加大，使噴焊層在室溫下獲得一部分奧氏體組織，這部分奧氏體組織的存在很大程度上提高了噴焊層的塑、韌性.不僅如此，通過XRD測試還發現了Cr7C3化合物，CCr化合物的存在會使噴焊層的整體硬度提高，這也是導致噴焊層具有較高硬度的原因.

角度圖8 最優工藝噴焊層XRD衍射圖

3 結 論

(1)等離子噴焊最優焊接工藝參數：電流為60A，送粉量為35%，焊接速度為40 mm·min-1，離子氣流量為1.2～1.4 L·min-1，保護氣流量為10～12 L·min-1.

(2)由于Ni的加入，使噴焊層在常溫下獲得奧氏體晶，具有球狀奧氏體晶粒的噴焊層組織呈現最優的力學性能，噴焊層硬度為707Hv，沖擊值為180 J·cm-2.

(3)由于粉末中存在大量Cr元素，在焊縫凝固過程中會析出大量彌散的Cr7C3增強相顆粒，從而產生彌散強化效果，使得噴焊層硬度大幅提高.