基于響應(yīng)曲面法優(yōu)化2205雙相不銹鋼層等離子弧熔覆工藝

杜道忠,張 超,謝 鵬,饒嘉威

(1.江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院公用事業(yè)學(xué)院,常州 213000;2.江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

石油工業(yè)中的冷卻水交換器、大型儲(chǔ)油罐,核電燃料池與海水淡化系統(tǒng)等所用大型鋼鐵結(jié)構(gòu)件大多服役于較為嚴(yán)苛的腐蝕環(huán)境,其材料的耐腐蝕性能要求很高。出于對(duì)成本控制與焊接性的考慮,這些結(jié)構(gòu)件大部分采用碳素鋼或低合金鋼,表面極易發(fā)生局部腐蝕[1-4]。2205雙相不銹鋼不僅具備奧氏體鋼良好的塑韌性及焊接性,還擁有鐵素體鋼的高強(qiáng)度和優(yōu)異的耐腐蝕性[5],熔覆于低碳鋼表面,可提高其表面耐腐蝕性能,同時(shí)保證一定的強(qiáng)度,進(jìn)而延長(zhǎng)服役壽命。

等離子弧熔覆技術(shù)是利用等離子弧熱源熔化合金粉末或絲材及基體近表層,冷卻凝固后形成冶金結(jié)合層的一種表面強(qiáng)化技術(shù),具有稀釋率小、熔覆層組織致密且與基體結(jié)合良好、熱影響區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)。相比于激光熔覆層,等離子弧熔覆層不易產(chǎn)生氣孔、組織偏析及裂紋等缺陷[6-8]。利用這一技術(shù)對(duì)不銹鋼大型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行表面強(qiáng)化與修復(fù),有利于延長(zhǎng)其使用壽命。目前,學(xué)者們對(duì)等離子弧熔覆工藝進(jìn)行了大量研究。朱凱等[9]研究發(fā)現(xiàn),等離子弧堆焊工藝參數(shù)中對(duì)司太立合金堆焊層稀釋率影響程度從大到小的排序?yàn)樗头哿俊⑥D(zhuǎn)移弧電流、堆焊速度,最優(yōu)工藝參數(shù)下的堆焊層稀釋率僅為2.2%,表面硬度達(dá)到440 HV左右。黃詩(shī)銘等[10]對(duì)等離子弧噴焊原位TiN顆粒增強(qiáng)層工藝進(jìn)行了正交優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化層表面硬度與耐磨性能影響因素的主次順序?yàn)楹附与娏鳌⑺头哿亢秃附铀俣取EI等[11]研究發(fā)現(xiàn),在最佳等離子弧熔覆工藝參數(shù)下制備的碳化鎢增強(qiáng)鎳基合金熔覆層無(wú)裂紋,擁有極高的硬度與良好的耐磨性。然而,采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化材料工藝參數(shù),只能分析離散型數(shù)據(jù),無(wú)法考慮工藝參數(shù)之間的交互作用。響應(yīng)曲面法則能直接得出影響因子與響應(yīng)值間的擬合函數(shù)與三維曲面圖,直觀反映影響因子與響應(yīng)值間的關(guān)系和因子間的交互作用。因此,作者采用等離子弧熔覆技術(shù)在Q345鋼表面制備2205雙相不銹鋼熔覆層,采用響應(yīng)曲面法分析了熔覆速度、熔覆電流和送絲速度及其相互作用對(duì)熔覆層稀釋率、寬高比的影響,并獲得了優(yōu)化的等離子弧熔覆工藝,以期為不銹鋼大型結(jié)構(gòu)件用熔覆層質(zhì)量的預(yù)測(cè)與控制提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用熔覆絲材為直徑1.2 mm的2205雙相不銹鋼實(shí)心焊絲,基板為Q345鋼,尺寸為160 mm×70 mm×10 mm,兩者化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)如表1所示。對(duì)基板進(jìn)行機(jī)械清理,去除表面鐵銹,再用無(wú)水乙醇清洗表面并烘干。

表1 2205雙相不銹鋼焊絲與Q345鋼基板的化學(xué)成分

采用DML-V03AD型等離子弧熔覆設(shè)備在Q345鋼表面制備2205雙相不銹鋼熔覆層。通過(guò)前期調(diào)研及單因素試驗(yàn),優(yōu)選熔覆電流X1、熔覆速度X2、送絲速度X3作為主要影響因子,相應(yīng)的稀釋率η、寬高比ψ作為響應(yīng)值,設(shè)計(jì)了3因素5水平(見(jiàn)表2)的試驗(yàn)。采用Design-Expert軟件中的Central composite design(CCD)設(shè)計(jì)試驗(yàn),并進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,設(shè)計(jì)試驗(yàn)數(shù)為20組。等離子弧熔覆其他工藝參數(shù)如下:保護(hù)氣體和離子氣體均為氬氣,保護(hù)氣體流量為17 L·min-1,離子氣體流量為1.5 L·min-1,噴嘴與基板距離為12 mm。熔覆路徑及熔覆層截面如圖1所示,圖中B為熔寬,h為熔深,H為層高。

圖1 熔覆路徑和熔覆層截面形狀示意Fig.1 Schematic of cladding path (a) and sectional shape of cladding layer (b)

表2 響應(yīng)曲面試驗(yàn)因素及水平

沿2205雙相不銹鋼熔覆層垂直方向截取尺寸為25 mm×25 mm×10 mm的金相試樣,對(duì)試樣進(jìn)行研磨、拋光后用Behara試劑(88 mL H2O+12 mL HCl+1.2 g K2S2O5)腐蝕10 s,采用ZEISS Axioskop 2 MAT型光學(xué)顯微鏡觀察橫截面宏觀形貌,測(cè)量熔覆層橫截面的熔寬、熔深和層高,計(jì)算稀釋率和寬高比,計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

通過(guò)稀釋率與寬高比判斷熔覆層成形質(zhì)量:稀釋率表征基材中元素溶入引起的熔覆層成分的變化程度,過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響熔覆層性能[12-15];寬高比越大,熔覆絲材在基材表面的鋪展能力越強(qiáng),則熔覆層越扁平,搭接率越大[16-17]。

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)曲面分析結(jié)果

采用二次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表3)進(jìn)行擬合,二次回歸方程的一般表達(dá)式如下:

(3)

式中:y為回歸模型的輸出響應(yīng)值;xj為影響因素;b0、bj、bkj、bjj為二次回歸系數(shù)。

通過(guò)對(duì)二次模型方程進(jìn)行分析,最終獲得稀釋率與寬高比的擬合方程分別為

η=7.32+6.70X1-1.14X2-4.96X3-

0.17X1X2-1.35X1X3-0.20X2X3+

(4)

ψ=2.72+1.28X1-0.16X2-0.93X3-

0.024X1X2-0.28X1X3+0.021X2X3+

(5)

由表4和表5可知:稀釋率與寬高比擬合模型的p值均小于0.000 1,表明模型顯著性高;兩者失擬度的p值分別為0.136 7,0.326 7,均大于0.05,并不顯著,表明模型具有良好的精度,選取的影響因素對(duì)響應(yīng)目標(biāo)的影響顯著;兩者的r2分別為0.984 4,0.982 1,均十分接近1,說(shuō)明與試驗(yàn)測(cè)試值極為接近,模型的相關(guān)性好;兩者的信噪比精度均遠(yuǎn)大于4,說(shuō)明模型在試驗(yàn)中的信號(hào)充足,進(jìn)一步表明模型可靠。

表4 稀釋率擬合模型的方差分析結(jié)果

表5 寬高比擬合模型的方差分析結(jié)果

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷捻憫?yīng)曲面圖

由圖2(a)可知:3種工藝參數(shù)對(duì)稀釋率的影響程度由大到小依次為熔覆電流、送絲速度、熔覆速度。隨著熔覆電流增大,稀釋率急劇增加,這是由于增大電流會(huì)增大熱輸入,在送絲量不變的情況下,額外的熱量會(huì)熔化更多的母材,另外增大電流使得焊槍中產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)等離子弧的壓縮作用更強(qiáng),穩(wěn)定的弧柱對(duì)熔池產(chǎn)生沖擊作用,使熔池發(fā)生下陷,熔深增加;當(dāng)送絲速度小于65 mm·s-1(編碼值為0.5)時(shí),稀釋率隨著送絲速度增大而減小,影響較為顯著,這是因?yàn)榭偀彷斎氩蛔兊那闆r下增大單位時(shí)間內(nèi)的送絲量,熔覆層單位面積內(nèi)的熱輸入降低,且送絲量增大后熔池的流動(dòng)性降低,故稀釋率減小;熔覆速度對(duì)稀釋率的影響并不明顯。稀釋率擬合模型的方差分析結(jié)果表明,在稀釋率模型的兩因素交互作用中,熔覆電流和送絲速度的p值最小,r2非常顯著。綜上可知,熔覆電流和送絲速度的交互作用將對(duì)熔覆層的稀釋率產(chǎn)生顯著影響。利用式(4)繪制相應(yīng)的響應(yīng)曲面圖(熔覆速度為5 mm·s-1),見(jiàn)圖2(b),可知:熔覆電流和送絲速度的交互作用對(duì)熔覆層稀釋率的影響比較顯著;熔覆電流越大,送絲速度越小,稀釋率越大,當(dāng)熔覆電流為120 A,送絲速度為40 mm·s-1時(shí),稀釋率高達(dá)60%。綜上,為了獲得稀釋率低的熔覆層,盡量采用小熔覆電流、高送絲速度的工藝參數(shù)。

圖2 熔覆層稀釋率的攝動(dòng)圖和響應(yīng)曲面圖Fig.2 Perturbation diagram (a) and response surface diagram (b) of dilution rate of cladding layer

由圖3(a)可知:3種工藝參數(shù)對(duì)寬高比的影響程度由大到小依次為熔覆電流、送絲速度、熔覆速度。當(dāng)熔覆電流增大時(shí),寬高比增大,這是因?yàn)殡娏髟龃笫沟萌鄹步z材在基板表面的鋪展能力增強(qiáng),熔寬增大,同時(shí)基板表層熔化,使得熔池下陷,熔覆層余高減小;當(dāng)送絲速度增大時(shí),寬高比減小,這是因?yàn)樗徒z速度增大導(dǎo)致單位面積熱輸入減小,熔覆絲材鋪展能力減弱,故熔寬減小,余高增大;熔覆速度對(duì)寬高比的影響并不明顯。結(jié)合寬高比擬合模型的方差分析結(jié)果可知,熔覆電流和送絲速度的交互作用將對(duì)熔覆層的寬高比產(chǎn)生顯著影響。利用式(5)繪制相應(yīng)的響應(yīng)曲面圖(熔覆速度為5 mm·s-1),結(jié)果如圖3(b)所示,可知熔覆電流和送絲速度的交互作用對(duì)熔覆層寬高比的影響效應(yīng)比較顯著。綜上,為獲得寬高比較大、均勻平坦的熔覆層,應(yīng)盡可能采用大熔覆電流、小送絲速度的工藝參數(shù)。

圖3 熔覆層寬高比的攝動(dòng)圖和響應(yīng)曲面圖Fig.3 Perturbation diagram (a) and response surface diagram (b) of width to height ratio of cladding layer

2.3 最優(yōu)工藝的確定及試驗(yàn)驗(yàn)證

預(yù)測(cè)得到的最優(yōu)工藝參數(shù)為熔覆電流99 A、熔覆速度6 mm·s-1、送絲速度50 mm·s-1,此時(shí)所制備的2205雙相不銹鋼熔覆層稀釋率和寬高比分別為14.8%和4.36。

最優(yōu)工藝參數(shù)下制備的熔覆層形貌見(jiàn)圖4,熔覆層光滑連續(xù),有金屬光澤,成形較好。試驗(yàn)測(cè)得最優(yōu)工藝參數(shù)下制備熔覆層的平均稀釋率約為14.6%,平均寬高比為4.33。 稀釋率和寬高比預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值之間的相對(duì)誤差分別為2.9%和2.3%,表明該優(yōu)化模型具有較高的精確度。

圖4 最優(yōu)工藝制備2205雙相不銹鋼熔覆層的表面形貌和截面形貌Fig.4 Surface morphology (left) and cross section morphology (right) of 2205 duplex stainless steel cladding layer prepared under optimal process

3 結(jié) 論

(1) 通過(guò)響應(yīng)曲面法建立了2205雙相不銹鋼等離子弧熔覆層稀釋率、寬高比的二次數(shù)學(xué)模型,可知熔覆電流與送絲速度及其交互作用均對(duì)熔覆層的稀釋率與寬高比具有顯著的影響。當(dāng)采用小熔覆電流和大送絲速度等離子弧熔覆工藝時(shí),熔覆層稀釋率較小;當(dāng)采取大熔覆電流和小送絲速度熔覆工藝時(shí),熔覆層寬高比較大。

(2) 預(yù)測(cè)得到的最優(yōu)工藝參數(shù)為熔覆電流99 A、熔覆速度6 mm·s-1、送絲速度50 mm·s-1,此時(shí)熔覆層稀釋率和寬高比分別為14.8%和4.36,與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差分別為2.9%和2.3%,說(shuō)明模型可靠。采用最優(yōu)工藝制備的熔覆層光滑連續(xù),成形較好。